應(yīng)啟瑞，王 宇，張建國(guó)，王 東，劉 昕，白 清，靳寶全,2

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024;2.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西晉城 048012)

0 引言

基于相位敏感光時(shí)域反射(Ф-OTDR)原理的分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)由Taylor于1993年提出[1]。該技術(shù)將通信光纖作為傳感媒介，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、本質(zhì)安全、敷設(shè)方便、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于振動(dòng)檢測(cè)[2]，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域的非法入侵預(yù)警[3]，油氣管線的第三方破壞在線監(jiān)測(cè)[4]，橋梁大壩等重要建筑的振動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)采集[5]。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的不斷深入，Ф-OTDR系統(tǒng)向著長(zhǎng)傳感距離、高分辨率的方向不斷前進(jìn)。葡萄牙波爾圖大學(xué)Martins團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了125 km的光纖檢測(cè)距離，同時(shí)保持10 m的空間分辨率[6]。渥太華大學(xué)和山東大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了在0.68 km光纖上1 m的空間分辨率[7]。電子科技大學(xué)王子南團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了175 km的超長(zhǎng)檢測(cè)距離，并保持25 m的空間分辨率[8]。光纖傳感距離與分辨率的提升，將導(dǎo)致光電信號(hào)處理面臨傳感數(shù)據(jù)量大、處理速度緩慢的問(wèn)題，并顯著影響振動(dòng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，因此需要一套高速穩(wěn)定的信號(hào)采集與信號(hào)解調(diào)方案。

本課題組前期已針對(duì)Ф-OTDR系統(tǒng)傳感信號(hào)的高速采集進(jìn)行了初步探索[9]。本文在此基礎(chǔ)上，深入研究了信號(hào)的高速解調(diào)方案，利用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)的并行處理特性[10-11]，設(shè)計(jì)了一種提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率的三級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)的吞吐量，以便實(shí)現(xiàn)振動(dòng)特征參量的信號(hào)高速解調(diào)與處理。

1 分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)

脈沖激光在光纖中傳輸時(shí)，會(huì)因光纖內(nèi)部介質(zhì)的不均勻性而產(chǎn)生后向瑞利散射，而當(dāng)激光線寬較窄時(shí)，通常會(huì)在同一脈沖寬度內(nèi)出現(xiàn)后向瑞利散射光的自相干現(xiàn)象。

當(dāng)同一脈沖寬度內(nèi)的兩束后向瑞利散射光發(fā)生干涉時(shí)，設(shè)其光強(qiáng)分別為I1、I2，相位差為φ0，兩束激光干涉后的光強(qiáng)為I，則有

(1)

當(dāng)外界有振動(dòng)發(fā)生時(shí)，振動(dòng)所引發(fā)的機(jī)械波會(huì)通過(guò)彈性介質(zhì)的傳播而作用于傳感光纖。由于光纖中存在光彈效應(yīng)，兩束激光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生與外界振動(dòng)變化相一致的相位差Δφ，從而造成干涉光強(qiáng)I的變化，其表達(dá)式為

(2)

由于外界振動(dòng)信號(hào)具有隨機(jī)性和快速性，使得系統(tǒng)與沒(méi)有外界振動(dòng)的情形相比，干涉光強(qiáng)在振動(dòng)位置處會(huì)發(fā)生明顯的快速變化?；谶@種現(xiàn)象，可通過(guò)飛行原理來(lái)進(jìn)行振動(dòng)事件的定位。假定振動(dòng)事件發(fā)生點(diǎn)與光纖注入端距離為S，則有

(3)

式中：c為光在真空中傳播的速度；n為光纖的折射率；t為激光從入射端傳播到振動(dòng)點(diǎn)并后向散射回入射端的時(shí)間。

基于上述原理，實(shí)驗(yàn)室搭建了分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，用于驗(yàn)證信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的工作效果，如圖1所示。

圖1 分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)

這種分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)由窄線寬激光器產(chǎn)生連續(xù)光，經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制后產(chǎn)生光脈沖，光脈沖由脈沖光纖放大器進(jìn)行功率增強(qiáng)，并通過(guò)濾波器注入傳感光纖，相干瑞利散射光從環(huán)形器返回到光電探測(cè)器，送入信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)中完成信號(hào)的解調(diào)。

采集到的單個(gè)后向散射曲線如圖2所示，其幅值反映后向散射光的光強(qiáng)大小，當(dāng)光纖沒(méi)有振動(dòng)時(shí)，后向散射曲線保持平穩(wěn)；而在光纖某些位置處發(fā)生振動(dòng)時(shí)，后向散射曲線會(huì)在對(duì)應(yīng)位置處產(chǎn)生躍變。由于采集點(diǎn)密集且躍變速度較快，因此需要后續(xù)解調(diào)算法對(duì)散射曲線進(jìn)行處理，以便提取出后向散射曲線上的幅度躍變信息。

