φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感技術(shù)具有靈敏度高、空間動(dòng)態(tài)范圍大和定位精度高等特點(diǎn),可在大型設(shè)施健康監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)、周界安防、管道防護(hù)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文以課題組自主研發(fā)的φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)為依托,開(kāi)展面向工程應(yīng)用的綜合信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)的研究。第二章分析并指出φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)在工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題,提出綜合信號(hào)處理方案。以Xilinx公司Spartan-6系列FPGA為核心,結(jié)合ADC、DAC、USB2.0等功能模塊,提出基于FPGA的信號(hào)處理子系統(tǒng)架構(gòu),規(guī)定了高速數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸以及系統(tǒng)參數(shù)控制等功能。針對(duì)系統(tǒng)工程應(yīng)用中的具體問(wèn)題,提出數(shù)字化自動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)字化自動(dòng)調(diào)節(jié)、背向散射跡線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、傳感數(shù)據(jù)壓縮與成幀傳輸和傳感光纖故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定位等技術(shù)方案。第三章詳細(xì)分析FPGA電路及ADC、DAC、USB2.0、數(shù)字控制接口和電源管理等功能模塊,討論各類芯片選型。充分考慮了電磁兼容性和信號(hào)完整性,設(shè)計(jì)并研制出綜合信號(hào)處理子系統(tǒng)硬件電路,給出了數(shù)字化自動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)字化自動(dòng)調(diào)節(jié)、背向散射跡線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、傳感數(shù)據(jù)壓縮與成幀傳輸和傳感光纖故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定位等算法的FPGA程序設(shè)計(jì)。第四章搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)綜合信號(hào)處理子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與分析。結(jié)果表明,綜合信號(hào)處理子系統(tǒng)各功能模塊工作正常,滿足傳感系統(tǒng)的需求。綜合信號(hào)處理算法大大提高了傳感系統(tǒng)信噪比,消除傳感盲區(qū)；提升數(shù)據(jù)傳輸效率,縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間；實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)字化自動(dòng)調(diào)節(jié),增強(qiáng)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性：實(shí)現(xiàn)了傳感光纖故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定位,提升了系統(tǒng)性能,滿足工程應(yīng)用的需求。第五章構(gòu)建了基于綜合信號(hào)處理技術(shù)的cp-OTDR型光纖振動(dòng)傳感演示系統(tǒng)。演示系統(tǒng)以沙盤(pán)模型為依托,結(jié)合了機(jī)場(chǎng)、油庫(kù)、石油管道、軍事基地等多種應(yīng)用場(chǎng)景,采用圍欄、圍墻、埋地以及管道等多種布纜方式。結(jié)果表明,演示系統(tǒng)各區(qū)域工作正常,對(duì)外界擾動(dòng)具有很高的信噪比和定位精度。系統(tǒng)集成了語(yǔ)音警報(bào)和視頻聯(lián)動(dòng)等功能,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感光纜任意處外界振動(dòng)事件的檢測(cè)與定位,滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。第六章給出全文總結(jié),提出下一步工作設(shè)想。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TP212;TN911.7
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感技術(shù)研究進(jìn)展
        1.1.1 φ-OTDR機(jī)理與應(yīng)用
        1.1.2 φ-OTDR技術(shù)研究進(jìn)展
    1.2 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)信號(hào)處理技術(shù)研究進(jìn)展
        1.2.1 系統(tǒng)性能分析
        1.2.2 信號(hào)處理技術(shù)研究進(jìn)展
        1.2.3 FPGA技術(shù)
        1.2.4 問(wèn)題與分析
    1.3 論文主要工作及章節(jié)安排
        1.3.1 論文研究意義
        1.3.2 論文主要工作內(nèi)容
        1.3.3 論文組織結(jié)構(gòu)與章節(jié)安排
第二章 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感綜合信號(hào)處理技術(shù)方案
    2.1 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)總體研究方案
        2.1.1 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)原理與基本架構(gòu)
        2.1.2 綜合信號(hào)處理子系統(tǒng)研究方案
    2.2 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)數(shù)字化自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)方案
        2.2.1 系統(tǒng)參數(shù)數(shù)字化調(diào)節(jié)技術(shù)
        2.2.2 光接收模塊自動(dòng)增益調(diào)節(jié)技術(shù)
    2.3 背向散射跡線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)方案
    2.4 傳感數(shù)據(jù)壓縮與成幀傳輸技術(shù)方案
        2.4.1 擾動(dòng)信號(hào)提取原理
        2.4.2 數(shù)據(jù)編碼與成幀
        2.4.3 數(shù)據(jù)壓縮率
    2.5 傳感光纖故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)方案
    2.6 本章小結(jié)
第三章 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感綜合信號(hào)處理子系統(tǒng)研制
    3.1 FPGA電路設(shè)計(jì)
        3.1.1 FPGA芯片選型
        3.1.2 FPGA電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
        3.1.3 時(shí)鐘及復(fù)位電路設(shè)計(jì)
        3.1.4 FPGA配置電路設(shè)計(jì)
        3.1.5 FPGA功能管腳電路設(shè)計(jì)
    3.2 功能模塊設(shè)計(jì)
        3.2.1 ADC模塊設(shè)計(jì)
        3.2.2 DAC模塊設(shè)計(jì)
        3.2.3 USB2.0接口模塊設(shè)計(jì)
        3.2.4 數(shù)字控制接口模塊設(shè)計(jì)
        3.2.5 電源管理
    3.3 版圖設(shè)計(jì)與研制
    3.4 綜合信號(hào)處理算法
        3.4.1 FPGA程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
        3.4.2 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)數(shù)字化自動(dòng)調(diào)節(jié)算法
        3.4.3 背向散射跡線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法
        3.4.4 傳感數(shù)據(jù)壓縮與成幀傳輸算法
        3.4.5 傳感光纖故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定位算法
    3.5 本章小結(jié)
第四章 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感綜合信號(hào)處理子系統(tǒng)測(cè)試與分析
    4.1 功能模塊驗(yàn)證與性能分析
        4.1.1 電源模塊
        4.1.2 FPGA配置電路
        4.1.3 ADC模塊
        4.1.4 DAC模塊
        4.1.5 USB2.0接口模塊
        4.1.6 數(shù)字控制接口模塊
    4.2 綜合信號(hào)處理算法
        4.2.1 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)數(shù)字化自動(dòng)調(diào)節(jié)算法
        4.2.2 背向散射跡線動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法
        4.2.3 傳感數(shù)據(jù)壓縮與成幀傳輸算法
        4.2.4 傳感光纖故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定位算法
    4.3 本章小結(jié)
第五章 φ-OTDR型光纖振動(dòng)傳感演示系統(tǒng)
    5.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
        5.1.1 場(chǎng)景與需求分析
        5.1.2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
        5.1.3 系統(tǒng)框架
    5.2 沙盤(pán)制作與布纜
    5.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試
    5.4 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
致謝
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)介

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本文編號(hào)：2834823