FPGA tabanlı Optik Fiber Titreşim Konumlandırma Sisteminin "İyi Tasarım Kağıdı" Tasarımı ve Uygulaması
Özet: Savunma bölgesinin çevresi işgal edildiğinde gerçek zamanlı olarak yer bulamama ve alarm verememe sorununa yönelik olarak, gerçek zamanlı olarak konumlandırılabilen dağıtılmış bir fiber optik titreşim konumlandırma sistemi tasarlanıp uygulanmaktadır. Optik yol, Mach-Zehnder fiber girişim teknolojisine dayanılarak oluşturulmuştur ve yüksek hızlı ADC ile birleştirilen FPGA'nın donanım platformu, iki sinyali optik yoldan dönüştürmek ve toplamak için kullanılır ve titreşim konumunu elde etmek için toplanan sinyalleri işlemek için ana algoritma olarak çapraz korelasyonu kullanır. Test, 160 m optik bir yolda gerçekleştirilir ve sistem, titreşim meydana geldikten sonra 500 ms içinde titreşim konumunu verebilir. Örnekleme hızı 10 MHz'e ayarlanmıştır ve birçok konumlandırma testinden sonra sistemin gerçek konumlandırma hatası ± 10 m'dir. Ve konumlandırma üst bir bilgisayar gerektirmez, bu da cihazın taşınabilirliğini artırır ve maliyeti düşürür.
Çince alıntı biçimi: Luo Yijun, Fang Li.FpGA'ya dayalı bir optik fiber titreşim konumlandırma sisteminin tasarımı ve uygulaması. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (10): 60-63.
İngilizce alıntı biçimi: Luo Yijun, Fang Li.FpGA'ya dayalı fiber optik titreşim konumlandırma sisteminin tasarımı ve uygulaması.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (10): 60-63.
0 Önsöz
Fiber optik sensör, fiber yerleştirme hattı boyunca herhangi bir noktada titreşim bilgilerini tespit edebilir.Bunların arasında, interferometrik sensörün fiber optikindeki optik güç kaybı küçüktür ve karmaşık ortam izleme ve çevre güvenliği için uygundur. Çift Mach-Zehnder girişim yapısına dayanan dağıtılmış fiber optik titreşim konumlandırma sistemi, uzun algılama mesafesi ve elektromanyetik girişime karşı bağışıklık avantajlarına sahiptir. Pek çok araştırmacı bu teknolojiyi geliştirdi ve belirli sonuçlar elde etti, ancak yine de yavaş tespit ve büyük hatalar gibi sorunlar var. Çoğu araştırmacı, verileri topladıktan sonra ana bilgisayar tarafından algoritma bölümünü tamamlar, bu da bir hesaplama sürecinin uzunluğunu büyük ölçüde artıracaktır. FPGA yüksek hızda çalışır, yüksek esnekliğe sahiptir ve büyük veri çıkışı ve yüksek hız gibi sorunların ele alınmasında bariz avantajlara sahiptir. Bu avantajlara dayanarak, bu makale, Mach-Zehnder girişim teknolojisine dayalı bir optik fiber titreşim konumlandırma güvenlik sistemi tasarlamak için bir platform olarak FPGA'yı kullanır.
1 Sistem ilkesi analizi
1.1 Konumlandırma prensibi
Sistemdeki optik yol modeli Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekilde, L1 ve L2 titreşimli kol ve referans kol, L3 kılavuz fiber, C1, C4, C5 optik bağlayıcılar ve C2, C3 optik sirkülatörlerdir. Optik yol modeli, çift Mach-Zehnder fiber parazit teknolojisine dayanmaktadır. Titreşimli kolda C4 R mesafesinde bir izinsiz giriş meydana geldiği varsayıldığında, titreşim konumu şu şekildedir:
Formülde c ışık hızı, n fiberin kırılma indisi ve L1 ve L3 sabit değerlerdir.Bu nedenle, iki dedektöre ulaşan iki sinyal arasındaki zaman farkı t ölçülerek saldırı pozisyonu R elde edilebilir.
