《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
羅義軍,方 理
武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,,湖北 武漢430072
摘要: 針對(duì)防區(qū)周界被入侵時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)定位報(bào)警的問(wèn)題,,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可實(shí)時(shí)定位的分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)。以馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉技術(shù)為基礎(chǔ)搭建光路,,采用以FPGA結(jié)合高速ADC的硬件平臺(tái),,對(duì)光路傳來(lái)的兩路信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、采集,,并以互相關(guān)為主要算法處理采集信號(hào)得到振動(dòng)位置,。在一段160 m的光路上進(jìn)行試驗(yàn),系統(tǒng)能在振動(dòng)發(fā)生后500 ms內(nèi)給出振動(dòng)位置,。設(shè)置采樣率為10 MHz,,經(jīng)過(guò)多次定位測(cè)試得出系統(tǒng)實(shí)際的定位誤差為±10 m。且定位不需要上位機(jī),,提高了裝置便攜性,,降低了成本。
中圖分類號(hào): TN247
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181072
中文引用格式: 羅義軍,,方理. 基于FPGA的光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,44(10):60-63.
英文引用格式: Luo Yijun,,F(xiàn)ang Li. Design and implementation of fiber-optic vibration positioning system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique,,2018,44(10):60-63.
Design and implementation of fiber-optic vibration positioning system based on FPGA
Luo Yijun,,F(xiàn)ang Li
Electronic Information School,,Wuhan University,Wuhan 430072,,China
Abstract: Aiming at the problem that the perimeter of defense zone can’t be located in real time when it is invaded, this paper designed and realized a real-time distributed optical fiber vibration positioning system. The optical path was built on the basis of Mach-Zehnder fiber interference technique,,F(xiàn)PGA combined with high speed ADC was used as hardware platform to transform and collect the two signals from the optical path,then the cross correlation was taken as the main algorithm to process the acquired signal to get the vibration position. Tested on a 160-meter fiber, the system can give the vibration position within 500 ms after the vibration occurred. Seting the sampling rate to 10 MHz and after multiple positioning test, the actual positioning error of the system is ±10 m. And the positioning does not need the upper computer, which improves the device portability and reduces the cost.
Key words : FPGA;optical fiber vibration,;cross-correlation,;positioning

0 引言

    光纖傳感器可探測(cè)光纖鋪設(shè)沿線任意點(diǎn)的振動(dòng)信息,其中干涉型傳感器光纖中光功率損耗小,,適用于復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測(cè),、周界安防等[1]?;陔p馬赫-曾德?tīng)柛缮娼Y(jié)構(gòu)的分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)具有檢測(cè)距離長(zhǎng),、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[2],。很多研究者對(duì)此技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)并已取得一定成果,但仍存在檢測(cè)慢,、誤差較大等問(wèn)題[3]。多數(shù)研究者在采集數(shù)據(jù)后算法部分由上位機(jī)完成,,這樣將大大增加一個(gè)計(jì)算過(guò)程的時(shí)長(zhǎng),。而FPGA運(yùn)行速度高,有很高的靈活性,,在處理數(shù)據(jù)吞吐量大,、速度高等問(wèn)題上具有明顯優(yōu)勢(shì)[4]?;谶@些優(yōu)點(diǎn),,本文以FPGA為平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種基于馬赫-曾德?tīng)柛缮婕夹g(shù)的光纖振動(dòng)定位安防系統(tǒng),。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 定位原理

    系統(tǒng)中光路模型如圖1所示,。

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    圖中L1、L2分別為振動(dòng)臂和參考臂,,L3為導(dǎo)引光纖,,C1、C4,、C5為光耦合器,,C2、C3為光環(huán)形器,。光路模型以雙馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉技術(shù)為基礎(chǔ),,假設(shè)振動(dòng)臂上距離C4 R處發(fā)生一入侵行為,振動(dòng)位置為[5]

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式中c為光速,,n為光纖的折射率,,L1、L3為固定值,,因此只需測(cè)兩路信號(hào)到達(dá)兩探測(cè)器的時(shí)間差tΔ即可求得入侵位置R,。

    系統(tǒng)精度可由相鄰兩采樣點(diǎn)之間的時(shí)長(zhǎng)即采樣周期時(shí)長(zhǎng)求得,即:

