本发明涉及分布式光纤传感领域，特别涉及一种并行化分布式光纤音频采集还原方法。
背景技术：
1、基于φ-otdr(phi-optical time domain reflectometer，phi-光时域反射仪)的外差型分布式光纤声波传感技术(das)在安防监测、铁路轨道监测、油气管道监测、地震波勘探领域拥有极大的应用价值，因其具备传感点密集、传感距离长、响应速度高的优点。
2、目前，外差型分布式光纤声波传感技术在语音探测、安防监测领域的应用存在主要的技术难点：分布式光纤传感数据量庞大，基于cpu方案的外差型分布光纤声波传感设备在每个空间点的音频采样率难以达到专业音频级别(48khz)，难以实时还原出信息含量丰富且清晰的音频信号。
3、许多研究人员采用cpu+gpu的异构计算方式解决这一难点，借助gpu的并行计算能力虽然可以实时还原出高采样率音频信号，但也有着诸多缺点：
4、(1)针对高采样率音频信号还原，gpu计算延迟虽可达百毫秒级，但这与解调的数据量相关，计算线程数需随着还原空间点数量的增加而增加以保证计算延迟足够低，这导致设备应用灵活性低。
5、(2)由于gpu无法独立工作，原始数据需要通过cpu传输给gpu进行计算，gpu计算完成后，再将数据传输回cpu，虽然计算时间降低，但是数据传输时间上升，同时增加了cpu数据搬运的压力。
6、(3)市面主流gpu的功耗在350w左右，大大增加了外差型分布光纤声波传感设备的整机功耗和体积，使其更加难以部署。
7、(4)使用gpu依赖于操作系统的多线程功能，每个线程的时间并非完全同步，无法应用于要求精准延迟的场景。
技术实现思路
1、针对上述存在的问题或不足，为解决现有外差型分布式光纤声波传感技术在实时还原出信息含量丰富且清晰的音频信号时，难以兼顾计算延迟、数据传输复杂度、功耗三个方面，本发明提出了一种并行化分布式光纤音频采集还原方法，通过fpga实现，计算延迟比gpu更低，可达十微秒级，且与还原空间点的数量无关；计算完成后的数据再传输至cpu，cpu的数据搬运压力小，数据传输延迟低；本发明的实现电路功耗仅为3.5w，为设备小型化提供了基础；且不依赖于操作系统实现，最小时间单位为时钟周期，每次的计算延迟一致。
2、一种并行化分布式光纤音频采集还原方法，具体步骤如下：
3、步骤1、数模转换芯片将光电平衡探测器输出的后向瑞利散射信号由模拟信号转换为数字信号，并输出至fpga。
4、步骤2、对于步骤1输出的数字信号进行相位解调。
5、fpga将输入的数字信号分为3路同时进行fir带通滤波；然后每路滤波后的信号分别与信号发生器产生的余弦信号和正弦信号进行混频，生成3路同相信号ii和3路正交信号qi,其中i＝1,2,3，代表路径序号；最终每路信号同时经过6通道并行fir低通滤波器，得到完成相位解调的3路i/q信号。
6、步骤3、对于步骤2输出的i/q信号进行衰落抑制。
7、fpga将步骤2得到的3路i/q信号按照迹线循环索引，每路都使用索引号为1的迹线计算辐角，并同时将辐角值存入fpga内部的ram存储器。
8、然后，将索引号为2至l1的迹线在复数域按照ram存储器存储的对应信号路辐角值进行反方向旋转，其中l1∈n+,l1≥3,n+为正整数；接着，对3路旋转后的i'/q'信号求和分别得到isum和qsum；最终，计算复数isum+jqsum的辐角，j为虚数单位，即得到衰落抑制后的相位信号θ。
9、步骤4、对于步骤3输出的相位信号进行相位解卷绕。
10、fpga将步骤3得到的相位信号θ按照空间点索引，计算空间点的3阶后向差分值，得到相位差分信号θd；然后，对相位差分信号θd以循环索引的方式进行空间上的随机抽取；最终，按照迹线索引，若前条迹线与当前迹线相同空间点处θd的1阶后向差分值diff超出既定阈值范围，则通过加减既定补偿值进行相位解卷绕，输出无卷绕相位信号。
11、步骤5、对于步骤4输出的无卷绕相位信号进行音频转换。
12、fpga将步骤4得到的无卷绕相位信号按照迹线索引，计算上一条迹线与当前迹线相同空间点处的1阶后向差分值；然后，判断后向差分值是否小于1：若差分值小于1，则此差分值即为此空间点处的音频幅值；否则，将差分值降低为s作为此空间点处的音频幅值，其中-1＜s＜1。
