分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法

1.本发明涉及光纤传感与解调技术领域，尤其涉及一种分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法。


背景技术：

2.fbg传感器和光纤fp传感器作为波长、相位调制型光纤传感器，除了具有抗电磁干扰、耐高温耐腐蚀、复用能力强、灵敏度高、轻便灵活等优点外广泛应用于航空航天、土木工程、石油石化等领域的温度、应变、位移等多种物理量的监测中。随着光纤传感与解调技术的发展及应用，逐渐衍生出一些问题，具体表现在： 1、缺乏对多特征光谱信息解调的能力； 2、不适用对分布式监测场景的要求。
3.上述缺点制约着光纤光栅解调硬件的应用，因此，提供一种分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法，是非常必要的。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出了一种能适用不同的光纤传感器、能够对多种光学特性进行解调的分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种分布式光纤传感多特征混合解调系统，包括：光路模块，与若干光纤传感器光路连接；所述光路模块用于产生激励光信号，并将激励光信号单向输出至若干光纤传感器中，所述光路模块还单向接收若干光纤传感器的反射光信号并进一步向外单向输出；电路模块，与光路模块连接，所述电路模块一方面驱动光路模块工作，另一方面接收所述光路模块单向输出的若干光纤传感器的反射光信号，对反射光信号进行光电转换和信号预处理；信号处理模块，与所述电路模块的输出端电性连接，所述信号处理模块依次通过变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤和fft相位信息提取步骤，对电路模块的输出信号解调处理。
6.在以上技术方案的基础上，优选的，所述光路模块包括可调谐环形腔激光器单元和无源光路单元；可调谐环形腔激光器单元的输出端分别与其输入端和无源光路单元的输入端光路连接，无源光路单元还与若干光纤传感器光路连接，激励光信号经过无源光路单元输出至若干光纤传感器，无源光路单元还接收若干光纤传感器的反射光信号；若干光纤传感器包括光纤fbg传感器和光纤fp传感器。
7.优选的，所述可调谐环形腔激光器单元包括顺次设置的soa、第一光隔离器、可调谐fp滤波器、第二光隔离器和光纤耦合器；所述soa的输出端与第一光隔离器的输入端光路连接，第一光隔离器的输出端与可调谐fp滤波器的输入端光路连接，可调谐fp滤波器的输出端与第二光隔离器的输入端光路连接，第二光隔离器的输出端与与光纤耦合器的输入端
光路连接，光纤耦合器的第一输出端与soa的输入端光路连接，光纤耦合器的第二输出端与无源光路单元光路连接；光纤耦合器的第一输出端和第二输出端的输出光的比例为10%：90%；所述无源光路单元包括光分路器和若干环形器，若干环形器均包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与第二端口单向连通，第二端口与第三端口单向连通；光分路器的输入端与光纤耦合器的第二输出端光路连接，光分路器的输出端分别与若干环形器的第一端口光路连接，若干环形器的第二端口分别与一光纤传感器光路连接，若干环形器的第三端口均与电路模块光路连接；各环形器的第二端口既向光纤传感器发出的激励光信号，又接收光纤传感器的反射光信号，并通过第三端口将反射光信号单向输出至电路模块。
8.优选的，所述电路模块包括温度控制电路、恒流驱动电路、若干光电转换信号调理电路和信号采集电路；温度控制电路和恒流驱动电路均设置在可调谐环形腔激光器单元处并与可调谐环形腔激光器单元电性连接，温度控制电路用于维持可调谐环形腔激光器单元的温度稳定，恒流驱动电路用于驱动可调谐环形腔激光器单元稳定工作；若干光电转换信号调理电路的输入端与无源光路单元的输出端连接，对各光纤传感器的反射光信号对应进行光电转换，并对光电转换后的信号进行放大和滤波；信号采集电路的输入端与若干光电转换信号调理电路的输出端一一对应电性连接，用于将光电转换信号调理电路的输出信号进行模数转换处理。
