本發(fā)明涉及分布式光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種分布式光纖傳感器中數(shù)據(jù)采集與處理的方法。

背景技術(shù)：

在分布式光纖傳感系統(tǒng)中，需要高速數(shù)據(jù)采集和非常大的高速緩存容量，例如當(dāng)要求測量距離為10km,空間分辨率為1m，累積測量次數(shù)為10萬次時，測量一回的數(shù)據(jù)量就達(dá)到1g，若空間分辨率提高到10cm,則測量一回的數(shù)據(jù)量將達(dá)到10g。顯然在分布式光纖傳感系統(tǒng)中需要非常大的高速緩存容量。

高速緩存往往在高速數(shù)據(jù)采集卡中完成,具有大容量高速緩存器的a/d采集卡不僅設(shè)計困難、成本高。特別是由于高速數(shù)據(jù)采集卡中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中的速度較低，大的數(shù)據(jù)量需要較長的傳輸時間，在windows等分時操作系統(tǒng)中，測量一回的數(shù)據(jù)需要傳輸若干次，數(shù)據(jù)傳輸是不連續(xù)性的，造成部分測量數(shù)據(jù)丟失，最終導(dǎo)致測量失敗。另外，計算機(jī)對大數(shù)據(jù)量處理時間亦不能忽略，因此高速數(shù)據(jù)存儲、傳輸和處理等問題便成為了在分布式光纖傳感系統(tǒng)設(shè)計中迫切需要解決的關(guān)鍵問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種分布式光纖傳感器中數(shù)據(jù)采集與處理的方法，該方法利用數(shù)字硬件電路實現(xiàn)數(shù)字boxcar積分和數(shù)據(jù)存儲，可大大提高數(shù)據(jù)采集和處理速度，有利于光纖傳感器信號的實時測量處理。

一種分布式光纖傳感器中數(shù)據(jù)采集與處理的方法，所述方法包括：

將待處理的背向散射信號經(jīng)過信號放大濾波器處理后，送入高速a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

將高頻時鐘發(fā)生器產(chǎn)生的信號作為同步觸發(fā)信號，在該同步觸發(fā)信號的控制下對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字boxcar積分運(yùn)算和循環(huán)移動存儲；

通過數(shù)據(jù)的循環(huán)移動和累加運(yùn)算，獲得沿光纖長度方向上各點的散射光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)。

所述循環(huán)移動存儲的過程在循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器中進(jìn)行，該循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器由rega0、rega1、rega2、……、regan-1個存儲單元組成，用于存儲放第0點、第1點、第2點、……、第n-1點的采樣數(shù)據(jù)的累加和。

所述存儲單元的數(shù)量為所述循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器的深度，該數(shù)量由傳感光纖的長度和a/d轉(zhuǎn)換速率決定。

所述對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字boxcar積分運(yùn)算和循環(huán)移動存儲的過程具體為：

首先將循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器的各個存儲單元清零；

當(dāng)?shù)趈次激光泵浦脈沖發(fā)射時，采樣沿光纖長度方向上的背向散射信號，先將第i個點的采樣數(shù)據(jù)與第j-1次的累加和數(shù)據(jù)經(jīng)過累加器處理后，得到第i點第j次的累加和數(shù)據(jù)；

再按順時針方向分別將各個存儲單元的數(shù)據(jù)循環(huán)移動到下一個存儲單元。

所述通過數(shù)據(jù)的循環(huán)移動和累加運(yùn)算，獲得沿光纖長度方向上各點的散射光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)，具體包括：

散射光在距離光纖端面的距離d通過光發(fā)射和接收的往返時間t來計算，即：

其中，c為光在真空中的速度，n為光纖折射率，往返時間t由a/d采樣時刻確定，它與距離d一一對應(yīng)；

將a/d采樣獲得的散射光強(qiáng)按照a/d采樣點的先后次序存入循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器中構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈表，該包含散射光強(qiáng)的數(shù)據(jù)鏈表即為離散化的沿光纖長度方向上各點的散射光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)。

所述高頻時鐘發(fā)生器由溫度補(bǔ)償晶體振蕩器構(gòu)成，用于同步控制所述高速a/d轉(zhuǎn)換器的采樣時刻和觸發(fā)數(shù)據(jù)的循環(huán)移動存儲。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，上述方法利用數(shù)字硬件電路實現(xiàn)數(shù)字boxcar積分和數(shù)據(jù)存儲，可大大提高數(shù)據(jù)采集和處理速度，有利于光纖傳感器信號的實時測量處理。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例所提供分布式光纖傳感器中數(shù)據(jù)采集與處理的方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例所述循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器工作過程示意圖；

圖3為本發(fā)明所舉實例的方法處理過程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述，如圖1所示為本發(fā)明實施例所提供分布式光纖傳感器中數(shù)據(jù)采集與處理的方法流程示意圖，所述方法包括：

步驟1、將待處理的背向散射信號經(jīng)過信號放大濾波器處理后，送入高速a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

步驟2、將高頻時鐘發(fā)生器產(chǎn)生的信號作為同步觸發(fā)信號，在該同步觸發(fā)信號的控制下對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字boxcar積分運(yùn)算和循環(huán)移動存儲；

