拉曼测温系统的数据采集与处理

王家宁，衣文索，牛卫丛，张叶浩

（长春理工大学 光电工程学院，吉林 130022）

光纤传感[1］技术是以光纤作为传输介质，利用光作为信息载体，集探测和传输于一体的技术。由于光在光纤中传播受外界各种因素的影响，例如温度、压力会导致光强、频率、相位等光波参量的变化，利用这些特性可以准确测量光纤各部分各种参数的变化从而起到监测作用。在以上可以监测的参数中，温度是与人们最密切相关的，是从事各项生产活动所要参照和监测的重要指标，传统的测温[2］方法已经比较成熟，热敏电阻和半导体测温等各种温度传感器已经应用到各个领域，但是在一些特殊环境，例如在高腐蚀、高辐射、高压、易燃易爆等情况下，传统测温传感器[3］无法胜任测温需求。所以在光纤传感技术飞速发展的时期，利用光纤传感技术进行测温逐渐进入科研人员的视野。与传统的测温传感器相比，光纤测温传感器有很多无法比拟的优点，主要包括：

（1）抗电磁干扰，电绝缘性好，耐腐蚀；（2）体积小，重量轻，几何可塑性好；（3）传输损耗小，可远距离监测；（4）成本低，稳定性好；（5）灵敏度强、精度高。

光纤传感测温器主要分为点式光纤测温传感器和分布式光纤测温传感器，点式传感器中的光纤只用作信息的传输，尾端利用传统的传感器进行探测，如果探测范围大，则点式传感器局限性很大，并且浪费资源。分布式光纤测温传感器的光纤集探测和传输于一体，整根光纤作为传感单元，传感点随光纤连续分布，测量范围广且成本较低。分布式光纤测温传感器目前成为了测温方法中的主流。在阅读了大量关于分布式测温系统的国内外文献，对该系统国内外的研究现状进行了解，总结了分布式拉曼测温系统现今存在的不足和缺点，对这些缺点进行针对性分析发现该系统主要在后端信息处理[4］采集部分需要改善。

1 拉曼测温系统

基于拉曼散射光的分布式光纤测温系统整体工作流程如图1所示。

图1 拉曼测温系统

光源采用脉冲激光器，通过FPGA外部触发来发射脉冲光，经波分复用器中的双向耦合器耦合进入置于待测温度场中的传感光纤后，光脉冲与光纤中的粒子相互作用后产生拉曼散射光，其中的背向拉曼散射光返回到波分复用器中，滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，分别进入到光电探测器将光信号转化为电信号，此时的电信号比较微弱，经放大器放大后进入数据采集卡后进行A/D转换，将模拟信号转化为数字信号在计算机上进行解调处理，得到全光纤上的温度信息。

本文采用友晶科技生产的DE2-115和DCC-HSMC子板作为硬件开发平台进行后续信号处理系统的设计。开发板和AD板卡如图2、图3所示。

图2 友晶DCC-HSMC子板

图3 友晶DE2-115开发平台

AD子板具有150MSPS双采集通道；开发板携带以太网接口，2片64MB SDRAM，FPGA采用Altera公司的EP4CE115F29作为主控芯片，其具有114，480个逻辑单元，432个M9K内存模块，3888Kbit的嵌入式存储器位，4个锁相环以及266个18×18乘法器资源，满足系统硬件要求。

2 数据采集部分

后端信息处理采集[5］部分工作流程图如图4所示。

图4 信息处理采集部分

AD采集到的数据送到计算模块，计算模块把上次周期对应采集到的数据进行累加，存储到存储器，等累加到相应次数，然后读取数据，通过串口通信传送到上位机进行解调。其中AD采集模块如图5所示。

图5 双路高速AD采集

由图中可见，AD采集模块主要由FPGA主板内置PLL、寄存器数据采集A、B和子板的双通道采集卡组成，右侧AD子板通过HSMC高速接口连接到FPGA主板上，通道A、B采集到的两路14位数据存储到寄存器数据采集A、B中。

（1）PLL模块设计

AD模块中需要不同频率的时钟，保持外部输入信号与内部的振荡信号同步，但是通过触发器进行分频产生的时钟噪声较大，所以通过内置PLL锁相环产生不同时钟提供给AD模块。PLL模块具体代码实现如下：

inclk0为50MHZ的输入时钟，c0为AD模块工作时钟，为50MHz。c1、c2为外部AD芯片工作时钟，分别为100MHz。locked信号用于指示PLL是否完成内部初始化，已经可以正常输出了高电平有效。areset是PLL模块的复位信号，高电平进入复位状态。通过Modelsim对配置的PLL模块进行仿真，如图6所示。