9.优选的，所述信号采集电路包括模数转换芯片和fpga芯片；模数转换芯片的各输入通道与若干光电转换信号调理电路的输出端一一对应电性连接；模数转换芯片的至少两路输入通道交替开启并将若干光电转换信号调理电路的输出信号进行模数转换，将转换后的数字量发送至fpga芯片中的fifo缓存模块进行存储。
10.另一方面，本发明提供了一种分布式光纤传感多特征混合解调方法，是构建上述的分布式光纤传感多特征混合解调系统，在信号处理模块获取电路模块输出的光电转换和信号预处理的结果后，信号处理模块顺次执行变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤和fft相位信息提取步骤，并将解调的结果打包发送到上位机。
11.优选的，所述信号处理模块的变阈值光强提取步骤，包括如下步骤：s301：确定最值变量和阈值th：是对信号采集电路输出的一路光电转换信号调理电路对应的模数转换处理的数字量的阈值进行逐一比较，将输出数字量的最大值作为该路输出的最值变量；按该最值变量的一定比例确定阈值th的大小；s302：起始态判断：判断数据点n
i+1
、ni与th的大小关系，如果满足n
i+1
》th且ni《th，进入下一步骤s303；ni与n
i+1
分别为采样时刻i和i+1对应的数字量，相邻采用时刻之间间隔的采样周期固定不变；s303：上升态判断：如果满足n
i+1
》ni》th，则缓存满足该条件的数据点到fpga的缓冲模块中；标记各数据点与序列值并进入下一步骤s303；s304：下降态判断：如果满足ni》n
i+1
》th，则缓存满足该条件的数据点到fpga的缓冲模块中；标记各数据点与序列值进入下一步骤s305；s305：终止态判断：如果满足n
i+1
《th且ni》th，则跳转回步骤s302继续搜寻，直到搜寻结束停止变阈值光强提取。
12.优选的，所述按该最值变量的一定比例确定阈值th的大小，是按最值变量的75%作
为阈值th的大小。
13.优选的，所述信号处理模块的质心法波长提取步骤，是对超过阈值th的各数据点对应的光谱，通过质心寻峰算法提取波长信息，将横坐标作为质点系的位矢，纵坐标作为质点系的质量，对每个数据分配一个加权系数，以所有的数据的加权平均值作为所求取光纤fbg传感器的波长：，其中代表序列值，代表光强值，i+1和k都是序列值的顺序编号。
14.优选的，所述信号处理模块的fft相位信息提取步骤，是通过快速傅里叶变换将时域信号，然后采用逐点比较法完成光纤fp传感器的频域信号极值的求取：，其中表示频域值；表示时域采样点；表示时序采样点的序列索引；为n/2次单位根；k为频域值的索引，；为进行fft变换的采样点的数量。
15.本发明提供的分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：（1）本方案通过将电路模块、光路模块和信号处理模块进行了集成，可以改善复杂工况下系统有线连接不方便的问题，如狭小空间不适用数据有线传输的场景；通过适应多通道、宽光谱调谐范围，可以完成对多个分布式布设的光纤传感器的解调，满足分布式监测的场景要求；（2）针对光纤fbp/fp传感器的光谱，采用波长、光强或者相位多特征来进行解调。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法的系统结构框图；图2为本发明分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法的信号处理模块的信号处理流程图；图3为本发明分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法的信号采集电路的采集过程示意图；图4为本发明分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法的变阈值光强提取的流程图；图5为本发明分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法的并行信号处理流程图。
