南鋼洋，王啟武，孫繼華，郭銳，張振振，巨陽(yáng)

(山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250103)

【光纖與光子傳感技術(shù)】

分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南鋼洋，王啟武，孫繼華，郭銳，張振振，巨陽(yáng)

(山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250103)

基于拉曼散射溫度效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù)，設(shè)計(jì)了100 MHz高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SDLaser_DAQ600，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間環(huán)境溫度場(chǎng)測(cè)量。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中利用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)，采用實(shí)時(shí)累加平均算法對(duì)原始光纖傳感信號(hào)進(jìn)行累加平均，支持10 km光纖實(shí)時(shí)采樣，空間分辨率達(dá)到1 m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，65 536次數(shù)據(jù)累加平均可以得到平滑的斯托克斯和反斯托克斯曲線，使光纖傳感信號(hào)的信噪比提高到90 dB以上，能夠?yàn)榉植际綔囟葴y(cè)量提供良好的數(shù)據(jù)支持。

光纖傳感；數(shù)據(jù)采集；拉曼散射

在分布式光纖傳感系統(tǒng)中，光纖不僅充當(dāng)傳感器，而且還實(shí)時(shí)傳輸有效測(cè)量信號(hào)。光纖測(cè)溫基于光時(shí)域反射(optical time-domain reflect，OTOR)原理測(cè)量光纖周圍溫度，是分布式連續(xù)功能型光纖傳感系統(tǒng)的典型應(yīng)用[1-3]。其具體原理是采用后向拉曼散射溫度效應(yīng)實(shí)時(shí)測(cè)量光纖溫度場(chǎng)，當(dāng)光纖分子接收并吸收激光脈沖后，會(huì)再次發(fā)射出光子，如果有一部分光能轉(zhuǎn)換為熱能，那么將發(fā)出比原來(lái)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光，稱為斯托克斯光；相反一部分熱能轉(zhuǎn)換為光能，則發(fā)出比原來(lái)波長(zhǎng)短的光，稱為反斯托克斯光[4-6]。拉曼散射光由這兩種不同波長(zhǎng)的光組成，其波長(zhǎng)偏移是由光纖組成元素固有屬性決定的，由于散射光中夾雜著其他散射光和干擾光，所以需對(duì)兩路光信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，這兩路光信號(hào)經(jīng)過(guò)雪崩光電二極管轉(zhuǎn)換后再輸入到后續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理[5-8]。

分布式光纖傳感系統(tǒng)不僅需要對(duì)光纖解調(diào)信號(hào)快速采集處理，還需要龐大的處理器資源和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，以及利用復(fù)雜算法對(duì)采集數(shù)據(jù)并行處理。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究大多是基于工控機(jī)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，且大部分是基于外部設(shè)備互連總線(peripheral component interconnect，PCI)技術(shù)方案，如美國(guó)NI公司的數(shù)據(jù)采集卡以及國(guó)內(nèi)凌華、研華的高速信號(hào)采集卡，此外一些單位還使用PC104總線協(xié)議的數(shù)據(jù)采集卡。這兩種技術(shù)方案雖然可行，但由于工控機(jī)平臺(tái)體積較大，功耗較高，一般在50 W以上，不易升級(jí)換代，且不適合在功耗要求嚴(yán)苛的場(chǎng)合應(yīng)用[9-11]。為解決此問(wèn)題，本文采用高性能可編程邏輯門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)結(jié)合先進(jìn)精簡(jiǎn)指令集處理器(advanced RISC machines，ARM)設(shè)計(jì)出功耗低至5 W的100 MHz高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

采集系統(tǒng)利用有限狀態(tài)機(jī)控制模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)進(jìn)行信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖傳感信號(hào)的實(shí)時(shí)累加平均，將采集數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)處理后，獲得實(shí)時(shí)的斯托克斯和反斯托克斯曲線。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以應(yīng)用在油田、礦山、結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)等特殊場(chǎng)合，為分析這些場(chǎng)合的溫度場(chǎng)提供數(shù)據(jù)支持。

