黃新銳，侍海峰，王廣禎，王　爍，李明銘，潘　超，孫小菡

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)信號(hào)增益均衡及穩(wěn)定技術(shù)*

黃新銳，侍海峰，王廣禎，王爍，李明銘，潘超，孫小菡*

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

針對(duì)準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的各傳感通道的增益差異，提出一種基于PI算法的多路信號(hào)增益均衡及穩(wěn)定技術(shù)。通過(guò)合理設(shè)置算法的調(diào)節(jié)時(shí)間，確保傳感系統(tǒng)正常工作的同時(shí)，消除了因光波偏振、相位等參數(shù)緩慢變化引起的增益變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四通道的復(fù)用系統(tǒng)，不同通道的最大增益差是1.6 V；每個(gè)通道增益波動(dòng)幅度最大是2.3 V，波動(dòng)周期是0.23 h。選取合適的PI控制器參數(shù)KP=0.01，KI=0.1，此時(shí)，PI算法的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為4 s，增益波動(dòng)幅度小于0.2 V。

準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)；增益均衡；PI算法；時(shí)分復(fù)用

準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)是以光纖傳感器作為敏感單元，通過(guò)采用一定的復(fù)用方式級(jí)聯(lián)在一起，通過(guò)后端的光信號(hào)解調(diào)、分析與處理，實(shí)現(xiàn)入侵事件的判斷、定位、報(bào)警和入侵目標(biāo)的識(shí)別［1-3］。與傳統(tǒng)的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易復(fù)用、成本較低，誤報(bào)率低，定位簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在安防領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景，也是將來(lái)智能安防檢測(cè)的主流發(fā)展方向［4-6］。

傳統(tǒng)的準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)通常采用波分復(fù)用技術(shù)和光纖光柵作為傳感單元［7-9］。例如，廈門大學(xué)董小鵬［10］等人提出的一種基于波分復(fù)用的光纖多防區(qū)周界傳感系統(tǒng)，采用FBG作為每個(gè)防區(qū)的傳感單元，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但區(qū)域數(shù)目受光源帶寬限制，而且需要采用波分復(fù)用器件和多個(gè)接收機(jī)，成本較高。華中科技大學(xué)劉德明［11］等人提出的一種基于混合時(shí)分/波分復(fù)用傳感無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的光纖周界安防系統(tǒng)，采用混合時(shí)分/波分復(fù)用系統(tǒng)，使區(qū)域數(shù)目不受光源帶寬限制，但需要采用波分復(fù)用器件和多個(gè)光接收機(jī)，成本也較高。復(fù)旦大學(xué)肖倩［12］等人提出的一種基于相位載波復(fù)用的光纖周界安防系統(tǒng)，采用多路信號(hào)復(fù)用同一白光干涉系統(tǒng)，大大降低了準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)因分區(qū)所需的干涉系統(tǒng)的數(shù)量，但需要串接不同頻率的相位調(diào)制器以區(qū)分不同防區(qū)，采用相位解調(diào)技術(shù)，算法復(fù)雜度相對(duì)較高。

項(xiàng)目來(lái)源：江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目

收稿日期：2015-06-13修改日期：2015-08-07

考慮到傳感器的所處位置不同，光傳至每個(gè)傳感器傳輸距離不同，造成系統(tǒng)接收到的代表不同傳感器的光脈沖功率存在差別，而且每個(gè)傳感器工作點(diǎn)存在差別，光在不同通道傳輸時(shí)的衰減情況存在差別，這些因素在系統(tǒng)實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，不可避免會(huì)導(dǎo)致回送的光脈沖信號(hào)功率大小不一致的情況。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，由于光波偏振、相位等參數(shù)的緩慢變化，每一路回送的光脈沖信號(hào)功率隨著時(shí)間推移，存在緩變現(xiàn)象。針對(duì)以上不足，本文提出一種基于PI算法的多路信號(hào)的增益均衡及穩(wěn)定技術(shù)。

1　系統(tǒng)原理及性能分析

1.1系統(tǒng)工作原理

準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)由終端機(jī)、通信/傳感光纜及延時(shí)光纖3部分組成，如圖1所示。終端機(jī)內(nèi)部由上位機(jī)、光源、主控單元、光信號(hào)接收與處理模塊、光纖分路器組成。每一路延時(shí)光纖的長(zhǎng)度不同，根據(jù)脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期、采樣頻率確定每一路延時(shí)光纖的長(zhǎng)度，保證能夠在時(shí)域上區(qū)分代表各傳感器的光脈沖信號(hào)。通信光纖與傳感光纖可采用同一根光纜。