圖2 后向散射曲線圖

由于激光光源存在一定的頻率漂移，非振動(dòng)區(qū)域的后向散射曲線會(huì)有緩慢的光功率幅值波動(dòng)，而振動(dòng)位置處的幅度變化較為明顯。為了提高系統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)性能，下面設(shè)計(jì)了振動(dòng)幅度動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整算法。當(dāng)振動(dòng)幅度高于閾值時(shí)，將其判定為振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)幅度低于閾值時(shí)，將其判定為干擾。閾值設(shè)立方法為

T(i)=γ[(s-i)α+1]

(4)

式中：γ為閾值修正系數(shù)；s為光纖末端對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)；i為當(dāng)前光纖位置對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)；α為光纖衰減系數(shù)。

隨后根據(jù)設(shè)定好的閾值對(duì)振動(dòng)發(fā)生區(qū)域進(jìn)行判定，提取出相應(yīng)的振動(dòng)特征量，即

(5)

式中：A(i,m)為第m條后向散射曲線采樣點(diǎn)i處的幅度；A(i,n)為第n條后向散射曲線采樣點(diǎn)i處的幅度；μ和η為幅度修正系數(shù)。

將時(shí)間域[x,y]內(nèi)r(i)的振動(dòng)特征量組成矩陣R(x,y)，R(x,y)中的干擾噪聲均被衰減，同時(shí)振動(dòng)位置凸顯出來(lái)，由此可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)事件的定位。然而，由于需要從歷史數(shù)據(jù)中持續(xù)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行判斷和分析，并提取出振動(dòng)特征量，需要消耗大量的數(shù)據(jù)積累時(shí)間和數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間，從而對(duì)振動(dòng)位置識(shí)別的實(shí)時(shí)性造成一定影響。

表1中給出了檢測(cè)距離為12 km，探測(cè)脈沖頻率為8 kHz時(shí)，采用不同模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(A/D)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大小分析。系統(tǒng)采樣率越高，信號(hào)采集效果越好，但隨之?dāng)?shù)據(jù)量越大，數(shù)據(jù)處理要求越高。例如，系統(tǒng)使用采樣率為50 MHz、采樣精度為10位的A/D時(shí)，每s需傳輸和處理的數(shù)據(jù)量大小約為96 MB，此基礎(chǔ)上再進(jìn)行后續(xù)振動(dòng)分析與提取，會(huì)造成上位機(jī)運(yùn)算負(fù)荷過(guò)大，影響振動(dòng)位置識(shí)別的實(shí)時(shí)性。

表1 不同性能A/D采集的數(shù)據(jù)量大小

2 信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

Ф-OTDR信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示，硬件實(shí)現(xiàn)電路使用了Cyclone Ⅲ系列型號(hào)為EP3C40F484C6N的FPGA芯片，具有39 600個(gè)邏輯單元，1 134 KB的RAM容量，可提供4個(gè)片內(nèi)PLL，以及豐富的I/O接口，此外還使用了型號(hào)為MT47H64M16HR的1 Gbits、16位DDR2芯片。

圖3 解調(diào)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)電路

其中，以FPGA作為控制核心實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的控制信號(hào)調(diào)配和數(shù)據(jù)傳輸，其依功能不同分為3個(gè)部分，即與外部資源進(jìn)行交互的頂層交互接口，產(chǎn)生系統(tǒng)各控制信號(hào)的控制器陣列以及實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。FPGA信號(hào)控制系統(tǒng)內(nèi)部模塊如圖4所示。

圖4 FPGA信號(hào)控制系統(tǒng)內(nèi)部模塊圖

2.1 頂層交互接口設(shè)計(jì)

頂層交互接口與外部資源相連接，為控制信號(hào)和數(shù)據(jù)流提供傳輸通道。由時(shí)鐘晶振輸入?yún)⒖纪綍r(shí)鐘，由復(fù)位信號(hào)接口輸入復(fù)位信號(hào)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位功能。FPGA解調(diào)系統(tǒng)可生成聲光調(diào)制器(AOM)的調(diào)制信號(hào)，并經(jīng)由調(diào)制信號(hào)輸出接口傳輸?shù)铰暪庹{(diào)制器，以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的調(diào)制。隨后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入采集信號(hào)，進(jìn)入FPGA解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行相位OTDR后向散射信號(hào)的解調(diào)，并由數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出解調(diào)信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸接口可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞。

2.2 控制器陣列設(shè)計(jì)

控制器陣列包括了A/D采集控制器、內(nèi)觸發(fā)信號(hào)生成模塊、多時(shí)鐘域信號(hào)控制模塊、專用復(fù)位信號(hào)生成模塊和信號(hào)輸出控制器。A/D采集控制器用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使能和采樣率，并作為數(shù)據(jù)通道將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。內(nèi)觸發(fā)信號(hào)生成模塊用于產(chǎn)生AOM調(diào)制信號(hào)，同時(shí)為其他模塊提供內(nèi)觸發(fā)，保持信號(hào)采集的穩(wěn)定性。多時(shí)鐘域信號(hào)控制模塊接收晶振產(chǎn)生的參考時(shí)鐘，為其他模塊提供多時(shí)鐘域參考時(shí)鐘和控制信號(hào)。專用復(fù)位信號(hào)生成模塊經(jīng)過(guò)異步復(fù)位同步釋放的雙緩沖處理，為其他模塊提供穩(wěn)定的復(fù)位功能。此外，專用復(fù)位信號(hào)生成模塊還為其他模塊提供信號(hào)的初始化功能，保證其他模塊正常的上電工作。信號(hào)輸出控制器對(duì)輸出信號(hào)的傳輸進(jìn)行控制，同時(shí)為接口提供時(shí)鐘信號(hào)及其他控制信號(hào)。

