拉曼測溫系統的數據采集與處理

王家寧，衣文索，牛衛叢，張葉浩

（長春理工大學 光電工程學院，吉林 130022）

光纖傳感[1］技術是以光纖作為傳輸介質，利用光作為信息載體，集探測和傳輸于一體的技術。由于光在光纖中傳播受外界各種因素的影響，例如溫度、壓力會導致光強、頻率、相位等光波參量的變化，利用這些特性可以準確測量光纖各部分各種參數的變化從而起到監測作用。在以上可以監測的參數中，溫度是與人們最密切相關的，是從事各項生產活動所要參照和監測的重要指標，傳統的測溫[2］方法已經比較成熟，熱敏電阻和半導體測溫等各種溫度傳感器已經應用到各個領域，但是在一些特殊環境，例如在高腐蝕、高輻射、高壓、易燃易爆等情況下，傳統測溫傳感器[3］無法勝任測溫需求。所以在光纖傳感技術飛速發展的時期，利用光纖傳感技術進行測溫逐漸進入科研人員的視野。與傳統的測溫傳感器相比，光纖測溫傳感器有很多無法比擬的優點，主要包括：

（1）抗電磁干擾，電絕緣性好，耐腐蝕；（2）體積小，重量輕，幾何可塑性好；（3）傳輸損耗小，可遠距離監測；（4）成本低，穩定性好；（5）靈敏度強、精度高。

光纖傳感測溫器主要分為點式光纖測溫傳感器和分布式光纖測溫傳感器，點式傳感器中的光纖只用作信息的傳輸，尾端利用傳統的傳感器進行探測，如果探測范圍大，則點式傳感器局限性很大，并且浪費資源。分布式光纖測溫傳感器的光纖集探測和傳輸于一體，整根光纖作為傳感單元，傳感點隨光纖連續分布，測量范圍廣且成本較低。分布式光纖測溫傳感器目前成為了測溫方法中的主流。在閱讀了大量關于分布式測溫系統的國內外文獻，對該系統國內外的研究現狀進行了解，總結了分布式拉曼測溫系統現今存在的不足和缺點，對這些缺點進行針對性分析發現該系統主要在后端信息處理[4］采集部分需要改善。

1 拉曼測溫系統

基于拉曼散射光的分布式光纖測溫系統整體工作流程如圖1所示。

圖1 拉曼測溫系統

光源采用脈沖激光器，通過FPGA外部觸發來發射脈沖光，經波分復用器中的雙向耦合器耦合進入置于待測溫度場中的傳感光纖后，光脈沖與光纖中的粒子相互作用后產生拉曼散射光，其中的背向拉曼散射光返回到波分復用器中，濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，分別進入到光電探測器將光信號轉化為電信號，此時的電信號比較微弱，經放大器放大后進入數據采集卡后進行A/D轉換，將模擬信號轉化為數字信號在計算機上進行解調處理，得到全光纖上的溫度信息。

本文采用友晶科技生產的DE2-115和DCC-HSMC子板作為硬件開發平臺進行后續信號處理系統的設計。開發板和AD板卡如圖2、圖3所示。

圖2 友晶DCC-HSMC子板

圖3 友晶DE2-115開發平臺

AD子板具有150MSPS雙采集通道；開發板攜帶以太網接口，2片64MB SDRAM，FPGA采用Altera公司的EP4CE115F29作為主控芯片，其具有114，480個邏輯單元，432個M9K內存模塊，3888Kbit的嵌入式存儲器位，4個鎖相環以及266個18×18乘法器資源，滿足系統硬件要求。

2 數據采集部分

后端信息處理采集[5］部分工作流程圖如圖4所示。

圖4 信息處理采集部分

AD采集到的數據送到計算模塊，計算模塊把上次周期對應采集到的數據進行累加，存儲到存儲器，等累加到相應次數，然后讀取數據，通過串口通信傳送到上位機進行解調。其中AD采集模塊如圖5所示。

圖5 雙路高速AD采集

由圖中可見，AD采集模塊主要由FPGA主板內置PLL、寄存器數據采集A、B和子板的雙通道采集卡組成，右側AD子板通過HSMC高速接口連接到FPGA主板上，通道A、B采集到的兩路14位數據存儲到寄存器數據采集A、B中。

（1）PLL模塊設計

AD模塊中需要不同頻率的時鐘，保持外部輸入信號與內部的振蕩信號同步，但是通過觸發器進行分頻產生的時鐘噪聲較大，所以通過內置PLL鎖相環產生不同時鐘提供給AD模塊。PLL模塊具體代碼實現如下：

inclk0為50MHZ的輸入時鐘，c0為AD模塊工作時鐘，為50MHz。c1、c2為外部AD芯片工作時鐘，分別為100MHz。locked信號用于指示PLL是否完成內部初始化，已經可以正常輸出了高電平有效。areset是PLL模塊的復位信號，高電平進入復位狀態。通過Modelsim對配置的PLL模塊進行仿真，如圖6所示。

