引用本文:
刘仁华,罗义军:基于LMS算法和线性插值的光纤扰动定位系统[J]. 光通信技术,2019,43(4):58-62.
刘仁华,罗义军
(武汉大学 电子信息学院,武汉 430072)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:目前光纤扰动监测系统的定位算法以互相关为主,存在定位精度低、实时性差和稳定性不够的问题。基于上述现象,研究并运用最小均方(LMS)算法和线性插值原理,设计出一种精度高、实时定位的光纤扰动定位系统。检测光路采用双马赫-曾德尔分布式干涉结构,定位算法以两段式步长调整的LMS时延估计为主,对LMS估计结果的差分进行线性插值能额外提高定位精度,定位算法的实现和数据处理在FPGA内进行。多次光纤敲击实验表明:系统响应时间在0.45s左右;在采样率为10MHz的条件下,系统定位精度达到±6m,且较为稳定可靠。
关键词:变步长LMS;线性插值;FPGA;光纤扰动定位
中图分类号:TN247 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2019)04-0058-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.04.013
0 引言
在长距离监测、周界安防和管道保护等应用场景中,双马赫-曾德尔(M-Z)分布式干涉定位系统以其造价低廉、传感距离远而极受欢迎[1]。但扰动定位算法以互相关运算为主,目前仍存在检测精度不高、稳定性不够和实时性差等缺陷[2]。相比于互相关函数估计,最小均方(LMS)时延估计算法具有闭环反馈结构,能根据实际环境匹配滤波结构参数[3]。固定步长因子的LMS算法无法解决收敛速度和稳态误差相互制约的矛盾,而多数变步长方案通过构造递减函数来实现,存在待调参数多且调节困难的问题。此外,提高系统定位精度的手段以增大采样率为主,但这样会导致硬件成本和数据计算量增大。
采用两段式步长调整能同时兼顾收敛速度和误差,且参数调节方便。而通过对LMS估计结果的差分进行线性插值,可以充分利用延迟点信息,额外减小定位误差。现场可编程门阵列(FPGA)可以多路并行运算,支持高数据吞吐率[4],非常适合完成采集数据的处理。本文将变步长LMS算法和线性插值理论用于光纤扰动定位,由FPGA完成数据处理,提高定位系统的精度和适应性。
5 结束语
本文提出了一种基于变步长LMS算法和线性插值的光纤扰动定位系统设计方案,并在FPGA平台上进行了实现。对比于互相关定位算法,LMS时延估计算法采用闭环反馈结构,自动调整结构参数,对变化环境具有自适应性。两段式步长调整实现简单,并能明显缩短LMS自适应处理时间。通过对LMS估计结果的差分进行线性插值,打破了采样率对定位精度的限制。测试结果表明:采样率为10MS/s时,系统精度达到±6m。在测试过程中,狂风暴雨天气对测试结果有一定影响,实际户外应用场景比这更为复杂,因此后期需要增加其它传感手段进行排除,或者通过智能算法对不同振动信号进行学习和识别。