一種并行分布式計算的多通道光纖光柵振動信號智能傳感器系統的制作方法

本發明涉及光纖傳感領域，特別涉及一種可在傳感器端實現光纖光柵尋峰及振動參量計算的嵌入式光纖光柵解調器的多通道光纖光柵振動信號智能傳感器系統。

背景技術：

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器是一種波長調制型傳感器，其纖芯內的折射率沿軸向周期性變化，會對特定波長的激光產生反射，反射波長與折射率變化的周期長度有關。FBG傳感器可對溫度、應變、振動等進行有效測量。

然而，FBG傳感器對環境變量的感知，是通過對波長的精確測量實現，需要經過一定數據解調才可得到模擬量的數值，復雜的信號解調機構及算法，限制了FBG傳感器對快變信號的感知能力，目前大多數應用局限于對溫度、應變等緩變信號的監測。

現有高端光纖光柵解調模塊可實現30kHz以上的解調速率，但是由于數據量大，需要使用千兆以太網接口傳送數據，由于上位機處理速度限制，難以實現實時測量。軍事裝備監測時，往往需要將測量儀器嵌入到裝備中，進行多參量高速在線測量，如何設計并實現適于軍事裝備在線測量的嵌入式高速解調系統，成為光纖光柵傳感器應用亟待解決的問題。

技術實現要素：

為了解決上述問題，根據本發明的一個方面，提供了一種并行分布式計算的多通道光纖光柵振動信號智能傳感器系統，所述系統包括：應變測量布拉格光柵；向所述布拉格光柵提供寬帶激光的半導體激光器；與所述半導體激光器及布拉格光柵連接的光耦合器；與所述光耦合器連接，并接收所述布拉格反射光譜信號的分光系統，完成光譜信號的空間展開及聚焦；與所述分光系統連接的線陣圖像探測器，以高速掃描的方式，對各像素位置的光譜信號進行光強檢測，串行輸出相應光電信號；與所述線陣探測器 相連接的信號調理放大及模數轉換電路；與所述信號調理放大及模數轉換電路連接的基于FPGA的嵌入式解調器，實現光譜曲線的擬合及插值運算，得到光譜信號的峰值坐標；提供多種數字總線的總線接口模塊。

優選地，所述光纖光柵反射光譜尋峰計算由系統內FPGA器件完成，直接輸出解調結果。

優選地，所述系統同時對振動信號峭度、歪度進行實時計算和同步輸出。

優選地，所述嵌入式解調器包括以下部分：信號幅度擬合模塊、信號尋峰模塊、信號修正模塊、振動峭度計算模塊、振動歪度計算模塊、時鐘模塊和SRAM控制模塊，其中：

信號幅度擬合模塊接收從信號調理放大及模數轉換電路發來的信號指令并對其進行初級解調，計算信號的幅度并進行擬合，以生成信號尋峰模塊所需的擬合信號，并在上位機的控制下通過SRAM控制模塊完成對已存儲數據的回讀；

信號尋峰模塊負責對信號幅度擬合模塊提供的信號進行尋峰計算，以進一步確定信號峰值，為后續計算提供基礎信號。并將數據依次排列成一路高數據率的數字信號，傳送給SRAM控制模塊；

信號修正模塊負責對信號尋峰模塊提供的信號進行進一步修正，例如噪聲去除、誤差調節等，以進一步確定信號基準。并將數據依次排列成一路高數據率的數字信號，傳送給SRAM控制模塊；

振動峭度計算模塊基于信號修正模塊修正的信號進行振動峭度計算，并輸出至外部接口；

振動歪度計算模塊基于信號修正模塊修正的信號進行振動歪度計算，并輸出至外部接口；

振動峭度計算模塊和振動歪度計算模塊的計算可同步并行進行。

時鐘模塊將外部時鐘分成一路差分形式的時鐘輸出，將其分成兩路差分的同步的時鐘，同時供給振動峭度計算模塊和振動歪度計算模塊，從而保證兩路計算的同步性；

SRAM控制模塊負責完成對SRAM芯片的通信工作。根據前級所提供的地址將當前的數字信號存入SRAM芯片中，或讀回該地址內的數據。

根據本發明提供的基于線陣圖像探測器的光纖光柵高速解調系統，通過并行計算，在一個采樣周期內完成全光譜信號的幅度擬合、波長尋峰、 數據修正等信號處理，實現多路振動信號的同時采集，并通過并行計算結構對故障診斷等應用所需振動峭度、歪度等特征值進行在線計算和實時傳輸。

應當理解，前述大體的描述和后續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出根據本發明的并行分布式計算的多通道光纖光柵振動信號智能傳感器的結構示意圖；

圖2示意性示出根據本發明的基于FPGA的嵌入式解調器108的FPGA實現框圖原理。

具體實施方式

在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

通過參考示范性實施例，本發明的目的和功能以及用于實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。

針對本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便于說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

本發明提供了一種并行分布式計算的多通道光纖光柵振動信號智能傳感器，通過嵌入式采用FPGA器件，通過一種并行計算結構，實現一種嵌入式光纖光柵解調器及振動信號分析處理器。

根據本發明的多通道光纖光柵振動信號檢測系統可以利用光纖光柵的電絕緣性、耐腐蝕性，對強電磁干擾、高溫高濕、腐蝕氣體及液體環境中的振動信號進行測量，并通過并行計算對多路光纖光柵進行同時解調。該方法和系統不僅僅局限于對振動信號的實時采集，也可容易地推廣到應變、溫度等參量的測量。