圖6 PLL模塊仿真圖

由仿真圖可以看出c0一個周期為20ns，則頻率為50MHz，c1、c2一個周期分別為10ns，則頻率為100MHz。所以空間分辨率X為：

其中，c為光在真空中傳播的速率3×108m/s，Δt為時鐘周期10ns，n為光纖折射率1.5，帶入（1）式中，可得空間分辨率為1m，所以該模塊設計符合系統需求。

（2）數據采集設計

數據采集部分主要是銜接子卡采集到的數據，以觸發器提取AD芯片輸出時鐘，在上升沿時刻將14位數據存入寄存器。以子卡通道A為例，代碼實現如下所示：

ADA_DCO為A路采集通道的輸出時鐘，ADA_D為數字信號，per_a2da_d和a2da_data分別為14位的寄存器。采集系統開始運行時，如果檢測到ADA_DCO輸出時鐘上升沿信號，說明模數轉換完成，則執行第一個always模塊的內的程序，采集到的數字信號ADA_D傳送給14位寄存器per_a2da_d，但是由于下個時鐘的不確定性，具體到來時間不明確，轉換時間也不知道，所以為了讓采集到的數據更準確，則增加了一個時鐘的緩沖模塊。程序運行時，兩個always模塊同時進行掃描，如果沒有檢測到第一個模塊的ADA_DCO輸出時鐘的上升沿，模數轉換未完成，則第二個模塊的per_a2da_d寄存器一直向a2da_data寄存器存入空數據，只有當檢測到ADA_DCO上升沿信號時，采集到的數據經過一個sys_clk時鐘周期才會最終傳送到a2da_data寄存器中，完成一次采集過程。

3 信號處理部分

在上一部分可知，AD卡采集到的數據傳輸到計算模塊，在計算模塊進行濾波[6-10］，假設有4幀數據，長度均為4，第一幀a1、a2、a3、a4，第二幀b1、b2、b3、b4，第三幀c1、c2、c3、c4，第四幀d1、d2、d3、d4，想要計算每次周期對應點的采集數據之和就需要利用滑動累加平均，原理圖如圖7所示。

圖7 累加算法原理圖

in為數據輸入端，第一幀數據輸入為a1-a4，a1通過輸入端經加法器直接進入輸出端，但是不能直接通過P點反饋到加法器，因為下個數據為a2，不是對應周期點的b1，所以就需要緩沖器進行數據緩沖潛伏，對于緩沖周期較長、速度要求較高的場合，可以采用FIFO[11］，對于緩沖周期較短、速度要求不高的場合，可以采用級聯的寄存器。緩沖器的緩沖潛伏深度是滑動累加器的關鍵，假如有4幀數據，潛伏深度為4-1=3，因為加法器輸出有一級寄存。信號F為使能相加，當其為高時允許加法器執行加法操作，否則in端數據直接輸出。C為捕獲信號，當其為高時捕獲節點P數據并輸出給out，否則保持不變。滑動累加器如圖8所示。

圖8 滑動累加器時序圖

由時序圖可見，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。累加結束后進行平均，假如累加了256次，取其平均則需去掉該寄存器的低8位，相當于進行了256次平均，并且由于本文使用的AD板卡可以采集到14位數據，所以存儲數據的寄存器為14+8=22位?；瑒永奂悠骄ㄟ^對不同時刻同一點的數據進行多次累加取平均可以達到對噪聲的濾除，使采集的數據更加平滑穩定。

4 實驗仿真

最后采集的數據經過多次累加實驗得到如圖9-12的仿真波形。

圖9 累加平均1次

圖10 累加平均100次

圖11 累加平均500次

圖12 累加平均1000次

圖9為累加平均一次的結果，兩路波形完全混疊在一起，圖10累加平均100次之后的結果，噪聲被逐漸抑制，兩路波形逐漸被分開，累加平均500次，噪聲很大程度上被抑制，并可以清晰的分辨出兩路波形，當累加平均1000次時，已經可以分辨出信號強度較弱的反斯托克斯光，信號強度稍強的為斯托克斯光。兩路信號噪聲抑制情況都較為理想，可以看出累加平均到1000次，采集到的數據已經趨于平滑。

5 結論

本文搭建了分布式測溫平臺進行對溫度的測量，并利用FPGA主板和AD子板設計了測溫系統的后端采集處理部分，經過多次累加平均計算，可以清晰的分辨出采集到的反斯托克斯光信號，并抑制了該信號噪聲，并且通過PLL模塊設計倍頻100MHz得到空間分辨率可達1M，滿足對溫度監測的需求。

[1]陳立軍，李海波，吳謙，等.分布式光纖測溫技術研究現狀及發展趨勢[J］.化工自動化及儀表，2010，37（12）：1-4.

[2]于海鷹，李琪，索琳，等.分布式光纖測溫技術綜述[J］.光學儀器，2013，35（5）：90-94.

[3]雷宇.分布式光纖溫度傳感系統的研究與設計[D］.南京：南京理工大學，2014.

[4]畢衛紅，楊焰文，張燕君.分布式光纖溫度傳感系統中數據處理的FPGA設計[J］.電子技術應用，2008，34（9）：57-59.

[5]江海峰.分布式拉曼光纖溫度傳感系統性能提升方法研究[D］.合肥：合肥工業大學，2016.

[6]孫柏寧.分布式拉曼光纖溫度傳感系統的噪聲分析及優化[D］.濟南：山東大學，2014.

[7]蔣志遠.基于FPGA的分布式光纖溫度傳感器控制系統[D］.成都：西南交通大學，2010.

[8]劉爍.基于FPGA的高速數據采集卡設計與實現[D］.西安：西安電子科技大學，2014.

[9]唐玉蓉.基于FPGA的高速數據采集系統的設計與實現[D］.北京：北京郵電大學，2012.

[10]趙宇玲.基于FPGA的信號采集與處理系統設計與實現[D］.南京：南京理工大學，2008.

[11]王家寧.基于FPGA的分布式光纖測溫系統數據處理技術研究[D］.長春：長春理工大學，2018.