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1.2 振動(dòng)信號(hào)分析

    實(shí)際應(yīng)用中外部因素會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量,,需首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析以得到振動(dòng)信號(hào)的特征以保證算法可行性,。本文使用FPGA結(jié)合高速ADC對(duì)振動(dòng)信號(hào)和底噪進(jìn)行采集,使用MATLAB對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,。經(jīng)多次采集分析得振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍主要分布在200 Hz到10 kHz,,且振動(dòng)信號(hào)的幅度遠(yuǎn)大于噪聲幅度。據(jù)此可設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的濾波器濾除噪聲而只保留振動(dòng)信號(hào),。圖2和圖3分別表示某次入侵振動(dòng)信號(hào)波形和頻譜,。

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1.3 定位算法設(shè)計(jì)

    經(jīng)濾波處理的兩路波形形狀仍相似度很高且信號(hào)時(shí)間延遲不變,,故可采用互相關(guān)算法處理該信號(hào)求得兩路信號(hào)時(shí)間差?;ハ嚓P(guān)公式如式(7)所示:

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2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及程序框圖

2.1 系統(tǒng)框圖

    基于以上分析,,可設(shè)計(jì)出如圖4所示系統(tǒng)。

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    光路中振動(dòng)發(fā)生后的干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后經(jīng)調(diào)理電路,,由FPGA高速采集板采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行算法處理,,可由上位機(jī)顯示檢測(cè)結(jié)果。

2.2 主要算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

    FPGA程序框圖如圖5所示,。

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    為定位振動(dòng)位置,,首先要判斷哪段信號(hào)為振動(dòng)信號(hào)。光纖在靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致所采集數(shù)據(jù)的離散程度增大,,因此可使用方差算法得到振動(dòng)的起始點(diǎn),。設(shè)計(jì)中持續(xù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差計(jì)算,并設(shè)置方差閾值,,若連續(xù)多次計(jì)算結(jié)果均大于該閾值,,則判斷振動(dòng)發(fā)生,之后所采集到的一段數(shù)據(jù)即為振動(dòng)數(shù)據(jù),,每次振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為500 ms以上,,若按10 MS/s采樣率計(jì)算,每次可采集最少5 000 000個(gè)數(shù)據(jù),,這些數(shù)據(jù)可滿足互相關(guān)模塊進(jìn)行多次運(yùn)算,。因此在FPGA中設(shè)計(jì)方差程序?qū)φ駝?dòng)進(jìn)行判斷。圖6為設(shè)計(jì)的FPGA程序中方差的結(jié)構(gòu)圖,,圖7為Quartus II中設(shè)計(jì)的方差模塊頂層圖,。

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    判斷振動(dòng)發(fā)生后將此后經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)送到互相關(guān)運(yùn)算模塊。本文設(shè)計(jì)了一種并行計(jì)算的互相關(guān)結(jié)構(gòu),,不需存儲(chǔ)且可實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算,。由于主要振動(dòng)信號(hào)低頻約為200 Hz,需至少對(duì)信號(hào)進(jìn)行一個(gè)周期即50 ms的采集,,若采用10 MS/s采樣率,,該結(jié)構(gòu)即可在50 ms內(nèi)對(duì)500 000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理完成一次互相關(guān)計(jì)算,則一次振動(dòng)可進(jìn)行約10次互相關(guān)計(jì)算,。圖8為設(shè)計(jì)的FPGA程序中互相關(guān)的結(jié)構(gòu)圖,,圖9為Quartus II中互相關(guān)模塊頂層圖。

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    一次計(jì)算結(jié)果不足以證明該位置發(fā)生了振動(dòng),,刮風(fēng)下雨等情況可能導(dǎo)致整個(gè)振動(dòng)臂發(fā)生振動(dòng),,為排除這種情況影響,對(duì)連續(xù)10次互相關(guān)結(jié)果進(jìn)行記錄,,共耗時(shí)約500 ms,。若10次中有超過(guò)5次結(jié)果一樣則判定該位置發(fā)生了入侵行為,。這種簡(jiǎn)單的處理有效地避免了很多非入侵情況造成的誤觸發(fā)。圖10為Quartus II中互相關(guān)結(jié)果處理模塊頂層圖,。