18.附图标记：1、光路模块；2、电路模块；3、信号处理模块；11、可调谐环形腔激光器单
元；12、无源光路单元；111、soa；113、第一光隔离器；112、可调谐fp滤波器；114、第二光隔离器；115、光纤耦合器；121、光分路器；122、第一环形器；123、第二环形器；124、第三环形器；125、第四环形器；21、温度控制电路；22、恒流驱动电路；23、光电转换信号调理电路；24、信号采集电路；25、电源。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
20.如图1所示，一方面，本发明提供了本发明提供了一种分布式光纤传感多特征混合解调系统，包括：光路模块1与若干光纤传感器光路连接；光路模块1用于产生激励光信号，并将激励光信号大部分单向输出至若干光纤传感器中，少部分激励光信号还返回光路模块1中作为种子光信号，光路模块1还单向接收若干光纤传感器的反射光信号并进一步向外单向输出；电路模块2与光路模块1连接，电路模块2一方面驱动光路模块1工作，另一方面接收光路模块1单向输出的若干光纤传感器的反射光信号，对反射光信号进行光电转换和信号预处理；信号处理模块3与电路模块2的输出端电性连接，信号处理模块3依次通过变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤和fft相位信息提取步骤，对电路模块2的输出信号解调处理。如图1所示，通过将电路模块、光路模块和信号处理模块进行了集成，改善了现有解调仪不便于移动的不足。
21.具体的，进一步如图1所示，光路模块1包括可调谐环形腔激光器单元11和无源光路单元12；可调谐环形腔激光器单元11的输出端分别与其输入端和无源光路单元12的输入端光路连接，无源光路单元12还与若干光纤传感器光路连接，激励光信号经过无源光路单元12输出至若干光纤传感器，无源光路单元12还接收若干光纤传感器的反射光信号；若干光纤传感器包括光纤fbg传感器和光纤fp传感器。各光纤传感器可采用分布式设置，实现远程、多参数、多节点的分布式测量。
22.可调谐环形腔激光器单元11包括顺次设置的soa111、第一光隔离器113、可调谐fp滤波器112、第二光隔离器114和光纤耦合器115； soa111的输出端与第一光隔离器113的输入端光路连接，第一光隔离器113的输出端与可调谐fp滤波器112的输入端光路连接，可调谐fp滤波器112的输出端与第二光隔离器114的输入端光路连接，第二光隔离器114的输出端与与光纤耦合器115的输入端光路连接，光纤耦合器115的第一输出端与soa111的输入端光路连接，光纤耦合器115的第二输出端与无源光路单元12光路连接；光纤耦合器115的第一输出端和第二输出端的输出光的比例为10%：90%。
23.soa111即半导体光放大器，其放大效果与输入光功率、注入电流与其增益特性共同决定；可调谐fp滤波器112对soa的输出光滤波从而形成窄带输出光，其滤波效果由驱动信号频率、幅值与其频选特性共同决定；第一光隔离器113和第二光隔离器114有较高的耦
合效率而且能够保证光在谐振腔内单向循环，防止环形腔内光路的背向散射和反射；光纤耦合器115起到对光波分束的作用，其输入端与一个输出端与在环形腔内与其它器件相连形成环形谐振腔，另一个输出端作为可调谐环形腔激光器装置的输出端与无源光路单元12光路连接。soa的功能可采用光与物质之间的相互作用来表示，由外部的偏置电流提供有源区的载流子，同时光信号也注入到soa 中，驱动电流使价带中的电子受激跃迁到导带，电子与空穴复合释放能量产生光子，在输入信号的激发下受激辐射，该过程中产生的光子与放大的输入光完全相同，因此输入光信号得到放大，放大程度主要与载流子浓度以及受激辐射复合中心角频率有关：，其中为光速；是有源区折射率；是辐射复合载流子寿命；是普朗克常量；是电子质量；是空穴质量。