在該步驟中，所述循環(huán)移動存儲的過程在循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器中進(jìn)行，如圖2所示為本發(fā)明實施例所述循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器工作過程示意圖，參考圖2：該循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器由rega0、rega1、rega2、……、regan-1個存儲單元組成，用于存儲放第0點、第1點、第2點、……、第n-1點的采樣數(shù)據(jù)的累加和。

所述存儲單元的數(shù)量為所述循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器的深度，該數(shù)量由傳感光纖的長度和a/d轉(zhuǎn)換速率決定，其大小可調(diào)節(jié)。例如該循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器可以由fpga(或cpld)與fifo存儲器等芯片構(gòu)成，實現(xiàn)對a/d采樣數(shù)據(jù)的循環(huán)移動和數(shù)字boxcar積分運(yùn)算。

具體實現(xiàn)中，所述對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字boxcar積分運(yùn)算和循環(huán)移動存儲的過程具體為：

首先將循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器的各個存儲單元清零；

當(dāng)?shù)趈次激光泵浦脈沖發(fā)射時，采樣沿光纖長度方向上的背向散射信號，先將第i個點的采樣數(shù)據(jù)與該點前一次(即第j-1次)的累加和數(shù)據(jù)經(jīng)過累加器處理后，得到第i點第j次的累加和數(shù)據(jù)；

再按順時針方向分別將各個存儲單元的數(shù)據(jù)循環(huán)移動到下一個存儲單元。

以上操作可以在高頻時鐘發(fā)生器的控制下同步進(jìn)行，因此每采集一個數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行累加和數(shù)據(jù)循環(huán)移動兩個動作，這兩個動作可在一個時鐘脈沖的作用下完成，上述高頻時鐘發(fā)生器由溫度補(bǔ)償晶體振蕩器構(gòu)成，用于同步控制所述高速a/d轉(zhuǎn)換器的采樣時刻和觸發(fā)數(shù)據(jù)的循環(huán)移動存儲。

步驟3、通過數(shù)據(jù)的循環(huán)移動和累加運(yùn)算，獲得沿光纖長度方向上各點的散射光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)。

在該步驟中，布里淵散射光屬于后向散射光，因此散射光在距離光纖端面的距離d可以通過光發(fā)射和接收的往返時間t來計算，即

其中，c為光在真空中的速度(2.998×10⁸m/s),n為光纖折射率，而往返時間t由a/d采樣時刻(點數(shù))確定，它與距離d一一對應(yīng)。

由于a/d為等間隔采樣，因此采樣的點數(shù)對應(yīng)光纖中散射點的位置，采樣值為散射光強(qiáng)，然后再將采樣值按照a/d采樣點的先后次序存入循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器中構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈表，這個包含采樣值的數(shù)據(jù)鏈表就是離散化的沿光纖長度方向上各點的散射光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)。

下面以具體的實例對上述方法的過程進(jìn)行詳細(xì)說明，如圖3所示為本發(fā)明所舉實例的方法處理過程示意圖，圖中包括有雙端高速存儲器、讀地址邏輯產(chǎn)生電路、寫地址邏輯產(chǎn)生電路和累加器等部件，其中雙端高速存儲器的一個端口只能讀數(shù)據(jù)，另一個端口只能寫數(shù)據(jù)；讀地址邏輯產(chǎn)生電路和寫地址邏輯產(chǎn)生電路產(chǎn)生循環(huán)的遞增地址，即地址從0開始遞增，當(dāng)?shù)刂吩黾拥窖h(huán)移動存儲器深度n時，地址又回到0，從新開始遞增，寫地址比讀地址值少1，并且讀地址值與采樣數(shù)據(jù)點值一致。

具體過程為：采樣到第i點的數(shù)據(jù)時，同時讀取前一回第i點存儲的數(shù)據(jù)，并且在累加器中進(jìn)行累加；當(dāng)下一個時鐘到來時，先將第i點數(shù)據(jù)存儲，然后再對第i+1點的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，以此類推。

另外，在對光纖傳感信號進(jìn)行boxcar積分運(yùn)算后，光纖傳感信號輸入輸出信噪比由測量次數(shù)n決定，其信噪比的改善為n的方根值，因此通過選取適當(dāng)?shù)膎，就可以有效地提取出微弱的光纖傳感信號。

綜上所述，本發(fā)明實施例所述方法具有如下優(yōu)點：

1、通過累加器和循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲器對光纖傳感信號boxcar積分運(yùn)算后再進(jìn)行循環(huán)移動數(shù)據(jù)存儲，不僅大量地減少高速數(shù)據(jù)緩存容量，而且不會因傳輸數(shù)據(jù)量大帶來的部分測量數(shù)據(jù)丟失等問題。

2、利用數(shù)字硬件電路實現(xiàn)數(shù)字boxcar積分和數(shù)據(jù)存儲，可大大提高數(shù)據(jù)采集和處理速度，有利于光纖傳感器信號的實時測量處理。

3、該方法成本低、容易實現(xiàn)，尤其適合作為長距離高空間分辨率的分布式光纖傳感系統(tǒng)中信號的采集與處理。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。