低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统及其应用的制作方法

技术领域：

本发明涉及分布式光纤振动传感技术领域，具体的说是一种环境适应性强、计算能力高、入侵振动信号识别准的低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统及其应用。

背景技术：
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近几年来，安防问题已成为全球关注的问题，分布式光纤振动入侵监测系统作为新型的周界入侵监测系统，能够感知外界振动信息，抗电磁干扰、不受恶劣环境影响，实现管道、站场、重要建筑物的入侵监测。无论在测量距离、使用寿命、安全性、可靠性、隐蔽性，还是在探测精度、报警效率上都具有明显优势。目前基于分布式光纤振动传感技术的监测应用已经应用到很多领域，例如长距离的天然气、石油管道监控、光缆监控等安全监测；还有敏感设施如机场、核电站、工厂以及军事基地等的安全监测。

然而现有的此类dvs系统应用时，尤其在长距离监控领域，经常会遇到各种问题，例如：由于采集计算数据量大，难以实现报警的实时性；监测环境复杂多变，对管道的入侵行为难以计算判断；传统基于pc机的dvs系统需要安装在机房的机箱柜中，环境适应性差，且安装场所受限，导致设备无法运行于环境恶劣的工业应用环境下，例如高温、低温、无市电供电等。

技术实现要素：
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本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种实时性强、环境适应性好、预测识别准确的低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统及其应用。

本发明通过以下措施达到：

一种低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统，其特征在于，设有：

用于实现系统初始化、入侵振动类型模型训练和预测以及报警输出的上位平台；

用于实现数据采集过程控制、采集数据的预处理的fpga处理单元；

用于实现数据特征值提取以及入侵振动类型预测和报警输出的dsp单元；

用于获取激光振动信号并完成光电转换的探测转换单元；

其中所述上位平台经以太网与dsp单元相连，dsp单元与fpga处理单元之间经srio协议完成数据通信，探测转换单元的输出端与fpga处理单元相连；

所述探测转换单元中设有依次相连的光路探测模块、光电转换模块以及模数转换模块，其中模数转换模块的输出端与fpga处理单元相连；所述fpga处理单元设有探测采集控制模块、srio通讯模块、数据预处理模块、乒乓控制模块以及与乒乓控制模块相连的两个片外存储器，其中探测采集控制模块的控制信号输出端与探测转换单元的光路探测模块相连，srio通讯模块分别与探测采集控制模块、数据预处理模块以及dsp单元相连，乒乓控制模块的输入端接收探测转换单元中模数转换模块输出的数据，并将数据存入两个片外存储器内，数据预处理模块经乒乓控制模块提取两个片外存储器内的数据进行预处理后，将数据通过srio模块存入dsp单元；

所述数据预处理模块中依次设有fir滤波处理模块、数据平方求和模块、能量值与阈值比较模块、位置点标注处理模块；

所述dsp单元中设有srio通讯模块、特征值提取模块、入侵振动类型预测模块、报警输出模块以及以太网通信模块，其中特征值提取模块分别与以太网通信模块、入侵振动类型预测模块相连，入侵振动类型预测模块的输出端与报警输出模块相连，所述特征值提取模块中设有依次相连的数据位置点及原始数据提取模块、预加重和分帧加窗模块、快速傅里叶变换处理模块、梅尔滤波器、倒谱分析模块以及梅尔频率倒谱系数输出模块；所述入侵振动类型预测模块中设有卷积神经网络模型。

本发明还提出了一种如上所述低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统的应用，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始化，探测转换模块通过光路探测模块采集光纤振动信号并将其转换为电信号后，上传至fpga处理单元；

步骤2：fpga处理单元利用乒乓控制模块对探测转换模块上传的数据进行存储、预处理，并将预处理后数据上传至dsp单元，所述预处理包括：

步骤2-1：对数据进行fir滤波处理；

步骤2-2：对fir滤波处理后数据进行平方求和；

步骤2-3：将平方求和获得的数据能量值于阈值进行比对，若小于阈值，不进行处理；若大于阈值，则在数据前标注位置点，所述位置点为用于记录空间距离信息的数据，并将数据暂存等待发送至dsp单元；

