基于FPGA的分布式光纤检测系统设计

1、基于fpga的分布式光纤检测系统设计光纤通信是用光纤作为传输介质，以光波作为载波来实现信息传输，从而达到通信目的的一种新通信技术。与传统的电气通信相比，光纤传感技术具有精度和敏捷度高、抗电磁干扰、寿命长、耐腐蚀、成本低、光纤传输损耗极低，传输距离远等突出优点。虽然光纤通信具有以上突出的优点，但本身存在的缺陷也不容忽略，比如：光纤的质地脆，简单断裂、机械强度差，弯曲不能过小;供电困难;分路、耦合不灵便;光纤的切断和衔接需要特定的工具或设备等。城建施工、洪水侵袭、人为破坏、地壳运动等人为行为或者天灾的破坏，都很简单造成光纤线路的故障。如何有效地保证光纤通信系统的牢靠性，向来是一个有待解决的技术难题

2、。本设计在光纤通信的基础之上，通过对光纤通信监测系统的牢靠性举行讨论。以代替传统的架构完成数据的采集和处理，能完成高速的实时数据采集，测量误差小，工作牢靠性高。1 光纤通信系统的测量原理目前的光纤测量中，主要是要测量光纤的损耗和断点。主要基于瑞利散射和菲涅尔反射两种光学现象来举行测量。瑞利散射是光纤材料本身固有的性质，因为光纤内部含有的杂质、纤核添加物等产生漫反射，其中部分向后散射形成瑞利背向散射，光纤囫囵长度上都展现这种现象。而菲涅尔反射它只是发生在光纤接触到空气时或发生在诸如机械的衔接接缝处。因此，光纤损耗的测量所依据的主要是瑞利散射原理;光纤断点的测量所依据的主要原理是菲涅尔反射。瑞利散

3、射损耗可用下式举行近似计算：式(1)中，以um为单位，a、b是与石英和掺杂材料有关的常数。菲涅尔反射光的信号强度与反射面情况和传输光的功率相关。对于来自光纤上l点处的菲涅尔反射光，在光纤注入端测得的光功率pf(l)为：以上公式中，l为菲涅尔反射处距离光注入端的距离，r为光纤中l处的功率反射系数，p0为注入光纤的峰值功率，为光纤衰减常数。2 硬件设计1所示为系统硬件设计原理图。由脉冲器产生的电脉冲，驱动光源模块产生光脉冲，经方向耦合器射入待测光纤。射入光纤的光脉冲，因为光纤材料本身固有的性质会产生瑞利散射光，连同碰到不平整光纤端面会产生菲涅尔反射光，一起反射回方向耦合器、射至光电，转换成电脉冲。

4、转换后的电信号经由和a/d转换处理后送入数据处理模块，因为此项反射光强度微弱，故需反复传送、收集并举行放大和平均处理。otdr利用其激光光源向被测光纤反复发送光脉冲来实现测量。2.1 数据采集与处理模块数据采集与处理模块主要包括主控制器fpga、ad转换器及sram存储器;主要完成对实时数据的采集与处理。本设计采纳fpga芯片为ep3c35q240c8共有240个引脚，分为8个bank，分布于芯片的四面，但是并非所有的引脚都是可以任意用法的，惟独是l/o接口的引脚才是芯片内部可分配。这些接口用来提供应复位，芯片和sdram数据存储和控制信号。当一个设计完成后，需要把设计下载到fpga中运行以举

5、行调试及应用。fpga有多种下载配置模式，本设计主要采纳as模式。as模式是将下载文件先放在外挂的加载芯片中，每次上电后fpga会自动从加载芯片中调用加载信息，然后存到fpga的sram中去，对fpga举行配置。当设计完成，调试无误时，应该用此模式举行fpga的配置。as下载需要as配置芯片。本设计采纳的存储器为epcs16，它与fpga的接口为4个信号：dclk为串行时钟输入;asdi为控制信号输入;ncs为片选信号;data为串行数据输出。as模式下载实现原理图2所示。2.2 数据收发模块数据收发模块主要功能是发送一个光脉冲信号，经过耦合器耦合后注入待测光纤，由待测光纤反射回归的反射光再送

6、入数据采集和处理模块。详细实现过程：首先fpga产生一个脉冲信号，经过脉冲放大器放大后，再衔接到光电器，转换成特定波长的光脉冲，将光脉冲注入待测光纤，这时会产生瑞利散射和菲涅尔反射，再由耦合器的输出端送入光电探测器，将光信号转换成电信号，随后送入到举行放大后送入数据采集与处理模块。图3所示为脉冲放大电路，主要实现对脉冲信号举行放大处理。3所示tps2817为单通道高速驱动器，可以提供高达2 a的峰值，可达纳秒级的开关速度，输入回路中包括了有源上拉电路，采纳集电极开路方式驱动mos管。电源最大为30 v，电源电压最小为2.75 v;当输入的脉冲信号接入输入端口in，tps2817相当于一个功率驱动器，可将脉冲信号举行功率放大。3 测试结果及分析首先检测系统放射一个光脉冲信号，这个光脉冲在碰到断点、接头、熔接点以后会反射回归，假如检测系统能够精确地测量回波时光，就可以利用下面的公式计算出距离l。其中，c为光速，t为光脉冲从放射到接收的总时光，称为回波时光，f为采样率，n为总采样点数，n为待测光纤的折射率。测试结果如下：横坐标表示待测光纤的长度，纵坐标代表测量反射光得到的相对光功率。囫囵光纤网的故障可分为反射大事和非反射大事。光纤中的熔接头和微弯都会带来损耗，但不会引起反射。在测量结果曲线上，这两种大事会以在背向散射电平上附加一下骤然的下降台阶的形式表现出来。那么在竖轴