1 設(shè)計(jì)要求

在光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，反斯托克斯光和斯托克斯光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，經(jīng)過(guò)放大輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，在利用光纖測(cè)量環(huán)境溫度場(chǎng)時(shí)，需要提高空間分辨率和測(cè)溫精度。為提高空間分辨率，必須提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADC的采樣速率。當(dāng)測(cè)溫距離為10 km時(shí)，為滿足1 m的空間分辨率，需要采集10 000個(gè)點(diǎn)。

光信號(hào)射入光纖中后沿著光纖向前傳播，當(dāng)傳播到光纖尾端時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)再傳播到射入端被光電探測(cè)器接收，整個(gè)過(guò)程光信號(hào)行進(jìn)距離是20 km，光纖中光速約為2×108m/s，則光在光纖中的傳輸時(shí)間為100 μs，因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要在100 μs的時(shí)間內(nèi)采集10 000個(gè)點(diǎn)的光纖信號(hào)，其采樣周期是10 ns，即采樣頻率為100 MHz。

提高測(cè)溫精度不僅要增加采集系統(tǒng)采樣位數(shù)，還需要設(shè)計(jì)合適的電壓扇出方案和前端模擬調(diào)整電路。由于實(shí)際測(cè)量中溫度信號(hào)淹沒(méi)在噪聲之中，因此信號(hào)采集系統(tǒng)需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理?？紤]到光纖傳感信號(hào)有效帶寬通常在50 MHz以內(nèi)，故系統(tǒng)前端模擬調(diào)整電路采用低通濾波電路對(duì)光纖傳感信號(hào)進(jìn)行濾波，低通濾波電路截止頻率為50 MHz。為了提高測(cè)溫精度，ADC位數(shù)不低于10位，同時(shí)采用FPGA作為主處理器對(duì)數(shù)據(jù)并行處理，ARM作為輔處理器將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了百兆高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SDLaser_DAQ600(簡(jiǎn)稱DAQ600)。該系統(tǒng)采用“ARM+FPGA+ADC”架構(gòu)，為分布式光纖傳感提供數(shù)據(jù)采集分析、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及控制支持。其中，F(xiàn)PGA采用高性能Cyclone IV系列EP4CE115F29芯片作為主處理器，ARM采用型號(hào)為S3C6410的芯片作為輔助處理器，ADC采用AD9268、分辨率為16位流水線采樣技術(shù)的芯片作為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其最高采樣速率可達(dá)125 MHz。

圖1所示是DAQ600系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)架構(gòu)采用±5 V雙電源供電，擁有獨(dú)立雙通道，模擬輸入通道的量程為±2.5 V，同時(shí)DAQ600支持內(nèi)外觸發(fā)模式，利用以太網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)圖譜顯示，其中以太網(wǎng)絡(luò)最大傳輸速度可達(dá)100 Mb/s。

FPGA通過(guò)運(yùn)行內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制ADC芯片采集光纖傳感信號(hào)，同時(shí)將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、累加平均處理，然后將處理結(jié)果通過(guò)同步只讀存儲(chǔ)器控制總線讀取到ARM內(nèi)存中進(jìn)行運(yùn)算處理。這里FPGA和ARM都能進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，二者主要區(qū)別如下：(1)FPGA利用內(nèi)部邏輯和存儲(chǔ)資源將實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，屬于純硬件運(yùn)算，因此執(zhí)行速度快、效率高，用于復(fù)雜的時(shí)序控制及實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用。(2)ARM是根據(jù)程序指令的先后順序執(zhí)行數(shù)據(jù)算法，效率相對(duì)較低，主要用于數(shù)據(jù)上傳及人機(jī)交互控制。本設(shè)計(jì)充分考慮二者特點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使數(shù)據(jù)處理和傳輸效率大大提高。

