Ф-OTDR光纤传感系统的硬件设计与实现
这是一篇关于相位敏感光时域传感技术,背向散射,硬件电路设计,性能测试,模分复用的论文, 主要内容为分布式光纤传感技术在长距离安防、周界安防等领域具备广阔的应用市场。因其具备不受外界电磁干扰、监测范围大、对外界扰动灵敏等优点,适合于易燃易爆、周围环境复杂的特殊场合或者需要智能化管理的重点场合使用。本文基于相位敏感光时域反射原理(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR),研究并设计了能够预处理传感信号和进行系统控制并具备视频联动等功能拓展的高速信号处理板,搭建了Φ-OTDR传感系统。所设计的高速信号处理板以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片为控制核心,能够同时控制系统中光源、光信号接收板,与上位机通信。具体的工作内容如下:(1)对分布式光纤传输技术研究背景与意义进行了介绍,并对Φ-OTDR技术研究现状进行了阐述。从理论上分析了光纤中的散射效应以及Φ-OTDR传感系统工作原理。(2)针对实验室上一代Φ-OTDR传感系统中,信号处理板的FPGA型号较老、内部资源耗尽、缺乏高速信号接口、无法进行视频联动等功能拓展的问题。通过器件选型和原理图绘制等硬件电路设计,提出了一款高速信号处理板。不仅具备预处理传感信号、控制光源、控制光信号接收板的功能模块,能够满足Φ-OTDR传感系统的基本需求;新增数据缓存模块最高可缓存512 MB数据。新增以太网模块和光模块,为系统接收视频光信号实现视频联动或实现板间通信打下硬件基础;设计了电源电路和时钟电路,为高速信号处理板中各功能模块的正常运行提供稳定的电源电压和时钟信号。(3)针对高速信号处理板的电源模块和时钟模块进行功能验证,确保电源芯片输出的供电电压能够满足处理板的需求以及时钟芯片输出稳定的时钟信号。在此基础上实现程序烧录和FPGA工作状态信息读取以及内部波形抓取,确保满足系统联调的前提条件。(4)搭建Φ-OTDR传感系统,并实现系统联调。在实验室环境中,针对系统性能,进行传感距离、扰动数量、定位精度、响应时间、误报率等方面的实验。实验结果表明传感距离可达44 km,能够监测到5点同时扰动。单点以及两点、三点同时扰动情况下的定位精度可达±10 m,响应时间<1 s,误报率≤3%;四点和五点同时扰动情况下的定位精度可达±30 m,响应时间<2 s,误报率≤5%。然后介绍了耦合模理论以及模式选择耦合器。以实现视频联动技术和Φ-OTDR传感技术结合为目标,提出了一种基于模分复用视频联动的Φ-OTDR传感系统架构。
Ф-OTDR光纤传感系统的硬件设计与实现
这是一篇关于相位敏感光时域传感技术,背向散射,硬件电路设计,性能测试,模分复用的论文, 主要内容为分布式光纤传感技术在长距离安防、周界安防等领域具备广阔的应用市场。因其具备不受外界电磁干扰、监测范围大、对外界扰动灵敏等优点,适合于易燃易爆、周围环境复杂的特殊场合或者需要智能化管理的重点场合使用。本文基于相位敏感光时域反射原理(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR),研究并设计了能够预处理传感信号和进行系统控制并具备视频联动等功能拓展的高速信号处理板,搭建了Φ-OTDR传感系统。所设计的高速信号处理板以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片为控制核心,能够同时控制系统中光源、光信号接收板,与上位机通信。具体的工作内容如下:(1)对分布式光纤传输技术研究背景与意义进行了介绍,并对Φ-OTDR技术研究现状进行了阐述。从理论上分析了光纤中的散射效应以及Φ-OTDR传感系统工作原理。(2)针对实验室上一代Φ-OTDR传感系统中,信号处理板的FPGA型号较老、内部资源耗尽、缺乏高速信号接口、无法进行视频联动等功能拓展的问题。通过器件选型和原理图绘制等硬件电路设计,提出了一款高速信号处理板。不仅具备预处理传感信号、控制光源、控制光信号接收板的功能模块,能够满足Φ-OTDR传感系统的基本需求;新增数据缓存模块最高可缓存512 MB数据。新增以太网模块和光模块,为系统接收视频光信号实现视频联动或实现板间通信打下硬件基础;设计了电源电路和时钟电路,为高速信号处理板中各功能模块的正常运行提供稳定的电源电压和时钟信号。