圖1示意性示出根據本發明的并行分布式計算的多通道光纖光柵振動信號智能傳感器的結構示意圖。如圖1所示，根據本發明的并行分布式計算的多通道光纖光柵振動信號智能傳感器系統100包括：用于測量震動所產生的應變的布拉格光纖光柵傳感器101；向所述布拉格光纖光柵傳感器101提供寬帶激光的光源102，所述光源102優選為半導體激光器；與所述半導體激光器102及所述布拉格光柵101連接的光耦合器103；連接在所述光源102和所述耦合器103之間的光纖；與所述光耦合器103連接，并接收所述布拉格光纖光柵傳感器101反射光譜信號的分光系統105，所述分光系統105完成光譜信號的空間展開及聚焦；與所述分光系統105連接的線陣圖像探測器106，以高速掃描的方式，對各像素位置的光譜信號進行光強檢測，串行輸出相應光電信號；與所述線陣圖像探測器106相連接的信號調理放大及模數轉換電路107；與所述信號調理放大及模數轉換電路連接108的基于FPGA的嵌入式解調器108，實現光譜曲線的擬合及插值運算，得到光譜信號的峰值坐標，以及對峭度、歪度進行實時計算和同步輸出；以及與所述嵌入式解調器108連接的用于提供多種數字總線的總線接口模塊106。

優選地，根據本發明的一個實施例，所述光纖光柵反射光譜尋峰計算由系統內FPGA器件完成，直接輸出解調結果。

優選地，根據本發明的一個實施例，所述系統同時對振動信號位移、速度、加速度進行測量，并對峭度、歪度進行實時計算和同步輸出。峭度指標是無量綱參數，由于它與系統轉速、尺寸、載荷等無關，對沖擊信號特別敏感，特別適用于表面損傷類故障、尤其是早期故障的診斷。

根據本發明，布拉格光纖的芯徑由所采用的有源光纖決定，包層芯徑優選為125μm，光纖纖芯的芯徑可以選用4μm、8μm或10μm，優選為10/125μm。根據本發明具體實施例，光纖的類型應與光源104的泵浦波長相匹配。例如，根據本發明的一個實施例，布拉格光纖選自摻鉺光纖、摻鐿光纖或鉺鐿共摻光纖。

摻鉺光纖所匹配的泵浦波長可采用980nm或1480nm，摻鐿光纖的泵浦波長可采用976nm或915nm，鉺鐿共摻光纖的泵浦波長可采用976nm，根據波長和芯徑參數進一步確定光耦合器102的參數。最終出射的激光波長在有源光纖一定增益范圍內(如1530-1560nm)由布拉格光纖光柵的反射波長確定。摻鐿光纖的典型出射波長為1535nm，摻鉺光纖的典型出射波長為1064nm，鉺鐿共摻光纖的典型出射波長為1550nm。

例如，在本實施例中，若選用芯徑為10/125μm摻鉺光纖作為增益介質。光源104輸出波長976nm，FBG選取范圍為1530nm-1560nm，可在該范圍內獲得激光輸出。實驗中若選用芯徑為10/125μm摻鐿光纖作為增益介質，LD尾纖需選取同樣型號芯徑。LD為915nm單模輸出，FBG選取1064nm附近，可在該范圍內獲得激光輸出。

圖2示意性示出根據本發明的基于FPGA的嵌入式解調器108的FPGA實現框圖原理。嵌入式解調器實現光譜曲線的擬合、信號幅度擬合、尋峰及插值運算，得到光譜信號的峰值坐標，還可以進行修正，并基于修正后的信號進行峭度、歪度進行實時計算和同步輸出；4個通道數據采集的FPGA結構框圖如圖2所示：

嵌入式解調器主要包括以下部分：信號幅度擬合模塊201、信號尋峰模塊202、信號修正模塊203、振動峭度計算模塊204、振動歪度計算模塊205、時鐘模塊206和SRAM控制模塊207，其中：

信號幅度擬合模塊201接收從信號調理放大及模數轉換電路107發來的信號指令并對其進行初級解調，計算信號的幅度并進行擬合，以生成信號尋峰模塊202所需的擬合信號，并在上位機的控制下通過SRAM控制模塊207完成對已存儲數據的回讀；

信號尋峰模塊202負責對信號幅度擬合模塊201提供的信號進行尋峰計算，以進一步確定信號峰值，為后續計算提供基礎信號。并將數據依次排列成一路高數據率的數字信號，傳送給SRAM控制模塊207；

信號修正模塊203負責對信號尋峰模塊202提供的信號進行進一步修正，例如噪聲去除、誤差調節等，以進一步確定信號基準。并將數據依次排列成一路高數據率的數字信號，傳送給SRAM控制模塊207；

振動峭度計算模塊204基于信號修正模塊203修正的信號進行振動峭度計算，并輸出至外部接口；

振動歪度計算模塊205基于信號修正模塊203修正的信號進行振動歪度計算，并輸出至外部接口；

振動峭度計算模塊204和振動歪度計算模塊205的計算可同步并行進行。

時鐘模塊206將外部100MHz時鐘分成一路差分形式的50MHz時鐘輸出，通過FPGA外部的時鐘分配芯片將其分成兩路差分的同步的50MHz時鐘，同時供給兩路模塊，振動峭度計算模塊204和振動歪度計算模塊205，從而保證兩路計算的同步性；

SRAM控制模塊207負責完成對SRAM芯片的通信工作。根據前級所提供的地址將當前的數字信號存入SRAM芯片中，或讀回該地址內的數據。

根據本發明提供的基于線陣圖像探測器的光纖光柵高速解調系統，通過并行計算，在一個采樣周期內完成全光譜信號的幅度擬合、波長尋峰、數據修正等信號處理，實現多路振動信號的同時采集，并通過并行計算結構對故障診斷等應用所需振動峭度、歪度等特征值進行在線計算和實時傳輸。

結合這里披露的本發明的說明和實踐，本發明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。