步骤3：dsp单元对预处理数据进行信号特征提取、入侵振动类型预测、报警输出。

本发明所述步骤1中初始化包括：上位平台、fpga处理单元及dsp单元加载各自的程序，并完成srio通讯、以太网通讯初始化，各自之间建立通讯，然后上位平台首先通过以太网对系统进行参数配置，包括激光脉冲频率、脉冲宽度，采样频率，采集长度，阈值设置，存储在dsp单元内，同时下发给fpga处理单元；由fpga处理单元控制探测采集模块采集数据，将光信号经光电转换模块及模数转换模块转变为数字信号，由于转换所得数据量较大，fpga处理单元内部存储空间不足，所以将数据存储在片外存储器内部。

本发明所述步骤2中fpga处理单元将数据存储在片外存储器内时，由于数据量大且要求实时处理，所以两个存储器采用乒乓设计，由乒乓控制模块控制，乒乓控制模块包含数据控制模块1和数据控制模块2，两者交替工作并做互锁处理，数据控制模块1控制向存储器1中写数据，从存储器2中读数据；数据控制模块2控制向存储器2中写数据，从存储器1中读数据，每次存储并读取固定时间长度的数据；存储采集到的数据时，乒乓控制模块控制数据存储到存储器中，单次激光脉冲的数据按照空间距离的顺序存储，各次激光脉冲按照时间顺序存储，形成为一个包含时间信息及空间信息的矩阵；

本发明所述步骤2中fpga处理单元处理采集到的数据时，由乒乓控制模块按照空间距离顺序，读取存储器中的同一位置点的固定时间长度的数据，传入数据预处理模块；原始数据的采集、存储及读取首先按照数据选择位参数是否为0来判断数据控制模块的工作状态，比如数据选择位为0，则数据控制模块1工作，fpga发出存储器1写使能信号和存储器2读使能信号，接下来设置几个参数，一个单次采样点数，一个位置点，一个m，其都是为了保证读取存储器2数据时能读取同一位置点在时间维度上的数据，以便作接下来的数据处理；单条采样点数为激光脉冲所对应的离散采样点数，位置点为原始数据对应激光脉冲在空间上的距离位置的点数，m为一个计数，记录存储读取的数据是否超过存储器上限，采集到的数据按照时间顺序存入存储器1，所以地址依次+1，读取数据要读取同一位置点一段时间内的数据，这就要求存储器地址依次增加单次采样点数，并且在位置点超过存储器存储空间上限前，将地址重置为下一位置点，并继续读下一位置点的数据。

本发明所述步骤3中dsp单元控制的存储器中的数据通过以太网模块传输到上位平台，通过特征值提取、入侵振动类型模型训练及预测模块训练得到入侵振动类型模型，其中特征值提取方法为梅尔频谱变换，提取出梅尔频率倒谱系数作为特征值，入侵振动类型模型训练使用卷积神经网络模型训练，得到入侵振动类型预测模型；梅尔频谱变换计算过程具体为：

首先提取出原始数据开头的位置点，接下来对原始数据进行预加重、分帧和加窗，将一个时间段的信号分成若干短时分析窗，并分别进行快速傅里叶变换，通过梅尔滤波器将得到的频谱转换为梅尔频谱，计算公式为：mel(f)＝2595*log10(1+f700)，在梅尔频谱上面使用dct离散余弦变换进行倒谱分析，获得梅尔频率倒谱系数mfcc作为特征值进行下一步模型训练及模型预测。

本发明还包括步骤4：通过以太网模块将入侵振动类型预测模型下发到dsp内存储；此后的工作状态可分为两种，一种为脱离时上位平台的运行模式，数据采集、数据预处理、特征值提取、入侵振动类型预测、报警输出等功能由低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统单独完成；一种为借助上位平台的运行模式，数据采集数据预处理等功能由低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统完成，特征值提取、入侵振动类型预测、报警输出由上位平台完成。

本发明相对于现有技术，具有以下优点：(1)采用嵌入式结构实现分布式光纤振动传感系统；(2)采用乒乓控制模式对片外存储芯片进行控制，实现数据实时存储及处理，存储时按照时间顺序存储，读取时按照距离顺序读取；(3)fpga处理单元内部使用流水线的方式对原始信号逐个距离点位进行预处理，通过fir滤波及阈值判断的方式判断该点是否由扰动，将扰动点暂存在fifo中，对无扰动的点。(4)使用srio协议完成fpga及dsp之间的高速链式dma数据传输；(5)使用梅尔频谱提取扰动点特征值，使用卷积神经网络对特征值进行模型训练及预测；(6)低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统在完成参数设置及模型下载后，可以独立完成数据采集处理及报警功能，报警信息可通过以太网及485通讯传递至其他平台；也可由上位平台实现数据处理及报警功能。