圖1　準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)框架

終端機(jī)內(nèi)部的主控單元控制光源產(chǎn)生一個(gè)光脈沖，發(fā)送到光纖分路器，在光纖分路器中產(chǎn)生N個(gè)光脈沖，這些光脈沖經(jīng)過(guò)通信光纖和延時(shí)光纖傳播到傳感光纖中，從傳感光纖中返回的N個(gè)光脈沖信號(hào)，再次通過(guò)延時(shí)光纖到達(dá)光纖分路器合成一列光脈沖信號(hào)，采用時(shí)分復(fù)用的方式輸出到光信號(hào)接收與處理模塊。光信號(hào)接收與處理模塊將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并做進(jìn)一步處理。主控單元通過(guò)采集光信號(hào)接收與處理模塊輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)，并根據(jù)這些信號(hào)的幅度設(shè)定閾值，來(lái)判斷是否有告警。

1.2系統(tǒng)光功率分配性能分析

由于系統(tǒng)利用不同長(zhǎng)度的延時(shí)光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)光時(shí)分復(fù)用技術(shù)，而光功率隨著光傳播距離的增大存在衰減情況，所以，我們不難想象，準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)中，代表不同區(qū)域的脈沖幅度存在大小差別，而且理想情況下，延時(shí)光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)的傳感區(qū)域光功率衰減越大，脈沖幅度越小。以16路系統(tǒng)為例，查閱資料可知，G 652光纖在1 550 nm窗口的平均損耗約為0.25 dB/km，2×2耦合器的分光比為50∶50，2×16光纖分束器的插入損耗為14.2 dB，由此可以計(jì)算得知，理想情況下系統(tǒng)光信號(hào)接收與處理模塊接收到的16路光脈沖光功率衰減如圖2所示。

圖2　16路系統(tǒng)回光功率衰減理想圖

從圖2，我們可以看到，光信號(hào)接收與處理模塊接收到的光脈沖序列光功率存在依次衰減的情況，第一個(gè)脈沖和后續(xù)脈沖幅度的差別越來(lái)越大，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)置的一個(gè)報(bào)警閾值，這個(gè)問(wèn)題將給系統(tǒng)對(duì)入侵事件的判斷、報(bào)警帶來(lái)困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題，下文提出了一種信號(hào)增益均衡方法來(lái)實(shí)時(shí)控制每一個(gè)脈沖幅度，將所有脈沖幅度統(tǒng)一達(dá)到給定的參考值，消除脈沖幅度存在差別的情況。

2　信號(hào)增益控制技術(shù)

2.1信號(hào)增益控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

信號(hào)增益控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示，虛線框內(nèi)為圖1中所示的主控單元內(nèi)部模塊，其余部分為圖1中所示的光信號(hào)接收與處理模塊中相關(guān)部分。

系統(tǒng)正常工作前，我們需要得到傳感區(qū)域所在的位置信息，即每一個(gè)傳感區(qū)域?qū)?yīng)脈沖的時(shí)間基準(zhǔn)信息。得到時(shí)間基準(zhǔn)后，主控單元按照一定頻率發(fā)出控制信號(hào)至光源，觸發(fā)光源按照一定頻率發(fā)出光脈沖，光源發(fā)出的每一個(gè)光脈沖，對(duì)應(yīng)于返回至光信號(hào)接收與處理模塊的經(jīng)時(shí)分復(fù)用的N路光脈沖信號(hào)。

圖3　信號(hào)增益控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖

經(jīng)過(guò)傳感光路，攜帶有各區(qū)域擾動(dòng)信息的N路光脈沖信號(hào)，以時(shí)分復(fù)用的方式返回至系統(tǒng)端機(jī)，首先進(jìn)入圖1中的光信號(hào)接收與處理模塊，進(jìn)行前端信號(hào)處理。光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊，將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)Vin，然后進(jìn)入可變?cè)鲆娣糯笃鞣謩e進(jìn)行放大，不同傳感區(qū)域的脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)由主控單元來(lái)控制。

