一種基于FPGA的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的光纖檢測(cè)系統(tǒng)大都是基于MCU架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，雖然MCU系統(tǒng)或DSP處理器在數(shù)字信號(hào)處理方面功能強(qiáng)大，但難以完成大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，因采樣點(diǎn)少帶來(lái)的測(cè)量誤差會(huì)累積到測(cè)試結(jié)果。本設(shè)計(jì)基于光纖系統(tǒng)的檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)一種快速光纖檢測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用FPGA做數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。

光纖通信是用光纖作為傳輸介質(zhì)，以光波作為載波來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，從而達(dá)到通信目的的一種新通信技術(shù)。與傳統(tǒng)的電氣通信相比，光纖傳感技術(shù)具有精度和靈敏度高、抗電磁干擾、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、成本低、光纖傳輸損耗極低，傳輸距離遠(yuǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)。

雖然光纖通信具有以上突出的優(yōu)點(diǎn)，但本身存在的缺陷也不容忽視，比如：光纖的質(zhì)地脆，容易斷裂、機(jī)械強(qiáng)度差，彎曲不能過(guò)小;供電困難;分路、耦合不靈活;光纖的切斷和連接需要特定的工具或設(shè)備等。城建施工、洪水侵襲、人為破壞、地殼運(yùn)動(dòng)等人為行為或者天災(zāi)的破壞，都很容易造成光纖線路的故障。如何有效地保證光纖通信系統(tǒng)的可靠性，一直是一個(gè)有待解決的技術(shù)難題。本設(shè)計(jì)在光纖通信的基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)光纖通信監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究。以FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MCU架構(gòu)完成數(shù)據(jù)的采集和處理，能完成高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，測(cè)量誤差小，工作可靠性高。

1 光纖通信系統(tǒng)的測(cè)量原理

目前的光纖測(cè)量中，主要是要測(cè)量光纖的損耗和斷點(diǎn)。主要基于瑞利散射和菲涅爾反射兩種光學(xué)現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行測(cè)量。瑞利散射是光纖材料本身固有的性質(zhì)，由于光纖內(nèi)部含有的雜質(zhì)、纖核添加物等產(chǎn)生漫反射，其中部分向后散射形成瑞利背向散射，光纖整個(gè)長(zhǎng)度上都呈現(xiàn)這種現(xiàn)象。而菲涅爾反射它只是發(fā)生在光纖接觸到空氣時(shí)或發(fā)生在諸如機(jī)械的連接接縫處。因此，光纖損耗的測(cè)量所依據(jù)的主要是瑞利散射原理;光纖斷點(diǎn)的測(cè)量所依據(jù)的主要原理是菲涅爾反射。

瑞利散射損耗可用下式進(jìn)行近似計(jì)算：

式(1)中，λ以u(píng)m為單位，A、B是與石英和摻雜材料有關(guān)的常數(shù)。

菲涅爾反射光的信號(hào)強(qiáng)度與反射面狀況和傳輸光的功率相關(guān)。對(duì)于來(lái)自光纖上L點(diǎn)處的菲涅爾反射光，在光纖注入端測(cè)得的光功率Pf(L)為：

以上公式中，L為菲涅爾反射處距離光注入端的距離，R為光纖中L處的功率反射系數(shù)，P0為注入光纖的峰值功率，β為光纖衰減常數(shù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖。由脈沖器產(chǎn)生的電脈沖，驅(qū)動(dòng)光源模塊產(chǎn)生光脈沖，經(jīng)方向耦合器射入待測(cè)光纖。射入光纖的光脈沖，由于光纖材料本身固有的性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生瑞利散射光，連同遇到不平整光纖端面會(huì)產(chǎn)生菲涅爾反射光，一起反射回方向耦合器、射至光電二極管，轉(zhuǎn)換成電脈沖。轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)由放大器和A/D轉(zhuǎn)換處理后送入數(shù)據(jù)處理模塊，由于此項(xiàng)反射光強(qiáng)度微弱，故需反復(fù)傳送、收集并進(jìn)行放大和平均處理。OTDR利用其激光光源向被測(cè)光纖反復(fù)發(fā)送光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要包括主控制器FPGA、AD轉(zhuǎn)換器及SRAM存儲(chǔ)器;主要完成對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與處理。本設(shè)計(jì)采用FPGA芯片為EP3C35Q240C8共有240個(gè)引腳，分為8個(gè)bank，分布于芯片的四周，但是并非全部的引腳都是可以隨意使用的，只有是L/O接口的引腳才是芯片內(nèi)部可分配。這些接口用來(lái)提供給復(fù)位，ADC芯片和SDRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和控制信號(hào)。