24.可调谐fp滤波器112的结构主要由两根端面都镀有高反射膜的单模光纤以及压电陶瓷构成。单模光纤固定在毛细玻璃管中镀高反膜，通过环氧树脂固定在压电陶瓷上。两根单模光纤的镀膜端面严格的平行，中间空隙为空气介质，通过改变压电陶瓷驱动电压调谐两根光纤端面之间的距离。可调谐fp滤波器的平行反射镜之后是光纤，能够和光纤器件进行很好的连接。光纤端面所镀高反膜为高低折射率交替的介质膜，每一层膜的光学厚度均为，为入射光中心波长；在可调谐fp滤波器112的输出端相位差满足，或者光程差满足，为入射光波长；为调谐腔长；为干涉级数，m=0,
±
1,
±
2,
…
；由此可以得到，改变相位差即可以实现对滤波器的调谐，若对上式两边关于微分，。可调谐ffp滤波器即通过调谐腔长来选择输出的波长，通过施加于压电陶瓷的驱动电压来控制fp腔长，不同驱动电压将与可调谐fp滤波器出射光的不同波长相对应。
25.可调谐fp滤波器的频选特性由自由光谱范围、半高全宽以及精细度决定，自由光谱范围是透射谱中相邻峰值对应的参量之间的差值，若透射谱是以波长为自变量，则fsr为相邻透射峰值对应的波长差。fp滤波器干涉的极大值条件为相邻光束的光程差等于入射光波长的整数倍：。如果光源是非单色光，将可能出现不同级次光谱重叠的现象。假设在f-p滤波器的中心处光程差为2d或者2d的整数倍，，即波长的入射光第m+1级干涉和波长的入射光第m级干涉条纹会重叠，和的差值为，并且，为和的平均波长。如果光源中波长的差值小于，那么这种重叠现象将不会发生。腔长d越大，可调谐fp滤波器透射谱越细窄；镜面反射率
越大，可调谐f-p滤波器透射谱细窄。精细度定义为相邻透射峰值对应的波长差fsr与半高全宽fwhm的比值：。
26.可调谐fp滤波器112的驱动采用“dds信号发生器+放大电路”方案，dds是直接数字式频率合成器（direct digital systhesizer），与传统的频率合成器相比，dds具有低成本、低功耗、高分辨率和快转换时间的优点。其基本结构有四部分，分别是相位累加器、相位调制器、波形数据表rom、d/a转换器等：主要的参数有两个，一个是频率字，一般为整数，数字的大小与输出频率大小负相关；一个是相位字，数字的大小控制输出信号的相位偏移。相位累加器是整个 dds 的核心，在这里完成相位累加，生成相位码。假设相位累加器的输入为频率字输入 k’，表示相位增量，设其位宽为 p，满足等式k
’ꢀ
= 2p * f
out
/ f
clk
，f
out
为输出信号的频率，f
clk
为时钟频率。若采样数据点个数是4096个，则对应每次驱动过程输出4096个电压值，要达到良好的驱动效果，则需采用分辨率足够高的dac芯片，建议分辨率大于12位。采用锯齿波驱动方案，设计好放大电路的峰值电压与偏置电压，使其达到想要的扫频波长范围。则每次驱动过程相邻两驱动电压的最小值表达式为：，为放大电路的放大倍数；为dac输出电压的范围；表示dac的分辨率。soa111的放大自发辐射ase经过可调谐fp滤波器112后在可调谐环形腔激光器单元11的环内每绕行一圈都得到放大，谱线宽度变窄，如此不断滤波反馈，滤波器通带内的光不断得到放大，最终趋于soa的饱和输出功率，形成稳定激光。
27.无源光路单元12包括光分路器121和若干环形器，在一种实施例中，采用了四个环形器，为了便于区分，各环形器按顺序编号为第一环形器122，第二环形器123，第三环形器124和第四环形器125，需要说明的是，该处给定环形器的数量只是为了便于说明，并不视为对方案的具体限定。若干环形器均包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与第二端口单向连通，第二端口与第三端口单向连通；光分路器121的输入端与光纤耦合器115的第二输出端光路连接，光分路器121的输出端分别与若干环形器的第一端口光路连接，若干环形器的第二端口分别与一光纤传感器光路连接，若干环形器的第三端口均与电路模块2光路连接；各环形器的第二端口既向光纤传感器发出的激励光信号，又接收光纤传感器的反射光信号，并通过第三端口将反射光信号单向输出至电路模块2。