經(jīng)可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蠛蟮拿}沖信號(hào)進(jìn)入主控單元中的特征提取模塊，對(duì)每一路的脈沖信號(hào)進(jìn)行特征提取。特征提取模塊在每一路脈沖的時(shí)間基準(zhǔn)，將每一路脈沖提取為一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)Dout，以一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)代表此脈沖進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理。將得到的Dout與參考值Dref進(jìn)行比較運(yùn)算，求出誤差e，然后輸出至PI控制器。在每一個(gè)脈沖的時(shí)間基準(zhǔn)，經(jīng)PI控制器進(jìn)行PI運(yùn)算后，得到數(shù)據(jù)DPI暫存至寄存器內(nèi)，在下一組N路脈沖信號(hào)到來(lái)之時(shí)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出至可變?cè)鲆娣糯笃?，輸出時(shí)間由時(shí)間基準(zhǔn)模塊控制，進(jìn)而改變對(duì)應(yīng)區(qū)域脈沖信號(hào)的增益大小，使每一個(gè)區(qū)域的脈沖信號(hào)的特征值盡可能接近于參考值，從而避免了每一個(gè)區(qū)域脈沖信號(hào)的的緩變，使各個(gè)區(qū)域的脈沖信號(hào)的幅度盡可能一致接近于參考值，從而有利于通過(guò)設(shè)定一個(gè)閾值，來(lái)判斷不同區(qū)域是否有的擾動(dòng)信息。

2.2多路PI控制算法

在我們的實(shí)驗(yàn)中，可變?cè)鲆娣糯笃髂K是基于AD8336芯片實(shí)現(xiàn)的。AD8336是AD公司生產(chǎn)的一種低噪聲、單端型、線性衰減的通用可變?cè)鲆娣糯笃餍酒?。這款芯片的放大倍數(shù)可由控制電壓按照比例控制。AD8336芯片的放大倍數(shù)和控制電壓比例關(guān)系如圖4所示。

圖4　AD8336放大倍數(shù)和控制電壓關(guān)系圖

將經(jīng)過(guò)特征提取后的脈沖特征值Dout（k）與參考值Dref比較，得到偏差信號(hào)e（k），即：

這里使用的是數(shù)字增量式PI控制算法。它的計(jì)算式：

式中：KP是比例系數(shù)，通常隨著KP值的加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但是當(dāng)KP增加到一定程度，系統(tǒng)會(huì)變得很不穩(wěn)定；Ki是積分系數(shù)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是當(dāng)KP不變的情況下，Ki增加到一定程度，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以選擇合適的KP和Ki，以達(dá)到最好的調(diào)節(jié)效果。

本系統(tǒng)是通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字PI算法，F(xiàn)PGA芯片采用 Xilinx公司 Spartan-6系列的XC6SLX100T-2FGG900，它采用45 nm工藝技術(shù)，具有速度快、容量高、功耗和成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行FPGA編程，其基本思想是通過(guò)設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)，在不同階段采用乘法器或者加法器進(jìn)行不同的邏輯運(yùn)算。內(nèi)部算法實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5　程序流程圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖1，在實(shí)驗(yàn)室我們搭建了4路傳感通道的準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，實(shí)物圖如圖6所示。實(shí)驗(yàn)裝置包括：DFB光源（波長(zhǎng)為1 550 nm，功率＞10 mW）、PIN-FET、2×2光纖耦合器（分光比為1：1）、200 m延時(shí)光纖盤。實(shí)時(shí)觀測(cè)信號(hào)波形，發(fā)現(xiàn)代表4路傳感通道的4個(gè)光脈沖信號(hào)幅度存在大小不一致問(wèn)題，信號(hào)波形如圖7所示。

這與前文的光功率性能分析的結(jié)果存在一些差別，這是因?yàn)槊總€(gè)傳感器工作點(diǎn)存在差別，光在不同通道傳輸時(shí)的衰減情況存在差別，還有環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，在系統(tǒng)實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，這些因素不可避免會(huì)導(dǎo)致光脈沖信號(hào)幅度和理想的逐個(gè)遞減情況有所差別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同通道的最大增益差大約是1.6 V。

圖6　四路傳感通道的準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)

圖7　不同通道的脈沖信號(hào)幅度存在大小差別

運(yùn)行一段時(shí)間后，我們還發(fā)現(xiàn)4個(gè)脈沖自身幅度隨著時(shí)間的推移，存在緩變現(xiàn)象，我們記錄了前2路脈沖幅度在16 h內(nèi)，每一小時(shí)脈沖的幅度值，并畫出幅度緩變曲線，如圖8所示。這是由于光波偏振、相位等參數(shù)的緩慢變化所致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同一通道脈沖增益波動(dòng)幅度最大是2.3 V，波動(dòng)周期大約為0.23 h。

綜合理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察得到的問(wèn)題，上文提出的基于PI算法的增益控制技術(shù)，可以有效解決這些脈沖幅度不一致、存在緩變等問(wèn)題。