圖1 DAQ600系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of DAQ600 system

2.1 供電方案設(shè)計(jì)

DAQ600是模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)，主電源采用±5 V雙電源供電，其中+5 V是系統(tǒng)正電源的扇出源，-5 V是系統(tǒng)負(fù)電源的扇出源，二者經(jīng)過(guò)LC濾波后輸出給DAQ600使用。由于FPGA及ARM需要+3.3、+2.5、+1.8、+1.2 V供電，利用低壓差線性穩(wěn)壓器(low drop out，LDO)線性電源調(diào)整芯片LTC3026來(lái)扇出這些正電壓。具體是由+5 V扇出+3.3 V電壓，再由+3.3 V扇出+2.5 V電壓，再由+2.5 V扇出+1.8 V電壓，最后再由+1.8 V扇出+1.2 V電壓。圖2所示是由+2.5 V轉(zhuǎn)換成+1.8 V的電路示意圖。

圖2 利用LDO扇出電壓原理圖Fig.2 Schematic of fan-out voltage using LDO

由于LTC3026具有低至0.06%的線性調(diào)整率和0.09%的負(fù)載調(diào)整率，該芯片具有很強(qiáng)的抑制負(fù)載干擾能力，同時(shí)該芯片支持輸出1.5 A電流，其紋波電壓在3 mV左右，滿足DAQ600的供電需求。

2.2 前端模擬信號(hào)調(diào)整電路設(shè)計(jì)

圖3所示是前端模擬信號(hào)調(diào)整電路，該電路采用電壓負(fù)反饋連接，利用低噪聲放大器ADA4938-1對(duì)信號(hào)放大，其壓擺率為4 700 V/μs，輸入偏置電壓為1 mV，由±5 V供電。

圖3 前端模擬信號(hào)調(diào)整電路Fig.3 Adjusting circuit for front-end analog signal

前端模擬信號(hào)調(diào)整采用電壓負(fù)反饋電路，該電路不僅實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)從單端形式轉(zhuǎn)換成差分形式，還能克服由于共模信號(hào)而引起的轉(zhuǎn)換誤差，滿足ADC的差分輸入要求。同時(shí)ADA4938-1共模參考電壓AMP_VOCM信號(hào)由ADC共模輸出電壓經(jīng)過(guò)緩沖放大后輸入，其中ADC共模輸出電壓值為0.9 V，該電壓加載到ADA4938-1的兩個(gè)輸出端，即放大器輸出端有個(gè)0.9 V的共模偏置電壓，滿足ADC輸入端的電壓特性要求。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)部通信設(shè)計(jì)

DAQ600采用“FPGA+ARM”架構(gòu)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器芯片DM9000A與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通信。如圖4所示，F(xiàn)PGA和ARM之間數(shù)據(jù)傳輸是由ARM同步只讀存儲(chǔ)器控制總線來(lái)完成，同步只讀存儲(chǔ)器控制總線具有16位數(shù)據(jù)和地址總線，F(xiàn)PGA與ARM以及DM9000A共用這一總線。同時(shí)將FPGA和DM9000A作為ARM處理器的兩個(gè)外設(shè)，并將兩者的物理地址映射到ARM的BANK0和BANK1上，其中BANK0和BANK1是ARM按照物理地址高低來(lái)劃分的存儲(chǔ)區(qū)域。

圖4 ARM與FPGA、DM9000A接口示意圖Fig.4 Schematic of ARM interface between FPGA and DM9000A

在數(shù)據(jù)通信時(shí)，通過(guò)ARM片選控制信號(hào)nCS0、nCS1選中FPGA和DM9000A工作。由于FPGA和DM9000A是共用數(shù)據(jù)總線，因此不支持FPGA和DM9000A同時(shí)讀寫數(shù)據(jù)，當(dāng)其中一個(gè)工作時(shí)，連接到另一個(gè)芯片的數(shù)據(jù)總線需要置于高阻狀態(tài)。

