王　影，劉　麒

（吉林化工學(xué)院信控學(xué)院，吉林吉林132022）

光纖管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)PGC解調(diào)電路設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試*

王影*，劉麒

（吉林化工學(xué)院信控學(xué)院，吉林吉林132022）

針對(duì)傳統(tǒng)PGC解調(diào)使用模擬電路制作有電路老化、定位飄移等現(xiàn)象，基于數(shù)字化平臺(tái)來(lái)架構(gòu)干涉式光纖傳感器PGC解調(diào)，采用相位擾頻器改進(jìn)了PGC解調(diào)電路，并對(duì)各系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行測(cè)試分析，最后對(duì)PGC解調(diào)電路的解調(diào)效果進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，模擬結(jié)果顯示，改進(jìn)后的PGC電路解調(diào)性能良好，經(jīng)過(guò)相位擾頻的信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)超過(guò)96%，諧波的失真度小于2%，同時(shí)相位擾頻器能夠有效改善PGC解調(diào)輸出不穩(wěn)定及失真。

光纖傳感器；干涉式；PGC解調(diào)技術(shù)；相位擾頻器

光纖傳感器（Fiber Optic Sensors），是利用光纖來(lái)偵測(cè)待測(cè)物理量變化的儀器，它被廣泛地用于感測(cè)聲音、磁場(chǎng)、溫度等數(shù)十種物理量。以光纖做為測(cè)量組件具有幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，如：靈敏度高、不腐蝕、布放容易、低傳輸損耗、高數(shù)據(jù)傳輸率等優(yōu)點(diǎn)，因此通過(guò)光纖傳感器來(lái)測(cè)量管道泄漏成為目前管理監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。干涉式光纖傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、線(xiàn)性度佳、具有多任務(wù)功能等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多的一種光纖傳感器，干涉式光纖傳感器的輸出信號(hào)，必須采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)解調(diào)線(xiàn)路，來(lái)線(xiàn)性解調(diào)傳感器信號(hào)［1-3］。

常用的解調(diào)方式為PGC-DCM（the Differential and Cross Multiplying Approach）微分及交叉相乘處理技術(shù)以及PGC-arctan處理技術(shù)。其中最常用的為被動(dòng)式相位載波解調(diào)，簡(jiǎn)稱(chēng)為PGC解調(diào)。傳統(tǒng)PGC解調(diào)使用模擬電路制作有電路老化、準(zhǔn)位飄移等現(xiàn)象，易引起PGC解調(diào)失真等問(wèn)題，也無(wú)法作準(zhǔn)確及完整的靈敏度歸一化控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)的PGC解調(diào)中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行了改進(jìn)，包括加入直流濾波器，抗混疊濾波器等電子器件，但信號(hào)調(diào)解的效果并不理想［4-6］，因此有必要發(fā)展智能型數(shù)字化信號(hào)處理，使其具有高偵測(cè)率及低誤報(bào)率的偵測(cè)功能。通過(guò)可編程邏輯門(mén)陣列數(shù)字信號(hào)的處理效能與邏輯運(yùn)算動(dòng)力，來(lái)完成具有自動(dòng)補(bǔ)償功能的數(shù)字化PGC解調(diào)。

為此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字化平臺(tái)來(lái)架構(gòu)干涉式光纖傳感器PGC解調(diào)，采用相位擾頻器，降低了光強(qiáng)度調(diào)變引起的不穩(wěn)定及失真問(wèn)題，改進(jìn)了PGC解調(diào)電路，并對(duì)各系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行測(cè)試分析，最后對(duì)PCG解調(diào)電路的解調(diào)效果進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，驗(yàn)證了PCG解調(diào)電路的改進(jìn)效果。

1　光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng)

本文的干涉式光纖傳感器選擇Mach-Zehnder和Sagnac混合型干涉儀架構(gòu)［7］，采用耦合器和光纖組合成光處理單元，用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和光纖來(lái)當(dāng)感測(cè)單元，檢光器、頻譜分析儀、相位調(diào)制器和解調(diào)電路組合成信號(hào)處理單元，當(dāng)泄漏聲源為白噪聲時(shí)，測(cè)量光纖受到聲音物理場(chǎng)的作用而產(chǎn)生應(yīng)變，走兩道光路的光信號(hào)在2×2耦合器的第3端接收端重合，產(chǎn)生干涉信號(hào)，通過(guò)檢光器及信號(hào)處理單元，最后在頻譜分析儀上顯示，并分析其感測(cè)到的信號(hào)，來(lái)進(jìn)行泄漏點(diǎn)位置的探測(cè)。光纖傳感器的系統(tǒng)架構(gòu)圖如1所示，下面對(duì)該系統(tǒng)的組件單元進(jìn)行介紹，PCG相位解調(diào)系統(tǒng)在后面會(huì)詳細(xì)討論，這里不再贅述。

