● 摘要
基于布里渊散射的分布式传感技术能够同时实现多个物理量的分布式检测，大大降低了单位信息的获取成本，具有很高的学术价值和市场前景。分布式光纤传感技术的关键在于光纤内特定位置信息的提取方法及提取精度，它对数据采集系统的信噪比、采样速率、精确性、实时性和数据传输的高效性等都提出了更严格的要求。本文在简单分析基于BOTDR(布里渊光时域反射技术)的分布式光纤传感器输出信号特性的基础上，根据传感器的技术指标，提出了相应的高速数据采集系统的各项技术指标要求，主要包括系统信噪比、采样速率及量化位数、缓存深度及操作速度、数据传输速度、调制脉冲宽度与重复频率和系统同步性要求等，并研制了基于A/D转换器+FPGA+PCI总线结构的高速数据采集电路和相应的驱动程序和应用程序软件。为了检测传感器输出的微弱(mV级)、宽带( )脉冲信号，信号调理部分采用截止频率可调的低通滤波器和三级放大电路实现，并研究了其中各组成部分对信噪比的贡献；分析了影响A/D转换器性能的因素，提出了提高高速高分辨率A/D转换器的实际分辨率的措施；为了增强抗干扰能力、提高信噪比、实时和高速的传输数据，数据缓存以“乒乓”形式在FPGA内部实现，数据预处理部分采用数字平均滤波技术，传输部分采用性能优异的PCI总线实现总线接口；提出了“四循环握手”协议实现FPGA内多时钟系统之间信息的快速、准确交换；同时，利用D触发器设计了性能可靠的本地总线仲裁和PCI总线中断处理逻辑电路。另外，为了缩短开发周期又使所开发的采集系统满足高效性要求，选择了DriverStudio作为PCI总线驱动程序的开发工具，并设计了相应的应用程序。不采用数据预处理技术时，系统的采样速率能达到100MSPS，在外部输入10MHz、 的正弦信号情况下，系统信噪比 、有效位数 ，它满足基于BOTDR的分布式光纤传感器提出的采样速率及有效位数的技术指标要求；当采用数据预处理技术时，系统的采样速率只能达到52.23MSPS，逻辑程序待优化。