Segmented acquisition device and method for long-distance ultra-weak fiber grating array

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种长距离超弱光纤光栅阵列的分段采集装置及方法。

背景技术

光纤布拉格光栅（FBG，Fiber Bragg Grating）传感器通过解析光纤上FBG反射光波长的变化来感测光纤所受的应变或温度，被广泛应用于结构变形与温度变化的监测。超弱光纤光栅（Ultraweak Fiber Bragg Grating，uwFBG）是对反射率低于0.1%光纤光栅（FBG）的统称，它继承了传统FBG无源、波长解调、高精度的优点，单光纤可复用光栅的数量高达上万个，在长距离监测中具有广泛的应用前景。

随着传感距离的延伸，uwFBG系统的信号功率会出现衰减，系统的性能会出现退化。长距离uwFBG的信号衰减可以通过掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)和拉曼光纤放大器(Raman Fiber Amplifier，RFA)的组合放大解决，这在传统的FBG传感技术中已经获得应用。饶云江等人利用EDFA和RFA相结合的放大方案实现了300km的超长距离传感，系统在275km处的信噪比仍大于15dB。2021年，曹健华等人结合光纤随机激光和FBG实现了150km的多点式光纤传感系统。因此，性能退化是长距离uwFBG系统的首要问题。空间分辨率、测量精度、解调速度是衡量长距离分布式光纤传感系统性能的主要指标。

为了获取较高的测量精度和空间分辨率，传统长距离分布光纤传感技术需要通过连续多次采集光纤上的信号，在硬件上缓存大量数据并且需要强大算力来执行去噪处理，这不仅增加了解调系统的复杂程度，还大大降低系统的解调速度。当uwFBG传感系统向长距离演进，采集长度和光栅数量大幅提升，这需要对采集、存储和计算的硬件资源进行升级，解调系统将非常复杂，同时也会降低系统的测量精度和解调速度。如何抑制系统性能的退化、降低解调系统对硬件配置的要求，是解决延伸uwFBG系统传感距离的关键。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种长距离超弱光纤光栅阵列的分段采集装置及方法，基于超弱光纤光栅离散分布和高信噪比的特性，采用分段采集的方法，利用嵌入式底层硬件即可实现长距离光栅信号的快速解调，大大简化系统的结构，能够实现超弱光纤光栅的长距离感测。

本发明采取的技术方案为：

一种长距离超弱光纤光栅阵列的分段采集装置，包括：

可调谐激光器、半导体激光放大器、前置掺铒光纤放大器、环形器、光纤放大器、后置掺铒光纤放大器、光电探测器；

可调谐激光器连接半导体激光放大器，半导体激光放大器连接前置掺铒光纤放大器，前置掺铒光纤放大器连接环形器的第一端口，环形器的第二端口连接超弱光纤光栅阵列；超弱光纤光栅阵列接入光纤放大器；

环形器的第三端口连接后置掺铒光纤放大器，后置掺铒光纤放大器连接光电探测器，光电探测器连接嵌入式系统，嵌入式系统连接PC机；嵌入式系统分别连接可调谐激光器、半导体激光放大器。

所述嵌入式系统包括ARM内核、FPGA逻辑电路两部分；

ARM内核包括PS端储存器、AXI4总线、TCP协议；

FPGA逻辑电路包括脉冲信号发生器、前置放大电路、ADC数据采集模块、PL端储存器；

前置放大电路连接ADC数据采集模块，ADC数据采集模块连接PL端存储器，PL端存储器通过AXI4总线连接PS端存储器；

经过光电探测器转换后的信号先由前置放大电路放大，再被ADC数据采集模块采集转换为数据矩阵，并存入PL端存储器。

所述FPGA逻辑电路根据光信号时域上反射信号到达的时间不同，通过脉冲信号发生器编程控制所述可调谐激光器时序、半导体激光放大器脉冲调制时间、以及ADC数据采集模块的采样时间，对不同空间长度上的信号进行采集，并保存到PL端存储器中。