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    互相關(guān)計(jì)算結(jié)果為兩路數(shù)據(jù)延遲的點(diǎn)數(shù),,因此需根據(jù)采樣率、光纖折射率,、光速等值將延遲點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的振動(dòng)位置,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    根據(jù)以上分析和設(shè)計(jì),制作了一套實(shí)驗(yàn)裝置,。裝置系統(tǒng)中光路部分使用市面上普通8芯光纜,鋪設(shè)于小區(qū)圍欄之上,,振動(dòng)臂總長(zhǎng)約160 m,。光電轉(zhuǎn)換部分使用PIN激光管。這種激光管相較于大多系統(tǒng)使用的PINFET光電探測(cè)器具有更高的抗噪性,,且成本更低,。耦合器和光環(huán)形器收納于尾纖盒中以免受外界干擾和破壞。

    系統(tǒng)電路部分置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi),。模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用ADI公司高速ADC AD9643,,雙路采樣時(shí)每路采樣率最高125 MS/s,測(cè)試中設(shè)置ADC采樣率為100 MS/s,,對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行下抽,,使數(shù)據(jù)速率即實(shí)際采樣率為f=10 MS/s,則系統(tǒng)定位精度為:

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    FPGA使用Altera公司CycloneIV系列產(chǎn)品EP4CE115F23I,,這款FPGA芯片價(jià)格低廉,,引腳多,邏輯資源豐富,,可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,。開(kāi)發(fā)軟件使用Altera公司的Quartus II 。通過(guò)JTAG將程序下載進(jìn)FPGA,,用signalTapII對(duì)各模塊關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行抓取驗(yàn)證,。圖11為方差模塊信號(hào)波形,圖12為采集到的振動(dòng)波形及互相關(guān)信號(hào)波形圖,,可看出兩路波形相似,,有很高的相關(guān)性。

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    經(jīng)觀察抓取的信號(hào)進(jìn)行調(diào)整,,使FPGA工作時(shí)序與設(shè)計(jì)相符,。之后進(jìn)行整體功能測(cè)試。整體測(cè)試中以小區(qū)大門為0起點(diǎn),,對(duì)鋪設(shè)的光纖每隔10 m一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)試,,測(cè)試時(shí)采用手握或敲擊光纖等方式來(lái)模擬入侵動(dòng)作,。圖13為使用MATLAB繪制70 m處某次互相關(guān)計(jì)算的結(jié)果。

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    為方便觀察,,將定位結(jié)果上傳到上位機(jī),,每次測(cè)試可直觀地觀察定位結(jié)果。圖14為某次100 m處振動(dòng)測(cè)試的結(jié)果的上位機(jī)顯示,。

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    由于使用的光纜外層較硬,,測(cè)試時(shí)測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)附近一段光纖振動(dòng),會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)定位偏差,,因此需對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行大量測(cè)試觀察實(shí)際的定位偏差,。表1為其中3個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試得到的定位結(jié)果,每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了100次測(cè)試,。

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    由上測(cè)試結(jié)果可看出該系統(tǒng)具有較穩(wěn)定的報(bào)警,,誤報(bào)漏報(bào)率小,系統(tǒng)定位誤差穩(wěn)定在入侵位置左右10 m之間,,滿足長(zhǎng)距離安防需求,。

4 結(jié)論

    本文以FPGA為平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種可實(shí)時(shí)定位的分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng),,算法處理在硬件中完成,,防區(qū)上發(fā)生振動(dòng)時(shí)系統(tǒng)能在500 ms左右做出響應(yīng)并給出定位,而入侵動(dòng)作為秒級(jí),,因此幾乎在振動(dòng)的瞬間即可做出反應(yīng),。根據(jù)實(shí)際需求,上位機(jī)可有可無(wú),,因此節(jié)省了成本,,提高了裝置便攜性。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,,設(shè)置采樣率為10 MHz,,系統(tǒng)精度為±10 m,可根據(jù)需要調(diào)節(jié)采樣率,。但實(shí)際環(huán)境常常較為復(fù)雜,,可能導(dǎo)致不確定性觸發(fā),故后期可增加其他算法排除此類情況,。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

羅義軍,,方  理

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,,湖北 武漢430072)

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