Sistem doğruluğu, iki bitişik örnekleme noktası arasındaki örnekleme süresinin uzunluğu ile elde edilebilir, yani:
1.2 Titreşim sinyali analizi
Pratik uygulamalarda, dış faktörler sinyal kalitesini etkileyecektir.Algoritmanın uygulanabilirliğini sağlamak için titreşim sinyalinin özelliklerini elde etmek için önce sinyal analiz edilmelidir. Bu makale, titreşim sinyalini ve gürültü tabanını toplamak için yüksek hızlı ADC ile birlikte FPGA'yı kullanır ve toplanan sinyal üzerinde spektrum analizi yapmak için MATLAB kullanır. Birden fazla edinim ve analizden sonra, titreşim sinyalinin frekans aralığı esas olarak 200 Hz ila 10 kHz arasında dağıtılır ve titreşim sinyalinin genliği, gürültü genliğinden çok daha büyüktür. Buna göre, karşılık gelen filtre, gürültüyü filtrelemek ve yalnızca titreşim sinyalini tutmak için tasarlanabilir. Şekil 2 ve Şekil 3 sırasıyla bir saldırı titreşim sinyalinin dalga biçimini ve frekans spektrumunu göstermektedir.
1.3 Konumlandırma algoritması tasarımı
Filtrelemeden sonra iki kanallı dalga biçimi şekli hala çok benzerdir ve sinyal zaman gecikmesi değişmez, bu nedenle çapraz korelasyon algoritması iki kanallı sinyalin zaman farkını elde etmek için sinyali işlemek için kullanılabilir. Çapraz korelasyon formülü formül (7) 'de gösterilmiştir:
2 Sistem yapısı ve blok şeması
2.1 Sistem blok şeması
Yukarıdaki analize dayanarak Şekil 4'te gösterilen sistem tasarlanabilir.
Optik yoldaki titreşimden sonra parazit oluşturan optik sinyal bir elektrik sinyaline dönüştürülür ve daha sonra bir koşullandırma devresi tarafından işlenir Veriler, FPGA yüksek hızlı edinim kartı tarafından toplanır ve algoritma tarafından işlenir Algılama sonucu, ana bilgisayar tarafından görüntülenebilir.
2.2 Ana algoritmanın FPGA uygulaması
FPGA blok diyagramı Şekil 5'te gösterilmektedir.
Titreşim konumunu bulmak için önce sinyalin hangi segmentinin titreşim sinyali olduğunu belirlemeliyiz. Optik fiberin statik bir durumda titreşimi, toplanan verilerin dağılımını artıracaktır, bu nedenle varyans algoritması, titreşimin başlangıç noktasını elde etmek için kullanılabilir. Tasarımda, toplanan verilerin varyans hesaplamasına devam edilir ve varyans eşiği belirlenir. Birden fazla ardışık hesaplamanın sonuçları eşikten büyükse, titreşimin oluştuğu yargısına varılır. Bundan sonra toplanan veriler titreşim verileridir ve her bir titreşimin süresi 500 ms'den fazla, 10 MS / s'lik bir örnekleme hızında hesaplanırsa, her seferinde en az 5.000.000 veri toplanabilir ve bu veriler, çoklu işlemler için çapraz korelasyon modülünü karşılayabilir. Bu nedenle, titreşimi değerlendirmek için FPGA'da bir varyans programı tasarlanmıştır. Şekil 6, tasarlanan FPGA programındaki varyansın yapı diyagramıdır ve Şekil 7, Quartus II'de tasarlanan varyans modülünün üst seviye diyagramıdır.
Titreşim oluşumunu değerlendirdikten sonra, filtrelenmiş sinyal çapraz korelasyon hesaplama modülüne gönderilir. Bu makale, depolamaya ihtiyaç duymayan ve gerçek zamanlı olarak hesaplanabilen paralel bir hesaplama çapraz korelasyon yapısı tasarlamaktadır. Ana titreşim sinyalinin düşük frekansı yaklaşık 200 Hz olduğundan, sinyalin en az bir döngü, yani 50 ms için toplanması gerekir. 10 MS / örnekleme hızı kullanılırsa, bu yapı karşılıklı bir alışverişi tamamlamak için 50 ms içinde 500.000 veriyi işleyebilir. Korelasyon hesaplamaları için, bir titreşim için yaklaşık 10 çapraz korelasyon hesaplaması gerçekleştirilebilir. Şekil 8, tasarlanan FPGA programındaki çapraz korelasyon yapı diyagramıdır ve Şekil 9, Quartus II'deki çapraz korelasyon modülünün en üst seviye diyagramıdır.