28.可调谐环形腔激光器单元11输出的激光入射到光纤传感器中，当可调谐fp滤波器112的扫描波长与光纤fbg传感器的反射光谱中心波长相等时，电路模块2的光电转换信号调理电路23的光电二极管探测到的光能量最大；此时，采集光电二极管输出的电信号，当电信号最大时，记录相应的锯齿波电压，然后根据锯齿波电压与波长的关系得到反射波长及相关光学参数。在相邻两个精细谱线间调谐的最快时间为，为光纤中光的传播速度；表示达到稳定激光输出的最小环形圈数；表示可调谐环形腔
激光器单元11的环形腔的长度。
29.电路模块2包括温度控制电路21、恒流驱动电路22、若干光电转换信号调理电路23和信号采集电路24；温度控制电路21和恒流驱动电路22均设置在可调谐环形腔激光器单元11处并与可调谐环形腔激光器单元11电性连接，温度控制电路21用于维持可调谐环形腔激光器单元11的温度稳定，恒流驱动电路22用于驱动可调谐环形腔激光器单元11稳定工作；若干光电转换信号调理电路23的输入端与无源光路单元12的输出端连接，对各光纤传感器的反射光信号对应进行光电转换，并对光电转换后的信号进行放大和滤波；信号采集电路24的输入端与若干光电转换信号调理电路23的输出端一一对应电性连接，用于将光电转换信号调理电路23的输出信号进行模数转换处理。另外，如图1所示，为了提供稳定的工作条件，还配置了电源25的部分，用于为温度控制电路21、恒流驱动电路22、若干光电转换信号调理电路23和信号采集电路24提供能源。
30.其中，soa111是发热的光功率器件，采用半导体制冷片tec、热敏电阻、激光器本体一体化封装，温度控制电路21是对soa 111的tec进行控制，通过热敏电阻采集端口与soa111的温度感应信号，来获取soa111的表面温度，并反馈调节半导体制冷片tec的制冷量，使贴合soa111的半导体制冷片tec的冷端的温度保持稳定，使soa111维持在稳定工作状态。热敏电阻可以通过低温漂的精密电阻串联的总阻值的大小来指示soa111的表面的当前温度，并构成闭环反馈。热敏电阻的阻值温度曲线是非线性的，通过查表可以获得在特定温度下的阻值，从而间接获取对应的soa111的表面温度，在此不再赘述。
31.恒流驱动电路22是用于驱动可调谐环形腔激光器单元11的主要激发部件即soa111的，其输出端直接与soa111的驱动引脚焊接在一起即可，恒流驱动电路22由恒流驱动芯片及其周围电路构成，该芯片包含多路精密电流输出端口，每通道均可编程且含有一个单独的电源引脚，满量程输出300ma，可采用单独一路或并用多路的方式驱动soa。该芯片由spi通信方式连接到电路模块中，最快通信时钟支持50mhz。恒流驱动芯片可以选用max16807芯片，并接的输出引脚的数量不同，输出的电流大小相应改变。
32.信号采集电路24包括模数转换芯片和fpga芯片；模数转换芯片adc的各输入通道与若干光电转换信号调理电路23的输出端一一对应电性连接；模数转换芯片adc的至少两路输入通道交替开启并将若干光电转换信号调理电路23的输出信号进行模数转换，将转换后的数字量发送至fpga芯片中的fifo缓存模块进行存储。模数转换芯片adc基于双cmos流水线多步转换器进行四通道电信号采集，最低采样率1mhz，14位分辨率，采用spi协议实现与fpga的通信，内部包含两个独立的adc模块。以对应四个环形器额结构为例，模数转换芯片adc使用了两组共四个输入通道，其中一组输入通道为a0和b0，另一组输入通道为a1和b1，故在两个采集时钟周期内完成一次四通道信号的采集，t0所示为通道a0和b0的采集时间，t1为通道a1和b1的采集时间。fpga芯片及周围接口电路，主要功能是实现信号的接收、暂存、处理、计算及后续接口通信，由于采集信号频率较高，数据量较大，故使用fpga进行并行数据和采集处理计算，配合高速ddr内存芯片，处理能力高，运算速度快，完成数据并行高速处理。
33.图3为信号采集电路24对adc采集后并转换的数字信号，采用状态机转移的方式完成对整个采集过程的划分，整个采集过程分为七个状态：1、初始状态：设置片选信号、时钟信号为高电平，串口通信写入为高阻态；
