一种基于FPGA的多点振动相位解缠绕系统

本发明涉及分布式光纤振动传感，具体涉及一种基于fpga的多点振动相位解缠绕系统。

背景技术：

1、随着城市公路及高速道路网路的不断完善，陆路交通在整个交通运输系统中的占比日益增加。交通网络完善的优势显而易见，但随着道路情况复杂度升高，车流量井喷式增长，道路运行状态已经成为交通网络中最重要的一环。所以能否迅速定位事故发生位置及判断事故类型愈发重要。光纤传感技术凭借其分布式传感特性、可实现长距离传输，成本低，部署效率高等优势在道路安全上领域中崭露头角。利用分布式光纤传感技术将由车辆碰撞等行为引起的振动传输到上位机，计算出事故碰撞地点，还原出振动波形。由于瑞利散射的相位相比于光强、偏振而言，对外界振动更加敏感，相位解调是光纤传感技术中的关键一环。以往都是arm侧串行处理相位信息，但由于相位数据量之多，对多个振动点进行解缠绕进行串行计算无法满足实时性的要求。相比之下fpga的并行处理更贴切要求。本发明针对多个振动点进行相位解调过程，包括对解调后发生的相位缠绕进行处理，对振动相位快速进行两次解缠绕，将振动信号的真实相位解调还原出来，因此，发明一种基于fpga的多点振动相位解调系统，能同对监测到的多个振动点进行相位解调，减轻arm侧解调相位的压力，提高解调效率，实现多个振动信号还原。从而能够快速的监测光纤沿线的碰撞事件，定位事故发生地，大大缩短了监测时间，提高了系统的实时性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提出一种基于fpga的多点振动相位解缠绕系统，将监测到的光纤沿线上的振动点在fpga上进行相位解调，对接收到的瑞利信号经过ad采集和iq解调，得出含有振动曲线和相位曲线的两路正交信号i、q，i、q经过差分累加算法定位到振动点，对多个振动点附近位置选取合适数量的相位值，并进行空间和时间解缠绕，将每个振动点位置解调后的真实相位存储在对应的fito中，实现提高相位解调速度，达到快速还原多个振动相位信息的目的。

2、为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于fpga的多点振动相位解缠绕系统，该系统包括分布式光纤传感光路、ad采集模块、fpga板卡和上位机；fpga板卡包括iq解调模块、振动定位模块和相位解缠绕模块；

3、所述分布式光纤传感光路将光纤里的光信号转换为电信号以供ad采集模块进行采集；fpga驱动ad采集模块完成电信号采集并将电信号进行数字正交调节以数字电信号s(n)输出；

4、所述iq解调模块将采集到的数字电信号进行混频得到混有多种频率成分的信号集合，再进行低通滤波处理得到含有振动信息的一对正交iq信号；通过iq信号得到相位曲线和振幅曲线es(n)；

5、所述振动定位模块将得到的振幅曲线经过差分累加算法得到振动位点位置；

6、所述相位解缠绕模块将得到的相位曲线结合振动位点位置并行进行时间和空间上的解缠绕得到真实的振动相位；

7、所述上位机用于显示振幅曲线和真实的振动相位。

8、优选的，所述分布式光纤传感光路包括aom声光调制器、edfa掺铒放大器、环形器、耦合器、bpd光电转换模块；

9、激光器发射连续激光，激光经过光隔离器分成两部分，一部分为信号光，另一部分为参考光；将信号光经过aom声光调制器调制整带有δf频移得脉冲光，然后进入edfa掺铒放大器进行光信号放大再通过环形器一个端口进入光纤，光纤返回带有光纤沿线振动信息的背向瑞利散射光，散射光与参考光在耦合器中发生干涉后经过bpd光电转换模块转换为电信号由ad采集模块采集。

10、优选的，所述ad采集模块采用ad9643，采样率达250msps。

11、优选的，所述iq解调模块包括混频器、cordic反正切、低通滤波器；混频器将采集到的数字电信号分别与同频的一对正交信号sin(ωs n)、cos(ωs n)相乘；再通过低通滤波器得到一对正交的iq信号；公式如下：

12、采集到的数字电信号：

13、

14、其中，为相位曲线；as：背向瑞利信号的振动幅值；ωs：探测光的圆频率；

15、经过运算得到的正交i、q信号为：

16、

17、

18、iq信号通过cordic的反正切函数得到的相位：

19、

20、通过cordic开平方得到es(n)的振幅：

21、

22、优选的，所述振动定位模块将得到的振幅曲线数据经过差分累加算法得到振动位点位置，具体如下：采用两个单端口ram，一个ram用来存依次进来的振幅曲线，另一个ram用来存储差分累加结果；第一条振幅曲线到来时存入第一个单端口ram，在第二条振幅曲线写进去前先将ram里的第一条振幅曲线的数据读出与第二条振幅曲线做差分累加，差分值写入第二个单口ram；在第三条振幅曲线写进第一个ram时，将第二条振幅曲线的数据读出与第三条振幅曲线做差分累加，同时差分值与第一次存入的差分值相加，得到的和存入第二个ram，依次进行下去，在计满设定条数的振幅曲线，第二个中ram存储的就是设定条数的振幅曲线差分累加后的结果；通过阈值判断得出各个振动点位置。

23、优选的，所述相位解缠绕模块将得到的相位曲线数据结合振动位点位置并行进行时间和空间上的解缠绕得到真实的振动相位，具体如下：当振动发生时，相位解缠绕模块根据得到的振动点位置，选取相位曲线振动点位置附近相位数据；