13、进一步地，所述步骤2具体如下：
14、步骤2.1、数字信号的数据类型为有符号数fix16_15，分为3路并行信号同时经过3个fir带通滤波器bp1、bp2、bp3，3个滤波器的通带范围为10mhz至20mhz、15mhz至25mh z、20mhz至30mhz，滤波器输出的数据的格式为fix32_30。
15、步骤2.2、fpga内部例化的信号发生器产生的正弦信号和余弦信号分别输出至乘法器m1、m2、m3和乘法器m4、m5、m6的乘数输入端口；带通滤波器bp1的输出数据输出至乘法器m1和m4的另一乘数输入端口；带通滤波器bp2的输出数据输出至乘法器m2和m5的另一乘数输入端口；带通滤波器bp3的输出数据输出至乘法器m3和m6的另一乘数输入端口；以此完成混频，乘法器m1、m2、m3输出正交信号q1、q2、q3，乘法器m4、m5、m6输为同相信号i1、i2、i3。
16、步骤2.3、6通道并行的fir低通滤波器lp1同时对3路q信号和3路i信号进行滤波，输出完成相位解调的i/q信号，低通滤波器的截止频率为10mhz。
17、进一步地，所述步骤3具体如下：
18、步骤3.1、fir低通滤波器每输出一个有效数据则逻辑控制器内部自定义的空间点索引器cnt_sample便自加1，当cnt_sample自加至n1时自清零，此时自定义的迹线索引器cnt_trace自加1，当cnt_trace自加至l1时自清零，索引不断循环，其中n1∈n+,n1＞1。
19、步骤3.2、当索引迹线号为1时，通过逻辑控制器将滤波后的i/q信号输出至反正切计算模块arc1、arc2、arc3；其中滤波后的i1和q1输出至arc1的实部输入端口和虚部输入端口，滤波后的i2和q2输出至arc2的实部输入端口和虚部输入端口，滤波后的i3和q3输出至arc3的实部输入端口和虚部输入端口，3个反正切计算模块计算出i/q信号的辐角并同时将其分别存入3个一一对应的存储器ram1、ram2、ram3中，一一对应是指反正切计算模块与存储器的数字编号相同构成对应关系。
20、当索引迹线号为2至l1时，通过逻辑控制器将滤波后的i/q信号输出至矢量旋转器vt1、vt2、vt3；其中滤波后的i1和q1输出至vt1的实部输入端口和虚部输入端口，滤波后的i2和q2输出至vt2的实部输入端口和虚部输入端口，滤波后的i3和q3输出至vt3的实部输入端口和虚部输入端口，同时读取每个ram中缓存的辐角值，一一对应地输出至矢量旋转器的角度输入端口，一一对应是指存储器与矢量旋转器的数字编号相同构成对应关系，计算公式为其中i'和q'为矢量旋转后的信号，为ram缓存的辐角值。
21、步骤3.3、3个矢量旋转器同步输出3路i'/q'信号至并行复数加法器，进行信号的求和运算，计算公式为isum＝i1'+i2'+i3'，qsum＝q1'+q2'+q3'。
22、步骤3.4、复数加法器输出isum、qsum信号至反正切计算模块arc4，进行信号的反正切运算，计算公式为θ＝atan(qsum/isum)，其中θ即为衰落抑制后的相位信号。
23、进一步地，所述步骤4具体如下：
24、步骤4.1、相位解卷器使用步骤3输出的相位信号θ计算相位差分信号θd，计算公式为θd＝θn-θn-3，其中θn为当前输入值，θn-3为3个时钟周期前的输入值。
25、步骤4.2、以循环索引的方式，每计算出10个数据，则随机保留1个作为有效数据，完成数据抽取。循环索引是指后续每10个数据保留的有效数据序号与第一次相同。
26、步骤4.3、每计算出1个有效数据，则相位解卷器内部自定义的空间点索引器cnt_sample_1便自加1，当cnt_sample_1自加至n2时自清零，此时自定义的迹线索引器cnt_trace_1自加1，当cnt_trace_1自加至l2时自清零，索引不断循环，其中n2∈n+,n2＞1。
27、步骤4.4、当索引迹线号为1时，相位解卷器同时会将有效数据其写入存储器ram_phi，并将偏置变量k初始化为0后写入存储器ram_k。