圖1　干涉式光纖傳感器系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1光源

由于本實(shí)驗(yàn)將光源改用比SRD（Short Range Device）功率更強(qiáng)的ASE（Amplified Spontaneous Emission）光源，其頻譜和SRD類(lèi)似［8］。ASE的工作原理，是利用一個(gè)半導(dǎo)體激光器，把能量泵入摻鉺光纖中，由于光纖摻鉺之后，形成一個(gè)可以激勵(lì)光子的能級(jí)躍進(jìn)。經(jīng)能產(chǎn)生光子的能量進(jìn)入摻鉺光纖之后，可以將低能級(jí)的電子提高能量激發(fā)到高能級(jí)，此種方式稱(chēng)之為激發(fā)。持續(xù)這個(gè)動(dòng)作一段時(shí)間之后，可以得到在高能級(jí)的電子數(shù)量多于低能級(jí)上應(yīng)有的電子，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電子向下跳動(dòng)產(chǎn)生光子。當(dāng)光子被激發(fā)之后，會(huì)形成兩個(gè)同方向、同頻率的光子，產(chǎn)生能量。由于光能量只有繼續(xù)行進(jìn)，并沒(méi)有任何反射鏡，產(chǎn)生來(lái)回共振的現(xiàn)象。因此，帶寬會(huì)變的較寬，而形成光源的同調(diào)長(zhǎng)度變得很短，隨后接上光隔離器（Isolator），隔離掉雜散的光，避免影響光源的穩(wěn)定度和安全性。

1.2耦合器

本系統(tǒng)利用兩個(gè)2×2光纖耦合器組合成。在這里的耦合器當(dāng)成分光器與光路徑的分配，其架構(gòu)如圖1所示。在理想的情況下，我們需要分光為1∶1的光纖耦合器，而且由于耦合器的特性，輸出的兩束光之相角差距為90°。在本光處理單元中，光從光源出來(lái)之后，經(jīng)過(guò)每個(gè)耦合器平均分光，之后，由感測(cè)單元反射回來(lái)的光，也再次經(jīng)過(guò)耦合器分光，最后由檢光器作檢光的動(dòng)作。

1.3光纖

光纖具有易彎曲、質(zhì)量輕、抗腐蝕和絕緣性等特性，因此，利用光纖來(lái)當(dāng)感測(cè)光纖和延遲光纖。在當(dāng)測(cè)量光纖時(shí)，使用的是單模裸光纖 SMF（Single Mode Fiber），由于其價(jià)格便宜，所以更適合長(zhǎng)距離的布放。若是在當(dāng)延遲光纖時(shí)，使用小口徑光纜（Optical Cable），由于光纜是將單模裸光纖包在更多的外皮之內(nèi)，讓環(huán)境的影響減到最低［9］。

1.4法拉第旋轉(zhuǎn)鏡

法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)包含透鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)器和反射鏡等主要元素。

圖2　法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)圖

法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的功能，可以將入射光的偏振狀態(tài)與出射光的偏振狀態(tài)的相差調(diào)整為90°。其原理說(shuō)明如下：當(dāng)入射光經(jīng)由光纖或其他路徑進(jìn)入法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的透鏡，再由透鏡聚光，在光的行徑過(guò)程中經(jīng)過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器，偏振狀態(tài)慢慢偏轉(zhuǎn)至反射鏡前，偏振狀態(tài)剛好與入射時(shí)相差45°。光經(jīng)反射鏡反射，從原路徑再經(jīng)過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器，因?yàn)榉ɡ谛?yīng)是為非互易效應(yīng)，使偏振狀態(tài)再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，因此，法拉第旋轉(zhuǎn)鏡可以將光的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90°。法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的等效瓊斯矩陣可以寫(xiě)成：

式中：tT：法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的損耗以及與反射鏡特性有關(guān)的參數(shù)。

現(xiàn)在若有一束光入射至法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，整個(gè)光路的瓊斯矩陣如下：

式中：K為常數(shù)

由上式可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)′是一個(gè)常數(shù)矩陣，表示入射光與反射光的偏振狀態(tài)，和光纖的雙折射現(xiàn)象無(wú)關(guān)，代表因?yàn)橛辛朔ɡ谛D(zhuǎn)鏡，把光纖雙折射特性產(chǎn)生的偏振改變補(bǔ)償，讓由偏振效應(yīng)引起的訊號(hào)褪變的問(wèn)題消失。所以本架構(gòu)采用一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡來(lái)補(bǔ)償感測(cè)光纖的偏振狀態(tài)，這樣可以保證我們量測(cè)到是相位差所造成的干涉結(jié)果，而非偏振影響訊號(hào)的現(xiàn)象。