图6 PLL模块仿真图

由仿真图可以看出c0一个周期为20ns，则频率为50MHz，c1、c2一个周期分别为10ns，则频率为100MHz。所以空间分辨率X为：

其中，c为光在真空中传播的速率3×108m/s，Δt为时钟周期10ns，n为光纤折射率1.5，带入（1）式中，可得空间分辨率为1m，所以该模块设计符合系统需求。

（2）数据采集设计

数据采集部分主要是衔接子卡采集到的数据，以触发器提取AD芯片输出时钟，在上升沿时刻将14位数据存入寄存器。以子卡通道A为例，代码实现如下所示：

ADA_DCO为A路采集通道的输出时钟，ADA_D为数字信号，per_a2da_d和a2da_data分别为14位的寄存器。采集系统开始运行时，如果检测到ADA_DCO输出时钟上升沿信号，说明模数转换完成，则执行第一个always模块的内的程序，采集到的数字信号ADA_D传送给14位寄存器per_a2da_d，但是由于下个时钟的不确定性，具体到来时间不明确，转换时间也不知道，所以为了让采集到的数据更准确，则增加了一个时钟的缓冲模块。程序运行时，两个always模块同时进行扫描，如果没有检测到第一个模块的ADA_DCO输出时钟的上升沿，模数转换未完成，则第二个模块的per_a2da_d寄存器一直向a2da_data寄存器存入空数据，只有当检测到ADA_DCO上升沿信号时，采集到的数据经过一个sys_clk时钟周期才会最终传送到a2da_data寄存器中，完成一次采集过程。

3 信号处理部分

在上一部分可知，AD卡采集到的数据传输到计算模块，在计算模块进行滤波[6-10］，假设有4帧数据，长度均为4，第一帧a1、a2、a3、a4，第二帧b1、b2、b3、b4，第三帧c1、c2、c3、c4，第四帧d1、d2、d3、d4，想要计算每次周期对应点的采集数据之和就需要利用滑动累加平均，原理图如图7所示。

图7 累加算法原理图

in为数据输入端，第一帧数据输入为a1-a4，a1通过输入端经加法器直接进入输出端，但是不能直接通过P点反馈到加法器，因为下个数据为a2，不是对应周期点的b1，所以就需要缓冲器进行数据缓冲潜伏，对于缓冲周期较长、速度要求较高的场合，可以采用FIFO[11］，对于缓冲周期较短、速度要求不高的场合，可以采用级联的寄存器。缓冲器的缓冲潜伏深度是滑动累加器的关键，假如有4帧数据，潜伏深度为4-1=3，因为加法器输出有一级寄存。信号F为使能相加，当其为高时允许加法器执行加法操作，否则in端数据直接输出。C为捕获信号，当其为高时捕获节点P数据并输出给out，否则保持不变。滑动累加器如图8所示。

图8 滑动累加器时序图

由时序图可见，s11=a1+b1，s21=a2+b2，s31=a3+b3，s41=a4+b4，s12=c1+s11，s22=c2+s21，s32=c3+s31，s42=c4+s41，s1=s12+d1，s2=s22+d2，s3=s32+d3，s4=s42+d4。累加结束后进行平均，假如累加了256次，取其平均则需去掉该寄存器的低8位，相当于进行了256次平均，并且由于本文使用的AD板卡可以采集到14位数据，所以存储数据的寄存器为14+8=22位。滑动累加平均通过对不同时刻同一点的数据进行多次累加取平均可以达到对噪声的滤除，使采集的数据更加平滑稳定。

4 实验仿真

最后采集的数据经过多次累加实验得到如图9-12的仿真波形。

图9 累加平均1次

图10 累加平均100次

图11 累加平均500次

图12 累加平均1000次

图9为累加平均一次的结果，两路波形完全混叠在一起，图10累加平均100次之后的结果，噪声被逐渐抑制，两路波形逐渐被分开，累加平均500次，噪声很大程度上被抑制，并可以清晰的分辨出两路波形，当累加平均1000次时，已经可以分辨出信号强度较弱的反斯托克斯光，信号强度稍强的为斯托克斯光。两路信号噪声抑制情况都较为理想，可以看出累加平均到1000次，采集到的数据已经趋于平滑。

5 结论

本文搭建了分布式测温平台进行对温度的测量，并利用FPGA主板和AD子板设计了测温系统的后端采集处理部分，经过多次累加平均计算，可以清晰的分辨出采集到的反斯托克斯光信号，并抑制了该信号噪声，并且通过PLL模块设计倍频100MHz得到空间分辨率可达1M，满足对温度监测的需求。

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