2、写入状态，设置串口通信写入为指定的命令，包括通信地址，两级寄存器设置等，同时拉低片选信号，输出时钟信号；3、等待状态，根据手册时序图要求，设置等待时间，期间拉低片选信号；4、转换状态1，接收a0、b0两个adc输入通道的输入信号并进行转换，同时向串口通信写入发送空指令；5、应答状态1：向输出端输出a0、b0两个adc输入通道转换后的数据；6、转换状态2，接收a1、b1两个adc的输入信号并进行转换，同时向串口通信写入发送空指令；7、应答状态2：向输出端输出a1、b1两个adc输入通道转换后的数据。
34.另外，本发明提供了一种分布式光纤传感多特征混合解调方法，是构建上述的分布式光纤传感多特征混合解调系统，在信号处理模块3获取电路模块2输出的光电转换和信号预处理的结果后，信号处理模块3顺次执行变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤和fft相位信息提取步骤，并将解调的结果打包发送到上位机。
35.如图2所示，信号处理模块3的工作过程主要包括变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤、fft相位信息提取步骤和解调信息传输步骤。下面分别进行说明。
36.s31、信号处理模块3的变阈值光强提取步骤，参照图5，具体包括如下步骤：s301：确定最值变量和阈值th：是对信号采集电路24输出的一路光电转换信号调理电路23对应的模数转换处理的数字量的阈值进行逐一比较，将输出数字量的最大值作为该路输出的最值变量；按该最值变量的一定比例确定阈值th的大小；fpga内设置了最值变量寄存器，用于暂存最值变量的值n
max
；并且在暂存的过程中，写入最值变量寄存器内的最值变量保持不变，并在下一个光谱采集的开始阶段将最值变量寄存器置零，实现可变阈值处理工作。作为一种优选的实施方式，按该最值变量的一定比例确定阈值th的大小，是按最值变量的75%作为阈值th的大小。需要说明的是，每一路模数转换处理的数字量的阈值均需要相应的最值变量来确定，不同的输入的最值变量不一定相等。
37.s302：起始态判断：判断数据点n
i+1
、ni与th的大小关系，如果满足n
i+1
》th且ni《th，进入下一步骤s303；ni与n
i+1
分别为采样时刻i和i+1对应的数字量，相邻采用时刻之间间隔的采样周期固定不变；参照图4的流程，判断是否满足n
i+1
》th且ni《th，当不满足时，i自增1，重新进行条件比较，满足n
i+1
》th且ni《th条件或者当前i的取值达到上限时，如图4中的2048，则停止上述对比过程，将n
i+1
的值作为最值变量的值写入最值变量寄存器中，直到当前模数转换处理的数字量全部对比完成。
38.s303：上升态判断：如果满足n
i+1
》ni》th，则缓存满足该条件的数据点到fpga的缓冲模块中；标记各数据点与序列值并进入下一步骤s303。
39.s304：下降态判断：如果满足ni》n
i+1
》th，则缓存满足该条件的数据点到fpga的缓冲模块中；标记各数据点与序列值进入下一步骤s305。
40.s305：终止态判断：如果满足n
i+1
《th且ni》th，则跳转回步骤s302继续搜寻，直到搜寻结束停止变阈值光强提取。
41.s32、信号处理模块3的质心法波长提取步骤，是对超过阈值th的各数据点对应的光谱，通过质心寻峰算法提取波长信息，将横坐标作为质点系的位矢，纵坐标作为质点系的质量，对每个数据分配一个加权系数，以所有的数据的加权平均值作为所求取光纤fbg传感
器的波长：，其中代表序列值，代表光强值，i+1和k都是序列值的顺序编号。
42.s33、信号处理模块3的fft相位信息提取步骤，是通过快速傅里叶变换将时域信号，然后采用逐点比较法完成光纤fp传感器的频域信号极值的求取：，其中表示频域值；表示时域采样点；表示时序采样点的序列索引；为n/2次单位根；k为频域值的索引，；为进行fft变换的采样点的数量。
43.s34、完成上述的解调信息提取后，采用串口通信方式完成多通道解调结果信息拼接与发送功能。因为串口通信过程涉及到跨时钟域信号的传输，故接收到多通道的解调结果后将各通道信息延长读取时间并打包发送到上位机进行显示。该过程可以采用有线或者无线方式传输。
44.如图5所示，为加快信号处理过程，采用多线程并行处理方式，对信号处理模块的整体时序做分割，第一阶段为信号采集过程，同时进行最值判定；在第二次光谱采集开始时进行光谱光强、波长、相位信息的提取，第三阶段完成解调结果传输。