Bu konumda titreşimin meydana geldiğini kanıtlamak için tek bir hesaplama sonucu yeterli değildir Rüzgar ve yağmur titreşen kolun tamamının titremesine neden olabilir Bu durumun etkisini ortadan kaldırmak için toplamda yaklaşık 500 ms süren 10 ardışık çapraz korelasyon sonucu kaydedilmiştir. 10 defadan 5 defadan fazla ise sonuç aynı ise, lokasyona bir izinsiz giriş olduğu tespit edilir. Bu basit tedavi, invaziv olmayan durumların neden olduğu birçok yanlış tetikleyiciyi etkili bir şekilde önler. Şekil 10, Quartus II'deki çapraz korelasyon sonuç işleme modülünün en üst seviye diyagramıdır.
Çapraz korelasyon hesaplama sonucu, iki veri kanalı tarafından geciktirilen nokta sayısıdır, bu nedenle gecikme noktalarının sayısını örnekleme oranına, fiber kırılma indisine ve ışık hızına göre gerçek titreşim konumuna dönüştürmek gerekir.
3 Deneysel sonuçlar
Yukarıdaki analiz ve tasarıma dayanarak, bir dizi deneysel ekipman yapılmıştır. Cihaz sisteminin optik yol kısmı, topluluğun çiti üzerine döşenen piyasada yaygın olarak kullanılan 8 çekirdekli optik kabloyu kullanır ve titreşimli kolun toplam uzunluğu yaklaşık 160 m'dir. Fotoelektrik dönüştürme parçası PIN lazer tüpünü kullanır. Çoğu sistemde kullanılan PINFET fotodedektörlerle karşılaştırıldığında, bu lazer tüpü daha yüksek gürültü direncine ve daha düşük maliyete sahiptir. Bağlayıcı ve optik sirkülatör, harici parazitleri ve hasarı önlemek için örgülü kutuya yerleştirilmiştir.
Sistem devre kısmı laboratuvara yerleştirilir. Analogdan dijitale dönüştürücü, ADI'nin yüksek hızlı ADC AD9643'ünü kullanır, çift kanallı örneklemede her kanalın örnekleme hızı 125 MS / s'ye kadardır, ADC örnekleme hızı testte 100 MS / s'ye ayarlanır ve örnekleme verisi, veri hızının gerçek örnekleme olması için aşağı örneklenir. Hız f = 10 MS / s ise, sistem konumlandırma doğruluğu:
FPGA, Altera'nın CycloneIV serisi ürünü EP4CE115F23I'yi kullanır.Bu FPGA çipi düşük fiyatlıdır, birçok pin ve sistem tasarım gereksinimlerini karşılayabilen zengin mantık kaynaklarına sahiptir. Geliştirme yazılımı, Altera Company'nin Quartus II'sini kullanır. Programı JTAG aracılığıyla FPGA'ya indirin ve her modülün temel sinyallerini yakalamak ve doğrulamak için signalTapII'yi kullanın. Şekil 11, varyans modülünün sinyal dalga formudur ve Şekil 12, toplanan titreşim dalga formu ve çapraz korelasyon sinyalinin dalga formudur.İki dalga formunun benzer ve yüksek bir korelasyona sahip olduğu görülebilir.
Yakalanan sinyalleri gözlemledikten ve ayarladıktan sonra, FPGA iş sırası tasarımla tutarlıdır. Daha sonra genel fonksiyon testi yapılır. Genel testte, hücre kapısı 0 başlangıç noktası olarak alınır ve yerleştirilen optik fiber, her 10 metrede bir noktada test edilir Test sırasında, optik fiber tutularak veya hafifçe vurularak izinsiz giriş eylemi simüle edilir. Şekil 13, MATLAB kullanılarak 70 m'de bir çapraz korelasyon hesaplamasının sonucunu göstermektedir.