24、取每条相位曲线振动点位置前后各100个点，将第一个点的相位记作初始相位ai(n)；同一条曲线上的点依次减取初始相位得到消除初始相位后的各点相位值，即bi(n)＝ai(n)-ai(0)，其中n∈[0，200]；ai(n)为第i条曲线第n点消除初始相位前的相位值；bi(n)为消除初始相位后第i条相位曲线第n点对应的相位；再将该条曲线相邻两点相位差值的绝对值|bi(n+1)-bi(n)|与π比较；若小于π，该条曲线解缠绕次数加上1；若差值绝对值大于π，该条曲线解缠绕次数减去1；消除初始相位后，对所有曲线同一位置的点进行时间上相位解缠绕操作，将相邻曲线同一位置点的相位差值的绝对值|bi+1(n)-bi(n)|与π比较；若差值小于π，当前曲线最后一点相位空间解缠绕的值加上2π；若差值大于π，当前曲线最后一点相位空间解缠绕的值减去2π；最终得到的结果是当前第i条曲线最后一点真实的相位值。

25、优选的，所述相位解缠绕模块包括四个寄存器reg_k，reg_phase_0，reg_phase，reg_phase_last和一个同步fifo，fifo深度设置为100；

26、reg_k寄存器来记录每条曲线需要解缠绕的次数，reg_phase_0寄存器用来存储每条曲线的初始值，即初相；reg_phase用来暂存曲线上每个点减取初相后的值；reg_phase_last寄存器用来存储最后一个点解缠绕后的值；fifo用来存储经过两次解缠绕最后的相位值。

27、优选的，所述相位解缠绕模块将得到的相位曲线结合振动位点位置并行进行时间和空间上的解缠绕得到真实的振动相位，具体如下：

28、第一步，取每条相位曲线振动点位置前后各100个点，分别记作ai(0)，ai(1)，ai(2)...ai(200)，先对每条相位曲线进行消除初相；

29、第二步，第一条相位曲线到来时，将第一条相位曲线a1的第一个点对应的值用寄存器reg_phase_0存储起来，记作初相a1(0)，并将第一个点消除初相后的值存入reg_phase，即b1(0)＝a1(0)-a1(0)，将b1(0)暂存入寄存器reg_phase；

30、第三步，第二个点到来时与寄存器reg_phase_0里的初相值相减，即b1(1)＝a1(1)-a1(0)，将消除初相的结果b1(1)与b1(0)相减取绝对值与π比较，如果差值小于π，寄存器reg_k的存储的值就加上1；如果差值大于π，寄存器reg_k的存储的值减去1，同时将第二点消除初相的结果b1(1)存入寄存器reg_phase；

31、第四步，同理，之后的点运算重复第三步，即消除初相位后的相位值bi(n)＝ai(n)-ai(0)，其中n∈[0，200]；ai(n)为第i条曲线第n点消除初始相位前的相位值；进行到第200个点时，将第200个点运算对应的值b1(200)加上寄存器reg_k的存储的值与2π乘积，即b1(200)+reg_k*2π，用寄存器reg_phase_last将解缠绕后的结果记录下来，并将解缠绕后的结果存入fifo中，即完成了第一条曲线振动点附近在空间上的解缠绕，同时对寄存器reg_k,reg_phase_0进行清零，进行剩余曲线的空间解缠绕操作；

32、第五步，对曲线同一位置的点进行时间上相位解缠绕操作，将当前曲线的最后一点空间上解缠绕值bi(200)+reg_k*2π与上一条曲线最后一点空间上解缠绕值bi-1(200)+reg_k*2π相减，取结果的绝对值与π比较；如果差值小于π，当前曲线最后一点相位空间解缠绕后的值要加上2π，即bi(200)+reg_k*2π+2π；如果差值大于π，当前曲线最后一点相位空间解缠绕后的值要减去2π，即bi(200)+reg_k*2π-2π，最终得到的结果为当前第第i条曲线最后一点真实的相位值；并重新存入寄存器reg_phase_last，更新寄存器reg_phase_last的值，同时将结果写入fifo中；同理，后面到来的相位曲线依次进行下去，即成了曲线上同一位置振动点在时间上的解缠绕；依次写入fifo的值就是经过两次解缠绕的值，即真实的振动信号相位值。

33、优选的，所述上位机用于显示振幅曲线真实的振动相位；每个振动位点的位置解调后的真实的振动位点存储在对应的fifo中，将所有fifo存储的相位信息按照振动源距离封装成数据流通过axi协议发送到zynq里的arm侧，存储到ddr中，再通过tcp协议打包发送到上位机中进行解包显示。

34、本发明具有以下有益效果：本发明提出监测得到光纤沿线上的振动点在fpga上进行相位解调，对接收到的瑞利信号经过ad采集和iq解调，ad采集模块采用高速差分接口，利用极低的电压摆幅高速差动传数据，具有低功耗、低串扰和低辐射特性。将解调算法在fpga数字域实现，一方面大大降低了电路噪声，提高了信噪比，另一方面显著提高了系统的解调速度，减轻了处理器的运算压力，实现了系统的实时解调。经iq解调得出含有振动曲线和相位曲线得两路正交信号i、q，i、q经过差分累加算法定位到振动点，对多个振动点的附近位置选取合适数量的相位值，并行进行空间和时间解缠绕，在fpga上通过解缠绕算法得出的相位曲线和通过matlab仿真得到的曲线结果高度吻合。将每个振动点位置解调后的真实相位存储在对应的fifo中，提高了相位解调速度，快速还原了多个振动点相位信息，从而能够快速的监测光纤沿线的碰撞事件，定位事故发生地，大大缩短了监测时间，提高了系统的实时性。