EINT9是FPGA的中斷信號(hào)，當(dāng)FPGA與ARM需要通信時(shí)發(fā)送該中斷信號(hào)，ARM響應(yīng)中斷信號(hào)后通過(guò)nCS0選中FPGA讀寫數(shù)據(jù)。IRQ_LAN是DM9000A連接到ARM的中斷請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)二者需要數(shù)據(jù)通信時(shí)，DM9000A發(fā)送IRQ_LAN信號(hào)給ARM，ARM響應(yīng)中斷后通過(guò)nCS1選中DM9000A讀寫數(shù)據(jù)。

2.4 DAQ600采集處理流程設(shè)計(jì)

對(duì)分布式光纖傳感信號(hào)采集時(shí)，通道1和通道2分別連接斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)，當(dāng)FPGA被觸發(fā)后，其內(nèi)部狀態(tài)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，并對(duì)ADC進(jìn)行時(shí)序控制和數(shù)據(jù)讀取。其中，狀態(tài)機(jī)由狀態(tài)寄存器和組合邏輯電路構(gòu)成，是數(shù)據(jù)采集處理的中樞，其工作原理是根據(jù)控制信號(hào)的變化跳轉(zhuǎn)到預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)。圖5是DAQ600的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)流程圖。

圖5 DAQ600狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Flow chart of DAQ600 state machines design

當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)時(shí)，第一個(gè)觸發(fā)脈沖到來(lái)后，狀態(tài)機(jī)啟動(dòng)ADC初始化流程并發(fā)送相關(guān)命令給ADC芯片。ADC芯片初始化后開(kāi)始采集輸入信號(hào)，并將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA片內(nèi)RAM中，其中RAM1和RAM2分別存放通道1和通道2的數(shù)據(jù)。由于ADC芯片采用流水線技術(shù)采樣，其有效數(shù)據(jù)輸出比實(shí)際信號(hào)輸入延后6.5個(gè)時(shí)鐘周期，故狀態(tài)機(jī)需要對(duì)ADC采集數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序補(bǔ)償。

經(jīng)過(guò)時(shí)序補(bǔ)償后數(shù)據(jù)再累加存儲(chǔ)，當(dāng)FPGA完成65 536次累加平均后，RAM1和RAM2的數(shù)據(jù)存放的是累加平均結(jié)果，此時(shí)將發(fā)送中斷信號(hào)給ARM，然后ARM通過(guò)其同步只讀存儲(chǔ)器控制總線讀取該累加結(jié)果。當(dāng)RAM1和RAM2中的數(shù)據(jù)讀取完畢后，ARM再將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以100 Mb/s的速度上傳至PC機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，搭建分布式光纖傳感溫度測(cè)試系統(tǒng)，驗(yàn)證DAQ600系統(tǒng)指標(biāo)及其狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)是否符合實(shí)驗(yàn)需要。為方便驗(yàn)證，利用光時(shí)域反射原理對(duì)長(zhǎng)度為80 m的光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，DAQ600采樣速率為100 MHz，按照1 m光纖采集1個(gè)點(diǎn)計(jì)算，一次采集80 m光纖需要800 ns，則重復(fù)65 536次采集并進(jìn)行累加平均需要52.4288 ms。

圖6 DAQ600系統(tǒng)光纖溫度場(chǎng)采集實(shí)驗(yàn)Fig.6 DAQ600 system based optical fiber data acquisition