附图说明：

附图1是本发明的结构框图。

附图2是本发明fpga处理单元对数据进行存储的流程图。

附图3是本发明fpga处理单元对数据进行预处理的流程图。

附图4是本发明dsp单元中特征值提取处理流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的说明。

如附图1所示，本发明提出了一种低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统，设有：用于实现系统初始化、入侵振动类型模型训练和预测以及报警输出的上位平台平台；

用于实现数据采集过程控制、采集数据的预处理的fpga处理单元；

用于实现数据特征值提取以及入侵振动类型预测和报警输出的dsp单元；

用于获取激光振动信号并完成光电转换的探测转换单元；

其中所述上位平台平台经以太网与dsp单元相连，dsp单元与fpga处理单元之间经srio协议完成数据通信，探测转换单元的输出端与fpga处理单元相连；

所述探测转换单元中设有依次相连的光路探测模块、光电转换模块以及模数转换模块，其中模数转换模块的输出端与fpga处理单元相连；所述fpga处理单元设有探测采集控制模块、srio通讯模块、数据预处理模块、乒乓控制模块以及与乒乓控制模块相连的两个片外存储器，其中探测采集控制模块的控制信号输出端与探测转换单元的光路探测模块相连，srio通讯模块分别与探测采集控制模块、数据预处理模块以及dsp单元相连，乒乓控制模块的输入端接收探测转换单元中模数转换模块输出的数据，并将数据存入两个片外存储器内，数据预处理模块经乒乓控制模块提取两个片外存储器内的数据进行预处理后，将数据通过srio模块存入dsp单元；

所述数据预处理模块中依次设有fir滤波处理模块、数据平方求和模块、能量值与阈值比较模块、位置点标注处理模块；

所述dsp单元中设有srio通讯模块、特征值提取模块、入侵振动类型预测模块、报警输出模块以及以太网通信模块，其中特征值提取模块分别与以太网通信模块、入侵振动类型预测模块相连，入侵振动类型预测模块的输出端与报警输出模块相连，所述特征值提取模块中设有依次相连的数据位置点及原始数据提取模块、预加重和分帧加窗模块、快速傅里叶变换处理模块、梅尔滤波器、倒谱分析模块以及梅尔频率倒谱系数输出模块；所述入侵振动类型预测模块中设有卷积神经网络模型。

本发明还提出了一种如上所述低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统的应用，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始化，探测转换模块通过光路探测模块采集光纤振动信号并将其转换为电信号后，上传至fpga处理单元；

步骤2：fpga处理单元利用乒乓控制模块对探测转换模块上传的数据进行存储、预处理，并将预处理后数据上传至dsp单元，所述预处理包括：

步骤2-1：对数据进行fir滤波处理；

步骤2-2：对fir滤波处理后数据进行平方求和；

步骤2-3：将平方求和获得的数据能量值于阈值进行比对，若小于阈值，不进行处理；若大于阈值，则在数据前增加位置点，所述位置点为用于记录空间距离信息的数据，并将数据暂存等待发送至dsp单元；

步骤3：dsp单元对预处理数据进行信号特征提取、入侵振动类型预测、报警输出。

实施例1：

本例提出了一种低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统的应用，具体包括以下内容：

步骤1：系统首次上电时，fpga处理单元及dsp单元加载各自的程序，并完成srio通讯、以太网通讯初始化，各自之间建立通讯；

步骤2：上位平台首先通过以太网对系统进行参数配置，包括激光脉冲频率、脉冲宽度，采样频率，采集长度，阈值设置等，存储在dsp芯片内，同时下发给fpga处理单元；

步骤3：由fpga处理单元控制探测采集模块采集数据，将光信号经光电转换模块及模数转换模块转变为数字信号，由于转换所得数据量较大，fpga处理单元内部存储空间不足，所以将数据存储在片外存储器内部；

由于数据量大且要求实时处理，所以两个存储器采用乒乓设计，由乒乓控制模块控制；乒乓控制模块包含数据控制模块1和数据控制模块2，两者交替工作并做互锁处理。数据控制模块1控制向存储器1中写数据，从存储器2中读数据；数据控制模块2控制向存储器2中写数据，从存储器1中读数据；每次存储并读取固定时间长度的数据；存储采集到的数据时，乒乓控制模块控制数据存储到存储器中，单次激光脉冲的数据按照空间距离的顺序存储，各次激光脉冲按照时间顺序存储，形成为一个包含时间信息及空间信息的矩阵；