2　PGC解調(diào)電路設(shè)計(jì)與分析

2.1PGC解調(diào)電路原理

根據(jù)本文選擇的Mach-Zehnder和Sagnac混合型干涉儀對(duì)光纖傳感泄露信號(hào)的解調(diào)要求［10］，對(duì)PCG解調(diào)電路進(jìn)行如下設(shè)計(jì)及改進(jìn)，解調(diào)電路設(shè)計(jì)圖，如圖3所示。

圖3PCG解調(diào)電路設(shè)計(jì)圖

2.2低通濾波器

由于我們量測(cè)的訊號(hào)帶寬大約為20 kHz，所以，設(shè)計(jì)的低通濾波器，將要使量測(cè)帶寬通過(guò)，而調(diào)制頻率為100 kHz，要求低通濾波器把它濾除。而以前使用PGC電路，均使用在低頻部分（＜1 kHz），所以，要使用以前的PGC電路，需要重新設(shè)計(jì)濾波器的帶寬。而濾波器的設(shè)計(jì)，是使用BURR-BROWN公司所生產(chǎn)的IC（UAF-42），此IC具有高輸入阻抗與低輸出阻抗的特性，容易串接設(shè)計(jì)成高階的濾波器，從而符合我們要求。

2.3調(diào)制信號(hào)的放大器

因?yàn)橐郧霸O(shè)計(jì)的電路中，調(diào)制信號(hào)是使用在20 kHz，共振電壓比較小。而現(xiàn)在的調(diào)制信號(hào)要提升至100 kHz，造成共振電壓提高。利用AD841做放大器，調(diào)整調(diào)制信號(hào)的大小值，使其動(dòng)態(tài)范圍提升。

2.4相位擾頻器

所謂的相位擾頻器就是將相位信號(hào)加上相位擾動(dòng)而得，這個(gè)功能和在Mach-Zehnder干涉儀的一個(gè)干涉臂上使用偏振擾頻器（Polarization Scrambler）加上偏振擾動(dòng)，以消除偏振褪變的功能類(lèi)似，因此把以上功能稱(chēng)為相位擾頻器。但在實(shí)際應(yīng)用上，角頻率2.405 rad/s的電壓是加到激光調(diào)變里的信號(hào)之一，因此和激光的特性、系統(tǒng)光程差有密切的關(guān)系，光程差越小相位噪聲越小，但是激光調(diào)變引起的光強(qiáng)度調(diào)變就會(huì)越大，會(huì)大幅度的升高系統(tǒng)的干擾噪聲值，因此2.405 rad已不適用，需要改為使用1 rad，1 rad既有相位擾頻器功用也能用來(lái)做靈敏度歸一化，跟2.405 rad相比更可以大幅度降低系統(tǒng)的干擾噪聲。

2.5PGC解調(diào)模型數(shù)學(xué)分析

根據(jù)圖3所示的PGC解調(diào)電路設(shè)計(jì)技術(shù)框圖，通過(guò)數(shù)學(xué)建模方法，對(duì)PGC解調(diào)電路進(jìn)行建模，完整解調(diào)出相位信號(hào)。利用PGC解調(diào)電路中的乘法器與低通濾波器，可得以下方程：

將公式簡(jiǎn)化，再進(jìn)行微分可得：

根據(jù)圖3所示的PGC解調(diào)電路，每一個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)微分與另一原始信號(hào)相乘，再將兩個(gè)輸出信號(hào)相減，形成Z=S2S1′-S1S2′，則

將Z作積分，則就可以得到相位信號(hào)φs（t）：

我們可以發(fā)現(xiàn)，由式（8）可以發(fā)現(xiàn)，φs（t）信號(hào)被完整解調(diào)出來(lái)，φs（t）中包含泄漏點(diǎn)位置信息。

3　實(shí)驗(yàn)研究

3.1相位載波解調(diào)模塊測(cè)試

根據(jù)PGC相位載波解調(diào)的功能模塊要求，為了完成相位補(bǔ)償功能，需要由激光調(diào)變仿真一個(gè)高于PGC解調(diào)最大頻率不易受環(huán)境噪聲影響的感應(yīng)相位信號(hào)，如10 kHz。如果PGC解調(diào)帶寬較小及載波頻率較低，例如只有30 kHz。因此10 kHz的兩倍頻必須降低到小于PGC解調(diào)的低通濾波器頻帶的3 dB帶寬之內(nèi)，作為調(diào)整基頻與二倍頻載波相位的依據(jù)。