Gözlemi kolaylaştırmak için, konumlandırma sonuçlarını ana bilgisayara yükleyin ve her testte konumlandırma sonuçlarını görsel olarak gözlemleyebilirsiniz. Şekil 14, 100 m'de bir titreşim testinin sonuçlarının bilgisayar görüntüsünü göstermektedir.
Kullanılan optik kablonun dış tabakası sert olduğu için, test sırasında test noktasının titreşimi, yakınlardaki bir optik fiber bölümünü titreştirecek ve bu da konum sapmasına neden olacaktır.Bu nedenle, gerçek konum sapmasını gözlemlemek için her noktada çok sayıda test gerçekleştirilmelidir. Tablo 1, 3 test noktasının konumlandırma sonuçlarını göstermektedir ve her nokta 100 kez test edilmiştir.
Yukarıdaki test sonuçlarından, sistemin nispeten kararlı bir alarma sahip olduğu, yanlış alarm oranının küçük olduğu ve sistem konumlandırma hatasının, uzun mesafe güvenlik gereksinimlerini karşılayan izinsiz giriş konumundan itibaren 10 m içinde kararlı olduğu görülebilir.
4. Sonuç
Bu makale, gerçek zamanlı olarak konumlandırılabilen dağıtılmış bir fiber optik titreşim konumlandırma sistemi tasarlamak için bir platform olarak FPGA kullanır.Algoritma işlemi donanımda tamamlanır.Savunma bölgesinde titreşim meydana geldiğinde, sistem yanıt verebilir ve yaklaşık 500 ms içinde konumlandırma sağlayabilir ve saldırı eylemi İkinci derecededir, bu nedenle neredeyse titreşim anında yanıt verebilir. Gerçek ihtiyaçlara göre üst bilgisayar isteğe bağlıdır, bu nedenle maliyetten tasarruf edilir ve cihazın taşınabilirliği iyileştirilir. Gerçek ölçüm sonuçları, örnekleme hızının 10 MHz olarak ayarlandığını, sistem doğruluğunun ± 10 m olduğunu ve örnekleme oranının gerektiği gibi ayarlanabileceğini göstermektedir. Bununla birlikte, gerçek ortam genellikle daha karmaşıktır ve belirsizliğin tetiklenmesine neden olabilir, bu nedenle bu tür durumları ortadan kaldırmak için daha sonra başka algoritmalar eklenebilir.
Referanslar
Lin Wentai, Liang Sheng, Lou Shuqin, vb. Düşük yanlış alarm oranına sahip yeni bir optik fiber dağıtılmış titreşim algılama sistemi Kızılötesi ve Lazer Mühendisliği, 2015, 44 (6): 1845-1848.
Zheng Qian, Liu Hai.Optik fiber yer dalgası çevre güvenlik ekipmanının tasarımı ve uygulaması.Optik İletişim Araştırması, 2016 (4): 45-48.
Chen Qinnan .Çift Mach-Zengde dağıtılmış fiber optik titreşim algılamanın birkaç anahtar teknolojisi üzerine araştırma. Tianjin: Tianjin Üniversitesi, 2015.
Xu Yibao. FPGA'ya dayalı uzun mesafeli çok düğümlü optik fiber iletim sisteminin tasarımı ve uygulaması. Hefei: Anhui Üniversitesi, 2017.
Wang Xiaofeng, Wang Fudong, Chen Huanxin. Çift Mach-Zehnder optik fiber algılama sisteminin konumlandırma ilkesi ve algoritması Çin Yüksek Teknoloji Şirketi, 2017 (8): 19-20.
Xue Yingbo, Li Hong. Mikro sensör tespitinde çapraz korelasyon algoritmasının uygulanması Elektronik Tasarım Mühendisliği, 2015, 23 (1): 93-95.
yazar bilgileri:
Luo Yijun, Fang Li
(Elektronik Bilgi Okulu, Wuhan Üniversitesi, Wuhan 430072, Hubei)