45.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.分布式光纤传感多特征混合解调系统，其特征在于，包括：光路模块（1），与若干光纤传感器光路连接；所述光路模块（1）用于产生激励光信号，并将激励光信号单向输出至若干光纤传感器中，所述光路模块（1）还单向接收若干光纤传感器的反射光信号并进一步向外单向输出；电路模块（2），与光路模块（1）连接，所述电路模块（2）一方面驱动光路模块（1）工作，另一方面接收所述光路模块（1）单向输出的若干光纤传感器的反射光信号，对反射光信号进行光电转换和信号预处理；信号处理模块（3），与所述电路模块（2）的输出端电性连接，所述信号处理模块（3）依次通过变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤和fft相位信息提取步骤，对电路模块（2）的输出信号解调处理。2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感多特征混合解调系统，其特征在于，所述光路模块（1）包括可调谐环形腔激光器单元（11）和无源光路单元（12）；可调谐环形腔激光器单元（11）的输出端分别与其输入端和无源光路单元（12）的输入端光路连接，无源光路单元（12）还与若干光纤传感器光路连接，激励光信号经过无源光路单元（12）输出至若干光纤传感器，无源光路单元（12）还接收若干光纤传感器的反射光信号；若干光纤传感器包括光纤fbg传感器和光纤fp传感器。3.根据权利要求2所述的分布式光纤传感多特征混合解调系统，其特征在于，所述可调谐环形腔激光器单元（11）包括顺次设置的soa（111）、第一光隔离器（113）、可调谐fp滤波器（112）、第二光隔离器（114）和光纤耦合器（115）；所述soa（111）的输出端与第一光隔离器（113）的输入端光路连接，第一光隔离器（113）的输出端与可调谐fp滤波器（112）的输入端光路连接，可调谐fp滤波器（112）的输出端与第二光隔离器（114）的输入端光路连接，第二光隔离器（114）的输出端与与光纤耦合器（115）的输入端光路连接，光纤耦合器（115）的第一输出端与soa（111）的输入端光路连接，光纤耦合器（115）的第二输出端与无源光路单元（12）光路连接；光纤耦合器（115）的第一输出端和第二输出端的输出光的比例为10%：90%；所述无源光路单元（12）包括光分路器（121）和若干环形器，若干环形器均包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与第二端口单向连通，第二端口与第三端口单向连通；光分路器（121）的输入端与光纤耦合器（115）的第二输出端光路连接，光分路器（121）的输出端分别与若干环形器的第一端口光路连接，若干环形器的第二端口分别与一光纤传感器光路连接，若干环形器的第三端口均与电路模块（2）光路连接；各环形器的第二端口既向光纤传感器发出的激励光信号，又接收光纤传感器的反射光信号，并通过第三端口将反射光信号单向输出至电路模块（2）。4.根据权利要求3所述的分布式光纤传感多特征混合解调系统，其特征在于，所述电路模块（2）包括温度控制电路（21）、恒流驱动电路（22）、若干光电转换信号调理电路（23）和信号采集电路（24）；温度控制电路（21）和恒流驱动电路（22）均设置在可调谐环形腔激光器单元（11）处并与可调谐环形腔激光器单元（11）电性连接，温度控制电路（21）用于维持可调谐环形腔激光器单元（11）的温度稳定，恒流驱动电路（22）用于驱动可调谐环形腔激光器单元（11）稳定工作；若干光电转换信号调理电路（23）的输入端与无源光路单元（12）的输出端连接，对各光纤传感器的反射光信号对应进行光电转换，并对光电转换后的信号进行放大和滤波；信号采集电路（24）的输入端与若干光电转换信号调理电路（23）的输出端一一对应电
