【摘要】：基于模擬下變頻器、數(shù)字IQ解調(diào)和反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理器(FPGA+DSP)的數(shù)據(jù)采集和處理架構(gòu),提出了一種全嵌入式高信噪比(SNR)、高分辨率和低成本的外差型相位敏感光時(shí)域反射(Φ-OTDR)技術(shù)模式識(shí)別方法。針對(duì)外差型Φ-OTDR技術(shù),使用DSP、FPGA及其外圍硬件電路替代原有的GHz級(jí)高速采集卡和信號(hào)發(fā)生器,減小了系統(tǒng)的體積和成本。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于時(shí)空域二維圖提取形態(tài)學(xué)特征的方法,并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別;所提方法相對(duì)于傳統(tǒng)的針對(duì)一維信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別的方法誤報(bào)率更低、識(shí)別率更高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的基于FPGA+DSP全嵌入式并行信號(hào)處理架構(gòu)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求,SNR高達(dá)12.43dB,事件識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到97.78%。
【圖文】：

程門(mén)陣列（ＦＰＧＡ）及其外圍電路可代替信號(hào)發(fā)生器，并能實(shí)時(shí)調(diào)制觸發(fā)脈沖的寬度與重復(fù)頻率。在外差型Φ－ＯＴＤＲ系統(tǒng)中，定位曲線只能反映空間域上的振動(dòng)而不能反映時(shí)間域的情況。本文采用全嵌入式硬件架構(gòu)，基于圖像處理的方式提取時(shí)空域特征［４］，并使用反向傳播（ＢＰ）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。所提系統(tǒng)以普通單模光纖作為光傳輸和傳感載體，易于安裝，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、多位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且可以應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)的安全檢測(cè)、光纖周界防護(hù)、油氣管道安全預(yù)警等領(lǐng)域。２系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示，該系統(tǒng)采用窄線寬激光器作為光源，中心波長(zhǎng)為１５５０．１２ｎｍ。光源輸出分為兩路：一路作為本征光，另一路作為探測(cè)光。探測(cè)光經(jīng)過(guò)ＡＯＭ（消光比為５５ｄＢ，移頻為２００ＭＨｚ）調(diào)制成脈沖光，脈沖光經(jīng)摻鉺光纖放大器（ＥＤＦＡ）的放大后通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入傳感光纖中。光纖中的散射信號(hào)進(jìn)入環(huán)形器的２端，由環(huán)形器３端輸出到耦合器的一端；耦合器的另一端輸入本征光，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。信號(hào)經(jīng)ＦＰＧＡ采集并進(jìn)行初步處理后傳輸?shù)綌?shù)字信號(hào)處理器（ＤＳＰ）中，ＤＳＰ對(duì)信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理，ＤＳＰ處理結(jié)果基于傳輸控制協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。圖１中ＤＤＳ為直接數(shù)字頻率合成器。圖１系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ將環(huán)形器３端輸出的瑞利散射信號(hào)Ｅｂｓ（ｔ）與本征光ＥＬｏ（ｔ）進(jìn)行相干拍頻（圖１），由于光電探測(cè)器頻帶有限，忽略高頻后得到Ｓｃ（ｔ），即Ｓｃ（ｔ）＝Ｅ０Ａ（ｔ）ｃｏｓθｃｏｓ［Δω１（ｔ）

光學(xué)學(xué)報(bào)式中ＳＡＣ為信號(hào)電壓幅值，Ｒ為電阻。ＦＰＧＡ及其外圍電路主要實(shí)現(xiàn)ＡＯＭ調(diào)制脈沖產(chǎn)生和模擬下變頻功能，其示意圖如圖２所示。利用ＦＰＧＡ驅(qū)動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ＤＡ），高速放大器產(chǎn)生ＡＯＭ調(diào)制脈沖，下變頻部分將載頻信號(hào)由２００ＭＨｚ降到５ＭＨｚ［６］。圖中ＬＰＦ為低通濾波器，ＤＡＱ為數(shù)據(jù)采集卡。圖２ＦＰＧＡ及其外圍電路示意圖Ｆｉｇ．２ＤｉａｇｒａｍｏｆＦＰＧＡａｎｄｉｔｓｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｃｉｒｃｕｉｔ下變頻系統(tǒng)采用對(duì)稱(chēng)差分結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)有助于抑制電路板噪聲。光電探測(cè)器輸出信號(hào)分別與ＤＤＳ輸出的相位差為１８０°的兩路正弦信號(hào)進(jìn)行混頻，系統(tǒng)輸出由ＡＤ兩通道以４０ＭＨｚ·ｓ－１的速度進(jìn)行同步采集，將采集到的信號(hào)進(jìn)行相減，以達(dá)到抑制噪聲的目的。如圖２所示，輸入信號(hào)為Ｓｃ（ｔ）、Ｓ１（ｔ）和Ｓ２（ｔ），其中Ｓ１（ｔ）和Ｓ２（ｔ）為ＤＤＳ生成的兩路相位差為１８０°的正弦信號(hào)［Δω２（ｔ）＝１９５ＭＨｚ］。由兩路模擬乘法器分別完成Ｓｃ（ｔ）與Ｓ１（ｔ）、Ｓ２（ｔ）的混頻，得到的信號(hào)ＳＥ１（ｔ）、ＳＥ２（ｔ）分別可表示為ＳＥ１（ｔ）＝Ｓｃ（ｔ）Ｓ１（ｔ），（３）ＳＥ２（ｔ）＝Ｓｃ（ｔ）Ｓ２（ｔ）。（４）混頻后的ＳＥ１（ｔ）和ＳＥ２（ｔ）包含下變頻分量和上變頻分量，經(jīng)過(guò)低通濾波電路后得到的信號(hào)Ｅｓ１（ｔ）和Ｅｓ２（ｔ）可分別表示為Ｅｓ
【作者單位】： 天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(61304244) 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20130032130001)
【分類(lèi)號(hào)】：TP391.4

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本文編號(hào)：2532684