(3)针对高速信号处理板的电源模块和时钟模块进行功能验证,确保电源芯片输出的供电电压能够满足处理板的需求以及时钟芯片输出稳定的时钟信号。在此基础上实现程序烧录和FPGA工作状态信息读取以及内部波形抓取,确保满足系统联调的前提条件。(4)搭建Φ-OTDR传感系统,并实现系统联调。在实验室环境中,针对系统性能,进行传感距离、扰动数量、定位精度、响应时间、误报率等方面的实验。实验结果表明传感距离可达44 km,能够监测到5点同时扰动。单点以及两点、三点同时扰动情况下的定位精度可达±10 m,响应时间<1 s,误报率≤3%;四点和五点同时扰动情况下的定位精度可达±30 m,响应时间<2 s,误报率≤5%。然后介绍了耦合模理论以及模式选择耦合器。以实现视频联动技术和Φ-OTDR传感技术结合为目标,提出了一种基于模分复用视频联动的Φ-OTDR传感系统架构。
少模光纤模分复用系统空时解复用技术研究
这是一篇关于少模光纤,模分复用,深度学习,信号检测的论文, 主要内容为随着社会信息化水平的不断提高、互联网用户数量的增长与数据业务的多样化,通信网络的带宽需求呈爆炸式增长,而目前的网络带宽已接近现有技术手段的极限。为了应对即将面临的“带宽危机”,满足信息化社会的发展需求,基于少模光纤(FMF)的模分复用(MDM)技术被提出,近年来受到国内外学者的广泛关注。MDM技术利用FMF中独立且正交的传播模式实现多路数据流的并行传输,从而极大地提高系统的传输容量。然而,由光纤及光内联器件制备与铺设工艺的缺陷所引起的模式耦合(MC)、差分模式群时延(DMGD)及模式相关损耗(MDL)等干扰会破坏模式之间的正交性。因此,研究能够有效抑制模间干扰的高效解复用技术,对MDM系统传输容量的改善具有重要意义。本文在建立基于FMF的MDM通信系统模型的基础上,结合高效的空时编码方案,重点研究能够改善MDM系统性能的MIMO信号处理技术。具体内容总结如下:一、搭建了基于FMF的MDM通信系统模型。以三模光纤MDM通信系统为例,首先对弱耦合、弱耦合加扰、强耦合和强耦合加扰这四种典型MDM信道的MDL分布进行了仿真分析。其次仿真了不同耦合强度下的MDL,分析了耦合效应对MDL的影响,并计算了为使MDL达到其理论下界1.0d B范围内,不同耦合强度下单位光纤段所需的加扰器数目。此外,通过对比不同MDL下的信道容量,验证了MDL对信道容量的损伤效应。为实现MDL影响下高效可靠的信号检测,提出了基于机器学习的信号检测算法。根据投影梯度下降算法迭代展开形式搭建了信号检测网络(Det Net)。为充分学习数据特征,采用One-Hot映射对训练数据进行预处理。此外,引入非线性变量与残差特性强化Det Net学习能力与性能。仿真结果表明,在弱耦合情况下,Det Net与ML相比信噪比损失约为2.0d B。而在弱耦合加扰,强耦合以及强耦合加扰条件下,Det Net与ML相比信噪比损失均小于0.5d B。二、考虑到模型驱动的Det Net依赖于信道状态信息实现网络参数优化,而实际通信系统可能存在诸多难以预期与准确建模的干扰。因此提出了采用深度学习(DL)的数据驱动的联合信道估计与信号检测网络。通过对该网络的训练,建立接收数据与发送数据之间的非线性映射关系,采用大量包含导频与信号的训练数据集优化网络参数,而无需显式地信道估计。仿真结果表明,基于DL的联合信道估计与信号检测方案与确知信道状态信息的MMSE检测算法相比,在弱耦合、弱耦合加扰、强耦合以及强耦合加扰情况下信噪比分别改善了2.0d B、1.1d B、1.5d B和1.0d B。
Ф-OTDR光纤传感系统的硬件设计与实现
这是一篇关于相位敏感光时域传感技术,背向散射,硬件电路设计,性能测试,模分复用的论文, 主要内容为分布式光纤传感技术在长距离安防、周界安防等领域具备广阔的应用市场。因其具备不受外界电磁干扰、监测范围大、对外界扰动灵敏等优点,适合于易燃易爆、周围环境复杂的特殊场合或者需要智能化管理的重点场合使用。本文基于相位敏感光时域反射原理(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR),研究并设计了能够预处理传感信号和进行系统控制并具备视频联动等功能拓展的高速信号处理板,搭建了Φ-OTDR传感系统。所设计的高速信号处理板以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片为控制核心,能够同时控制系统中光源、光信号接收板,与上位机通信。