但受限于PGC解調(diào)低通濾波器的頻帶，高頻信號(hào)振幅必須小于0.36 V才能使高頻感應(yīng)相位信號(hào)能線(xiàn)性解調(diào)。依據(jù)第一類(lèi)的Bessel函數(shù)值在0.36 rad以?xún)?nèi)時(shí)，高頻訊號(hào)在干涉訊號(hào)中其3倍頻（正比于J3（φ））及更高頻率分量都以可以忽略，因此PGC解調(diào)的低通濾波器帶寬只要超過(guò)2倍諧頻分量便可對(duì)此高頻感應(yīng)相位信號(hào)作線(xiàn)性解調(diào)。而為了分離測(cè)量信號(hào)與10 kHz補(bǔ)償訊號(hào)，在PGC解調(diào)輸出再設(shè)計(jì)3 dB為7 kHz的低通濾波器，如圖4所示，以及1個(gè)通帶為9 K到11 kHz的帶通濾波器，如圖5所示。

圖4　低通濾波器波形

圖5　帶通濾波器波形

3.2解調(diào)效果測(cè)試

解調(diào)系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，利用相位調(diào)制器模擬泄漏擾動(dòng)聲場(chǎng)，由干涉式光纖傳感器產(chǎn)生的干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)相位擾頻器的校正，進(jìn)入PGC數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)中處理，解調(diào)后的頻譜如圖6所示。

圖6　解調(diào)效果圖

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)后能夠真實(shí)還原原始信號(hào)，解調(diào)性能良好，經(jīng)過(guò)相位擾頻的信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)超過(guò)96%，諧波的失真度小于2%，從另一個(gè)側(cè)面也反映了使用相位擾頻器（1 rad），能有效改善PGC解調(diào)輸出不穩(wěn)定及失真。

4　結(jié)論

管線(xiàn)泄漏會(huì)造成資源流失、環(huán)境污染等重大損失，因此如何實(shí)時(shí)找到泄漏點(diǎn)的位置，以便進(jìn)行修護(hù)補(bǔ)救，成為目前亟待解決的問(wèn)題。光纖傳感器（Fiber Optic Sensors）具有靈敏度高、不腐蝕、布放容易、低傳輸損耗、高數(shù)據(jù)傳輸率等優(yōu)點(diǎn)成為目前管理監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文基于數(shù)字化平臺(tái)來(lái)架構(gòu)干涉式光纖傳感器PGC解調(diào)，采用相位擾頻器，降低了光強(qiáng)度調(diào)變引起的不穩(wěn)定及失真問(wèn)題，改進(jìn)了PGC解調(diào)電路，并對(duì)各系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行測(cè)試分析，最后對(duì)PCG解調(diào)電路的解調(diào)效果進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，模擬結(jié)果顯示，干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)后能夠真實(shí)還原原始信號(hào)，解調(diào)性能良好，經(jīng)過(guò)相位擾頻的信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)超過(guò)96%，諧波的失真度小于2%，能夠有效的從感測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)中解調(diào)出相應(yīng)的相位信息完成信號(hào)解調(diào)，同時(shí)相位擾頻器能夠有效改善PGC解調(diào)輸出不穩(wěn)定及失真。

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王影（1979-），女，吉林省人，漢族，碩士，吉林化工學(xué)院信控學(xué)院副教授，研究方向?yàn)閭鞲衅?、檢測(cè)電路、PLC、單片機(jī)；

劉麒（1980-），男，吉林省人，漢族，碩士，吉林化工學(xué)院信控學(xué)院講師，研究方向?yàn)閭鞲衅?、檢測(cè)電路、PLC、單片機(jī)。

Mixed Interferometric Distributed Fiber Optic Sensor PGC Demodulation Module Design and Experimental Data Analysis*

WANG Ying*，LIU Qi
（College of communication and control engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022，China）

In conventional PGC（Phase Generated Carrier）dulation using analog circuit circuit aging，positioning the phenomenon such as drift，to architecture based on the digital platform of PGC demodulation interferometric fiber optic sensor，using phase scrambler improved the PGC demodulation circuit，and testing the system function module analysis，finally the effect of the PCG demodulation circuit demodulation experiment simulation，simulation results show that the improved circuit of PGC demodulation performance good，after a phase perturbation frequency signal and the correlation coefficient of more than 96%of the signal under test，the harmonic distortion is less than 2%，at the same time phase scrambler can effectively improve the PGC demodulation output is not stable and the distortion.

optical fiber sensor；interference type；PGC demodulation technology；phase scrambler

X931

A

1005-9490（2016）05-1161-05

項(xiàng)目來(lái)源：基于光纖傳感器技術(shù)的管道泄漏檢測(cè)及定位方法研究（吉化院合字2016第82號(hào)）

2015-10-08修改日期：2016-02-24

EEACC:7230E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.028