所述FPGA逻辑电路通过AXI4总线对PL端存储器的采集数据进行处理，获取指定的检测长度段上超弱光纤光栅阵列的位置和波长。

所述ARM内核在PS端存储器建立一组乒乓模式的缓存器RAM1、RAM2，通过AXI4总线读取PL端存储器处理后的数据，交替缓存至RAM1、RAM2，再由TCP协议9-10读取其缓存的数据并上传至PC机。

所述FPGA逻辑电路还能够编程控制前置放大电路，对指定分段的光栅阵列的信号进行动态增益调节。

所述FPGA逻辑电路还能够控制前置掺铒光纤放大器、光纤放大器、后置掺铒光纤放大器增益，根据光栅阵列的信号强度，优化对放大器的增益配置。

由可调谐激光器在设定的波长范围内扫描发出连续光，经半导体激光放大器调制成脉冲光，再由前置掺铒光纤放大器放大后，通过环形器耦合进入超弱光纤光栅阵列，考虑信号在光纤线路中的衰减，经光纤放大器双向放大后，返回的信号后由后置掺铒光纤放大器放大后，经光电探测器完成光电转换，再由嵌入式系统完成数据采集和处理，以TCP协议传输至PC机完成波长计算。

根据光栅的离散分布及高信噪比特点，通过嵌入式系统的FPGA逻辑电路控制ADC数据采集模块转换的起、止时长；将整个光纤链路分成N段进行采集，ARM内核采用乒乓模式提升传输的速度。

一种长距离超弱光纤光栅阵列的分段采集方法，包括以下步骤：

步骤1：在PC机中设置采集段的长度和段数N，系统自动配置各段的增益值，计算各采集段的起始和停止采集时间；

步骤2：启动初始化模式，FPGA控制调制脉冲和ADC转换的时间，依次采集各段的信号并构建数据矩阵，计算各段上光栅的位置并记录，保存整个光纤上各个光栅位置；

步骤3：启动测试模式，对第一段光栅阵列进行数据采集，根据光栅的位置信息，提取对应位置的数据，重新成帧后上传PC机；

步骤4：PC机进行算法拟合，获取第一段光栅阵列上各位置光栅的峰值波长；

步骤5：依次对第2-N段光栅阵列进行采集和峰值波长计算；

步骤6：对全阵列的光栅位置-波长进行绘制，展示最后的解调结果；

步骤7：开始第2轮分段采集，显示第2轮解调结果，如此循环；

步骤8：单击停止按键，停止测试，释放所有存储器。

本发明一种长距离超弱光纤光栅阵列的分段采集装置及方法，技术效果如下：

1）分段采集的方法降低系统对数据缓存和计算能力的要求，开发难度小：

通过对长距离光栅阵列进行分段，单段长度在现有采集硬件的承载范围内，可以直接采用现有嵌入式硬件进行解调，大幅降低系统对硬件的要求，开发周期短，节约成本。

2）优化解调速度，系统性能退化小：

通过分段单次采集，在降低系统对硬件要求的同时，空间分辨率不变，解调精度退化小。与此同时，在底层硬件PS存储器上划分出RAM1与RAM2，反复进行乒乓操作，确保了数据的储存与传输的同步进行，相比于整段采集，分段采集处理的方式高效利用了时间，能将解调速率明显提高5倍以上。

3）放大器多级配置，功率均衡效果好：

将前置电路的可调增益放大与前置掺铒光纤放大器、后置掺铒光纤放大器以及拉曼光纤放大器组合调节，对不同传感段的信号进行动态增益，解决了光信号衰减及均衡问题。

4）本发明采用分段采集的方法进行弱光栅阵列的解调，可以在不增加电路硬件配置的情况下，对系统功率进行均衡，数倍延长现有解调系统的感测距离，实现50km以上光栅阵列的温度以及应变解调，降低系统对数据缓存和计算能力的要求，拓宽了超弱光纤光栅的应用领域。