具体的工作内容如下:(1)对分布式光纤传输技术研究背景与意义进行了介绍,并对Φ-OTDR技术研究现状进行了阐述。从理论上分析了光纤中的散射效应以及Φ-OTDR传感系统工作原理。(2)针对实验室上一代Φ-OTDR传感系统中,信号处理板的FPGA型号较老、内部资源耗尽、缺乏高速信号接口、无法进行视频联动等功能拓展的问题。通过器件选型和原理图绘制等硬件电路设计,提出了一款高速信号处理板。不仅具备预处理传感信号、控制光源、控制光信号接收板的功能模块,能够满足Φ-OTDR传感系统的基本需求;新增数据缓存模块最高可缓存512 MB数据。新增以太网模块和光模块,为系统接收视频光信号实现视频联动或实现板间通信打下硬件基础;设计了电源电路和时钟电路,为高速信号处理板中各功能模块的正常运行提供稳定的电源电压和时钟信号。(3)针对高速信号处理板的电源模块和时钟模块进行功能验证,确保电源芯片输出的供电电压能够满足处理板的需求以及时钟芯片输出稳定的时钟信号。在此基础上实现程序烧录和FPGA工作状态信息读取以及内部波形抓取,确保满足系统联调的前提条件。(4)搭建Φ-OTDR传感系统,并实现系统联调。在实验室环境中,针对系统性能,进行传感距离、扰动数量、定位精度、响应时间、误报率等方面的实验。实验结果表明传感距离可达44 km,能够监测到5点同时扰动。单点以及两点、三点同时扰动情况下的定位精度可达±10 m,响应时间<1 s,误报率≤3%;四点和五点同时扰动情况下的定位精度可达±30 m,响应时间<2 s,误报率≤5%。然后介绍了耦合模理论以及模式选择耦合器。以实现视频联动技术和Φ-OTDR传感技术结合为目标,提出了一种基于模分复用视频联动的Φ-OTDR传感系统架构。
Ф-OTDR光纤传感系统的硬件设计与实现
这是一篇关于相位敏感光时域传感技术,背向散射,硬件电路设计,性能测试,模分复用的论文, 主要内容为分布式光纤传感技术在长距离安防、周界安防等领域具备广阔的应用市场。因其具备不受外界电磁干扰、监测范围大、对外界扰动灵敏等优点,适合于易燃易爆、周围环境复杂的特殊场合或者需要智能化管理的重点场合使用。本文基于相位敏感光时域反射原理(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR),研究并设计了能够预处理传感信号和进行系统控制并具备视频联动等功能拓展的高速信号处理板,搭建了Φ-OTDR传感系统。所设计的高速信号处理板以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片为控制核心,能够同时控制系统中光源、光信号接收板,与上位机通信。具体的工作内容如下:(1)对分布式光纤传输技术研究背景与意义进行了介绍,并对Φ-OTDR技术研究现状进行了阐述。从理论上分析了光纤中的散射效应以及Φ-OTDR传感系统工作原理。(2)针对实验室上一代Φ-OTDR传感系统中,信号处理板的FPGA型号较老、内部资源耗尽、缺乏高速信号接口、无法进行视频联动等功能拓展的问题。通过器件选型和原理图绘制等硬件电路设计,提出了一款高速信号处理板。不仅具备预处理传感信号、控制光源、控制光信号接收板的功能模块,能够满足Φ-OTDR传感系统的基本需求;新增数据缓存模块最高可缓存512 MB数据。新增以太网模块和光模块,为系统接收视频光信号实现视频联动或实现板间通信打下硬件基础;设计了电源电路和时钟电路,为高速信号处理板中各功能模块的正常运行提供稳定的电源电压和时钟信号。(3)针对高速信号处理板的电源模块和时钟模块进行功能验证,确保电源芯片输出的供电电压能够满足处理板的需求以及时钟芯片输出稳定的时钟信号。在此基础上实现程序烧录和FPGA工作状态信息读取以及内部波形抓取,确保满足系统联调的前提条件。(4)搭建Φ-OTDR传感系统,并实现系统联调。在实验室环境中,针对系统性能,进行传感距离、扰动数量、定位精度、响应时间、误报率等方面的实验。实验结果表明传感距离可达44 km,能够监测到5点同时扰动。单点以及两点、三点同时扰动情况下的定位精度可达±10 m,响应时间<1 s,误报率≤3%;四点和五点同时扰动情况下的定位精度可达±30 m,响应时间<2 s,误报率≤5%。然后介绍了耦合模理论以及模式选择耦合器。以实现视频联动技术和Φ-OTDR传感技术结合为目标,提出了一种基于模分复用视频联动的Φ-OTDR传感系统架构。
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