當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)完成后，需要把設(shè)計(jì)下載到FPGA中運(yùn)行以進(jìn)行調(diào)試及應(yīng)用。FPGA有多種下載配置模式，本設(shè)計(jì)主要采用AS模式。

AS模式是將下載文件先放在外掛的加載芯片中，每次上電后FPGA會(huì)自動(dòng)從加載芯片中調(diào)用加載信息，然后存到FPGA的SRAM中去，對(duì)FPGA進(jìn)行配置。當(dāng)設(shè)計(jì)完成，調(diào)試無(wú)誤時(shí)，應(yīng)當(dāng)用此模式進(jìn)行FPGA的配置。

AS下載需要AS配置芯片。本設(shè)計(jì)采用的存儲(chǔ)器為EPCS16，它與FPGA的接口為4個(gè)信號(hào)：DCLK為串行時(shí)鐘輸入;ASDI為控制信號(hào)輸入;nCS為片選信號(hào);DATA為串行數(shù)據(jù)輸出。AS模式下載電路實(shí)現(xiàn)原理圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要功能是發(fā)送一個(gè)光脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)耦合器耦合后注入待測(cè)光纖，由待測(cè)光纖反射回來(lái)的反射光再送入數(shù)據(jù)采集和處理模塊。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：首先FPGA產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)脈沖放大器放大后，再連接到光電器，轉(zhuǎn)換成特定波長(zhǎng)的光脈沖，將光脈沖注入待測(cè)光纖，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生瑞利散射和菲涅爾反射，再由耦合器的輸出端送入光電探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，隨后送入到運(yùn)算放大器進(jìn)行放大后送入數(shù)據(jù)采集與處理模塊。圖3所示為脈沖放大電路，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大處理。

如圖3所示TPS2817為單通道高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器，可以提供高達(dá)2 A的峰值電流，可達(dá)納秒級(jí)的開(kāi)關(guān)速度，輸入回路中包括了有源上拉電路，采用集電極開(kāi)路方式驅(qū)動(dòng)MOS管。電源電壓最大為30 V，電源電壓最小為2.75 V;當(dāng)輸入的脈沖信號(hào)接入輸入端口IN，TPS2817相當(dāng)于一個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器，可將脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

首先檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)射一個(gè)光脈沖信號(hào)，這個(gè)光脈沖在遇到斷點(diǎn)、接頭、熔接點(diǎn)以后會(huì)反射回來(lái)，如果檢測(cè)系統(tǒng)能夠精確地測(cè)量回波時(shí)間，就可以利用下面的公式計(jì)算出距離L。

其中，c為光速，t為光脈沖從發(fā)射到接收的總時(shí)間，稱為回波時(shí)間，f為采樣率，N為總采樣點(diǎn)數(shù)，

n為待測(cè)光纖的折射率。測(cè)試結(jié)果如下：橫坐標(biāo)表示待測(cè)光纖的長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)代表測(cè)量反射光得到的相對(duì)光功率。整個(gè)光纖網(wǎng)的故障可分為反射事件和非反射事件。

光纖中的熔接頭和微彎都會(huì)帶來(lái)?yè)p耗，但不會(huì)引起反射。在測(cè)量結(jié)果曲線上，這兩種事件會(huì)以在背向散射電平上附加一下突然的下降臺(tái)階的形式表現(xiàn)出來(lái)。那么在豎軸上的改變即為某一事件的損耗大小。

活動(dòng)連接器，機(jī)械接頭和光纖中的折裂都會(huì)同時(shí)引起損耗和反射。損耗的大小同樣是由背向電平值的改變量來(lái)決定。反射值(通常以回波損耗的形式表示)是由背向散射上反射峰的幅度所決定的。