圖8　各通道脈沖信號(hào)幅度存在緩變現(xiàn)象

3.2PI算法參數(shù)的選擇

在仿真過(guò)程中選取PI算法的參數(shù)，參數(shù)選取過(guò)程中，先將調(diào)節(jié)器設(shè)置成比例調(diào)節(jié)器，然后調(diào)節(jié)系統(tǒng)的臨界試驗(yàn)。將比例系數(shù)KP由小逐漸變大，確定不同的KP值對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，然后確定比例系數(shù)KP，調(diào)節(jié)積分系數(shù)Ki，由小逐漸變大，當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩時(shí)，即為積分系數(shù)的臨界值。根據(jù)此方法可以方便地得出PI控制器的參數(shù)。

選取幾組不同的PI控制器參數(shù)KP和 KI，以3.5 V為參考電壓值，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中PI調(diào)節(jié)后脈沖的特征值的大小，畫出調(diào)節(jié)過(guò)程的數(shù)據(jù)圖如圖9所示。從圖中我們可以看出調(diào)節(jié)的不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)效果。圖9（a）和9（b）為相同KP情況下，不同Ki值對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)效果。Ki=0.2比Ki=0.1調(diào)節(jié)達(dá)到參考值的時(shí)間更短。從圖9（c）中，可以看出，當(dāng)KI=0.3時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)等幅振蕩。

圖9　不同PI參數(shù)對(duì)應(yīng)的脈沖幅度的調(diào)節(jié)波形圖

我們最終選取具有合適調(diào)節(jié)時(shí)間的PI控制器參數(shù)：KP=0.01，KI=0.1，此時(shí)，PI算法的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為4 s，增益波動(dòng)幅度小于0.2 V。在實(shí)驗(yàn)室搭建的4路準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)設(shè)定好PI控制器參數(shù)后，調(diào)節(jié)不同的參考電壓，觀察4路脈沖波形。圖10（a）為均衡之前的4路脈沖波形圖；圖10（b）為參考電壓為1 V的時(shí)候，4路脈沖的波形圖；圖10（c）為參考電壓為2 V時(shí)候，4路脈沖的波形圖。通過(guò)圖10（a）～圖10（c）的對(duì)比，我們可以看出，原來(lái)幅度不一致的4路脈沖基本都達(dá)到設(shè)定的參考電壓的幅值。

圖10　四路脈沖波形圖

4　總結(jié)

本文針對(duì)準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)以及在實(shí)際應(yīng)用中，出現(xiàn)的脈沖增益存在差異及幅度緩變問(wèn)題，提出了一種基于PI算法的增益均衡及穩(wěn)定技術(shù)，通過(guò)FPGA控制可變?cè)鲆娣糯笃?，合理設(shè)置算法的調(diào)節(jié)時(shí)間，在確保傳感系統(tǒng)正常檢測(cè)振動(dòng)事件的同時(shí)，有效均衡了各傳感通道的增益差異，而且消除了因光波偏振、相位等參數(shù)緩慢變化引起的幅度緩變。這種算法已經(jīng)成功應(yīng)用于準(zhǔn)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，

選取合適的PI控制器參數(shù)KP=0.01，KI=0.1，PI算法的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為4 s，增益波動(dòng)幅度小于0.2 V。

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黃新銳（1994-），男，漢族，安徽省桐城人，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院本科在讀，專業(yè)為新能源材料與器件，2536356551@qq.com；

孫小菡（1955-），女，漢族，東南大學(xué)電子與科學(xué)學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)楣獠娮訉W(xué)與光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，xhsun@seu.edu.cn。

Gains Equalization and Stabilizing among Different Channels for Quasi-Distributed Optical Fiber Vibration Sensor System*

HUANG Xinrui，SHI Haifeng，WANG Guangzhen，WANG Shuo，LI Mingming，PAN Chao，SUN Xiaohan*
（School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Aiming at the difference of gains among the different channels for the quasi-distributed optic fiber vibration sensor system，a method of gains equalization and stabilizing among different channels is purposed and implemented based on the PI arithmetic.Through figuring out a reasonable adjust time for the arithmetic，this method could eliminate the shift of the signal gain due to the slow fluctuation of the light polarization，phase，and other parameters with no influence of the vibration detection.Experimental results demonstrate that，the maximum gain difference of different channels is 1.6 V，the highest fluctuation of each channel is 2.3 V with the period of fluctuation is 0.23 hour.Figuring out a reasonable parameter for the PI controller with KP=0.01，KI=0.1，as a result，the adjust time of PI arithmetic is about 4 s with the fluctuation of the amplitude less than 0.2 V.

quasi-distributed optic fiber vibration sensor system；gain control；PI arithmetic；time division multiplexing

TN913.7

A

1005-9490（2016）03-0558-06

EEACC：7230；7230E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.012