性连接，用于将光电转换信号调理电路（23）的输出信号进行模数转换处理。5.根据权利要求4所述的分布式光纤传感多特征混合解调系统，其特征在于，所述信号采集电路（24）包括模数转换芯片和fpga芯片；模数转换芯片的各输入通道与若干光电转换信号调理电路（23）的输出端一一对应电性连接；模数转换芯片的至少两路输入通道交替开启并将若干光电转换信号调理电路（23）的输出信号进行模数转换，将转换后的数字量发送至fpga芯片中的fifo缓存模块进行存储。6.分布式光纤传感多特征混合解调方法，其特征在于，构建如权利要求4-5任一项所述的分布式光纤传感多特征混合解调系统，在信号处理模块（3）获取电路模块（2）输出的光电转换和信号预处理的结果后，信号处理模块（3）顺次执行变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤和fft相位信息提取步骤，并将解调的结果打包发送到上位机。7.根据权利要求6所述的分布式光纤传感多特征混合解调方法，其特征在于，所述信号处理模块（3）的变阈值光强提取步骤，包括如下步骤：s301：确定最值变量和阈值th：是对信号采集电路（24）输出的一路光电转换信号调理电路（23）对应的模数转换处理的数字量的阈值进行逐一比较，将输出数字量的最大值作为该路输出的最值变量；按该最值变量的一定比例确定阈值th的大小；s302：起始态判断：判断数据点n
i+1
、n
i
与th的大小关系，如果满足n
i+1
>th且n
i
<th，进入下一步骤s303；n
i
与n
i+1
分别为采样时刻i和i+1对应的数字量，相邻采用时刻之间间隔的采样周期固定不变；s303：上升态判断：如果满足n
i+1
>n
i
>th，则缓存满足该条件的数据点到fpga的缓冲模块中；标记各数据点与序列值并进入下一步骤s303；s304：下降态判断：如果满足n
i
>n
i+1
>th，则缓存满足该条件的数据点到fpga的缓冲模块中；标记各数据点与序列值进入下一步骤s305；s305：终止态判断：如果满足n
i+1
<th且n
i
>th，则跳转回步骤s302继续搜寻，直到搜寻结束停止变阈值光强提取。8.根据权利要求7所述的分布式光纤传感多特征混合解调方法，其特征在于，所述按该最值变量的一定比例确定阈值th的大小，是按最值变量的75%赋值给阈值th。9.根据权利要求6所述的分布式光纤传感多特征混合解调方法，其特征在于，所述信号处理模块（3）的质心法波长提取步骤，是对超过阈值th的各数据点对应的光谱，通过质心寻峰算法提取波长信息，将横坐标作为质点系的位矢，纵坐标作为质点系的质量，对每个数据分配一个加权系数，以所有的数据的加权平均值作为所求取光纤fbg传感器的波长：，其中代表序列值，代表光强值，i+1和k都是序列值的顺序编号。10.根据权利要求6所述的分布式光纤传感多特征混合解调方法，其特征在于，所述信号处理模块（3）的fft相位信息提取步骤，是通过快速傅里叶变换将时域信号，然后采用逐点比较法完成光纤fp传感器的频域信号极值的求取：
，其中表示频域值；表示时域采样点；表示时序采样点的序列索引；为n/2次单位根；k为频域值的索引，；为进行fft变换的采样点的数量。

技术总结
本发明提出了分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法，包括：光路模块，与若干光纤传感器光路连接,用于产生激励光信号，并将激励光信号单向输出至若干光纤传感器中，还单向接收若干光纤传感器的反射光信号并进一步向外单向输出；电路模块与光路模块连接，一方面驱动光路模块工作，另一方面接收所述光路模块单向输出的若干光纤传感器的反射光信号，对反射光信号进行光电转换和信号预处理；信号处理模块与所述电路模块的输出端电性连接，信号处理模块依次通过变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤和FFT相位信息提取步骤，对电路模块的输出信号解调处理。的输出信号解调处理。的输出信号解调处理。


技术研发人员：李天梁 周浩田 步岩平 朱江林 谭跃刚 周祖德
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.09.11
技术公布日：2023/10/20