為了驗(yàn)證DAQ600系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用兩套DAQ600同時(shí)對(duì)光纖傳感信號(hào)進(jìn)行采集，如圖6所示。由于二者采集結(jié)果是一致的，圖7所示是其中一套DAQ600系統(tǒng)獲得的斯托克斯和反斯托克斯曲線。從圖中可看出，反斯托克斯曲線在尾端0.78 μs處明顯有個(gè)突起信號(hào)峰，這是由于在實(shí)驗(yàn)中將光纖末端(約78 m處)放進(jìn)熱水中，此處光纖外界溫度高，反映到測(cè)試曲線上就是在反斯托克斯曲線末端有個(gè)信號(hào)峰。而斯托克斯曲線突起不明顯，這是由于光纖產(chǎn)生的斯托克斯光對(duì)溫度不敏感，兩者的測(cè)試結(jié)果符合光纖測(cè)溫原理。通過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了DAQ600的數(shù)據(jù)處理流程及狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)符合要求，采集系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行100 d。

圖7 經(jīng)過(guò)65 536次累加平均的斯托克斯和反斯托克斯曲線Fig.7 Stokes and anti-Stokes curves after 65 536 times cumulative averaging

通過(guò)對(duì)圖7中的斯托克斯和反斯托克斯曲線相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，可以解析出溫度與反斯托克斯曲線突起峰值的關(guān)系。經(jīng)測(cè)試，DAQ600可以精確地恢復(fù)檢測(cè)被噪聲背景淹沒(méi)的微弱信號(hào)，通過(guò)實(shí)時(shí)累加平均后，光纖傳感信號(hào)的信噪比提高到90 dB以上，適用于分布式光纖傳感系統(tǒng)。

4 結(jié)論

分布式光纖傳感系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)、快速、多點(diǎn)測(cè)量，通過(guò)設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空間溫度場(chǎng)的測(cè)量。本文設(shè)計(jì)的DAQ600數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在可編程邏輯陣列上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)累加平均算法，支持100 MHz的信號(hào)采樣速率，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始光纖傳感信號(hào)多達(dá)65 536次累加平均，使光纖傳感信號(hào)的信噪比提高到90 dB以上，為分布式溫度測(cè)量提供了良好的數(shù)據(jù)支撐。

目前存在的問(wèn)題是信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)受限于FPGA片上存儲(chǔ)空間，尤其是當(dāng)信號(hào)采樣頻率提高到125 MHz時(shí)，將占用更多的存儲(chǔ)資源。當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)增加到一定數(shù)量后，F(xiàn)PGA會(huì)降低并行處理效率，且增加內(nèi)部布局布線復(fù)雜度，最終會(huì)導(dǎo)致時(shí)序亞穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)不能正常工作。今后系統(tǒng)需要在以下兩個(gè)方面改進(jìn)，一是增加FPGA片上內(nèi)部存儲(chǔ)空間，采用更大片上內(nèi)部存儲(chǔ)容量的處理器；二是改進(jìn)總線傳輸機(jī)制，使DM9000A具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)、地址總線，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

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Designofdataacquisitionsystemfordistributedopticalfibersensor

NANGang-yang,WANQi-wu,SUNJi-hua，GUORui,ZHANGZhen-zhen,JUYang

(LaserResearchInstitute，ShandongAcademyofSciences,Jinan250103,China)

∶Based on the Raman scattering temperature effect and the optical time domain reflection technology, a 100 MHz high-speed data acquisition system SDLaser_DAQ600 was developed to measure the temperature field of space environment. In the data acquisition system, using real time averaging algorithm in the FPGA, DAQ600 has realized 65 536 times cumulative averaging for original fiber sensor signals, which supported real-time sampling of 10 km length fiber with 1 m spatial resolution.The experimental results show that, signal-to-noise ratio for optical fiber sensing can be increased to more than 90 dB through the 65 536 times cumulative averaging. Finally, smooth curves of Stokes and anti-Stokes have been obtained, which could provide proper data support for distributed temperature system measurement.

∶optical fiber sensor; data acquisition; Raman scattering

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.011

2017-06-12

山東省自然科學(xué)基金(ZR2016FB26)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016GGX101026)

南鋼洋(1984—)，男，助理研究員，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理技術(shù)。

TP274+.2

A

1002-4026(2017)06-0065-06