28、当索引迹线号为2至l2时，解卷器计算当前相位差分信号θd与存储器ram_phi中对应空间点信号的1阶后向差分值，计算公式为diff＝θd-θd_ram，θd_ram为前条迹线中与θd空间位置相同的信号。
29、若π-2kπ≤diff≤3π-2kπ，则更新存储器ram_phi中相应空间点的k值k＝k-1，输出无卷绕相位信号θunwarp＝θd+2kπ。
30、若3π-2kπ≤diff≤5π-2kπ，则更新存储器ram_phi中相应空间点的k值k＝k-2，输出无卷绕相位信号θunwarp＝θd+2kπ。
31、若-π-2kπ≤diff≤-3π-2kπ，则更新存储器ram_phi中相应空间点的k值k＝k+1，输出无卷绕相位信号θunwarp＝θd+2kπ。
32、若-3π-2kπ≤diff≤-5π-2kπ，则更新存储器ram_phi中相应空间点的k值k＝k+2，输出无卷绕相位信号θunwarp＝θd+2kπ。
33、若-π-2kπ≤diff≤π-2kπ，则直接输出无卷绕相位信号θunwarp＝θd+2kπ。
34、其中，判断的上下限即为既定阈值，2kπ为既定补偿值。
35、进一步地，所述步骤5具体如下：
36、步骤5.1、音频转换器将接收到的首条无卷绕相位信号θunwarp写入存储器ram_phi_unwr ap；
37、步骤5.2、当音频转换器接收到非首条迹线时，通过计算当前输入信号与存储器ram_ph i中对应空间点信号的1阶后向差分值得到音频信号sound，计算公式为sound＝θunwrap-θunwrap_ram，其中θunwrap为当前无卷绕相位信号，θunwrap_ram为前条迹线中与θunwrap空间位置相同的无卷绕相位信号，同时使用θunwrap更新存储器ram_phi_unwrap中的缓存值；
38、步骤5.3、若音频信号sound值≥1，则降低为s输出，其中-1＜s＜1；若音频信号sound的值＜1，则直接输出。
39、本发明之所以可以达到更低的计算延迟和精准延迟，主要依靠fpga并行化的执行各个计算步骤。fpga以时钟周期为基本时间单位，一边进行数据的采集，一边进行数据的计算，同时将数据输出，这种全流水线式的数据处理方式可在降低计算延迟的同时，保证每次计算延迟的一致性，且计算延迟与还原空间点的数量无关。而gpu是将数据大批量缓存后依靠操作系统进行以指令周期为单位的多线程并行计算，计算完成后再将数据大批量输出，并不能做到全流水线式的数据处理，而且每个线程计算时间不固定，不能保持计算延迟的一致性。此外，gpu需要从cpu获取数据，计算完成后依靠高带宽传输协议将计算完成的数据再传输回cpu，而fpga计算完成之后直接将数据输出至cpu，减少了数据传输时间，减轻了cpu的数据搬运压力。再者，fpga的功耗水平远低于gpu，市面主流的gpu产品功耗都在350w左右，而本发明在fpga上实现后的电路功耗仅为3.5w。因此本发明在计算延迟、数据传输复杂度、功耗三个方面具有优势。
40、综上所述，本发明在实时还原出信息含量丰富且清晰的音频信号时，兼顾了计算延迟、数据传输复杂度、功耗三个方面。
1.一种并行化分布式光纤音频采集还原方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.如权利要求1所述并行化分布式光纤音频采集还原方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：
3.如权利要求1所述并行化分布式光纤音频采集还原方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：
4.如权利要求1所述并行化分布式光纤音频采集还原方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：
5.如权利要求1所述并行化分布式光纤音频采集还原方法，其特征在于，所述步骤5具体如下：
6.如权利要求1所述并行化分布式光纤音频采集还原方法，其特征在于，所述s＝0.2。