步骤4：处理采集到的数据时，由乒乓控制模块按照空间距离顺序，读取存储器中的同一位置点的固定时间长度的数据，传入数据预处理模块；原始数据的采集、存储及读取流程图附图2及附图3所示，首先按照数据选择位参数是否为0来判断数据控制模块的工作状态，比如数据选择位为0，则数据控制模块1工作，fpga处理单元发出存储器1写使能信号和存储器2读使能信号，接下来设置及个参数，一个单次采样点数，一个位置点，一个m，其都是为了保证读取存储器2数据时能读取同一位置点在时间维度上的数据，以便作接下来的数据处理。单条采样点数为激光脉冲所对应的离散采样点数，位置点为原始数据对应激光脉冲在空间上的距离位置的点数，m为一个计数，记录存储读取的数据是否超过存储器上限，采集到的数据按照时间顺序存入存储器1，所以地址依次+1；读取数据要读取同一位置点一段时间内的数据，这就要求存储器地址依次增加单次采样点数，并且在位置点超过存储器存储空间上限前，将地址重置为下一位置点，并继续读下一位置点的数据。

如附图3所示，在数据预处理模块中使用流水线的方式对乒乓控制模块读取的各个空间位置点的原始数据进行fir滤波，每一个空间位置点得到一组一维数列，将各个元素取平方并累加，所得数值为该空间位置点的信号能量值，与参数设置中的阈值进行比较。如果大于阈值，则说明这一组数据对应的距离位置点有入侵扰动行为，将这一组数列暂存在fpga内部fifo存储空间中，并在数列开头加上一个16bit数据记录空间距离信息；如果小于阈值，则不进行下一步处理。按照上述步骤对所有的距离点进行计算，由于fpga可进行并行数据处理，所以设计为流水线处理方式；

在处理完一组固定时间长度的数据后，将暂存在fpga内部fifo存储空间的数据通过srio通讯模块，用链式dma传输至dsp并存储在存储器芯片内；

步骤5：dsp单元控制的存储器中的数据通过以太网模块传输到上位机，通过特征值提取、入侵振动类型模型训练及预测模块训练得到入侵振动类型模型，其中特征值提取方法为梅尔频谱变换，提取出梅尔频率倒谱系数作为特征值，入侵振动类型模型训练使用卷积神经网络模型训练，得到入侵振动类型预测模型，梅尔频谱变换计算过程如流程图4所示，首先提取出原始数据开头的位置点，接下来对原始数据进行预加重、分帧和加窗，将一个时间段的信号分成若干短时分析窗，并分别进行快速傅里叶变换，通过梅尔滤波器将得到的频谱转换为梅尔频谱，计算公式为：

mel(f)＝2595*log10(1+f700)，在梅尔频谱上面使用dct离散余弦变换进行倒谱分析，获得梅尔频率倒谱系数mfcc作为特征值进行下一步模型训练及模型预测；

步骤6：通过以太网模块将入侵振动类型预测模型下发到dsp内存储；步骤7：此后的工作状态可分为两种，一种为脱离时上位平台的运行模式，数据采集、数据预处理、特征值提取、入侵振动类型预测、报警输出等功能由低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统单独完成；一种为借助上位平台的运行模式，数据采集数据预处理等功能由低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统完成，特征值提取、入侵振动类型预测、报警输出由上位平台完成。

本发明相对于现有技术，具有以下优点：(1)采用嵌入式结构实现分布式光纤振动传感系统；(2)采用乒乓控制模式对片外存储芯片进行控制，实现数据实时存储及处理，存储时按照时间顺序存储，读取时按照距离顺序读取；(3)fpga处理单元内部使用流水线的方式对原始信号逐个距离点位进行预处理，通过fir滤波及阈值判断的方式判断该点是否由扰动，将扰动点暂存在fifo中，对无扰动的点。(4)使用srio协议完成fpga及dsp之间的高速链式dma数据传输；(5)使用梅尔频谱提取扰动点特征值，使用卷积神经网络对特征值进行模型训练及预测；(6)低功耗嵌入式高速分布式光纤振动传感系统在完成参数设置及模型下载后，可以独立完成数据采集处理及报警功能，报警信息可通过以太网及485通讯传递至其他平台；也可由上位平台实现数据处理及报警功能。