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、數(shù)據(jù)后處理模塊和信號(hào)解調(diào)模塊組成，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊完成對(duì)傳輸進(jìn)入信號(hào)的分割，分離出每一條后向散射曲線，同時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)的位寬以適配總線。數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入數(shù)據(jù)緩存模塊，為了避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)漏，通過(guò)握手信號(hào)控制器和跨時(shí)鐘域同步模塊實(shí)現(xiàn)專用握手信號(hào)和跨時(shí)鐘域信號(hào)兩次緩沖機(jī)制，以規(guī)避多時(shí)鐘域下信號(hào)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象。借由MT47H64M16HR的DDR2芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存，其在全速率下可實(shí)現(xiàn)32位數(shù)據(jù)寬度，最高200 MHz的工作頻率。為了充分利用DDR2的數(shù)據(jù)位寬，通過(guò)寫數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換，將采集數(shù)據(jù)的位寬拓展為32位，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多級(jí)緩存模塊后，再通過(guò)讀數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)位寬降為原始的數(shù)據(jù)位寬，從而提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率。

其中多級(jí)緩存模塊調(diào)用了Altera的DDR2 IP核來(lái)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作，模塊的功能框圖如圖5所示。

圖5 多級(jí)緩存模塊功能框圖

DDR2 IP核分為2個(gè)部分，即ALTMEMPHY和存儲(chǔ)控制器。ALTMEMPHY完成DDR2的自動(dòng)校正，實(shí)現(xiàn)DDR2所需的物理接口，并在初始化后保持用戶邏輯和存儲(chǔ)控制器的連通，而存儲(chǔ)控制器產(chǎn)生DDR2芯片實(shí)際讀寫操作需要的時(shí)序，這樣直接通過(guò)用戶邏輯即可完成對(duì)DDR2的操作。由于DDR2只有一套數(shù)據(jù)、地址和控制總線，即DDR2不能夠同時(shí)執(zhí)行讀和寫操作，同一時(shí)間只能夠執(zhí)行讀或?qū)懸环N操作，因而需要更高的工作時(shí)鐘和更快的操作速度。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流速率的轉(zhuǎn)換，使用了兩級(jí)FIFO來(lái)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)緩沖，即第一級(jí)FIFO(以下稱其為FIFO_IN)和第二級(jí)FIFO(以下稱其為FIFO_OUT)，采用分時(shí)復(fù)用的方法，將需要緩存的數(shù)據(jù)或者需要讀出的數(shù)據(jù)在不同時(shí)刻寫入和讀出DDR2存儲(chǔ)器中。DDR2只有一套地址總線，由于需要對(duì)DDR2進(jìn)行獨(dú)立的讀寫操作，在DDR2控制器中設(shè)計(jì)了2套地址總線，以分別記錄讀寫操作的地址，兩者的操作相互獨(dú)立，為了使存儲(chǔ)器讀出的數(shù)據(jù)總是有效，必須保證寫地址始終大于讀地址，在DDR2控制器中加入了預(yù)寫入機(jī)制以限制讀地址落后于寫地址，保證數(shù)據(jù)的有效性。

多級(jí)數(shù)據(jù)緩存模塊的狀態(tài)流程圖如圖6所示，其具體實(shí)現(xiàn)為：系統(tǒng)先進(jìn)入初始化狀態(tài)，進(jìn)行整個(gè)模塊的初始化操作，同時(shí)數(shù)據(jù)向FIFO_IN寫入，并判斷FIFO_IN的寫滿標(biāo)志位，當(dāng)FIFO_IN即將寫滿時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)寫入狀態(tài)，此時(shí)FIFO_IN向DDR2寫入數(shù)據(jù)，并判斷FIFO_IN的讀空標(biāo)志位。當(dāng)FIFO_IN讀空時(shí)，系統(tǒng)的預(yù)操作完成，進(jìn)入等待狀態(tài)，由于預(yù)讀寫機(jī)制的存在，可以保證讀地址始終落后于寫地址，因而可以不用考慮同一個(gè)觸發(fā)周期內(nèi)讀寫的優(yōu)先性，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎挽`活性。

圖6 多級(jí)緩存模塊狀態(tài)流程圖

在等待狀態(tài)下，DDR2不作任何操作，等待FIFO_IN是否即將寫滿或是FIFO_OUT是否讀空，以及觸發(fā)周期內(nèi)的總數(shù)據(jù)是否全部讀空。當(dāng)FIFO_IN即將寫滿時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)寫入狀態(tài)，此時(shí)FIFO_IN向DDR2寫入數(shù)據(jù)，并判斷FIFO_IN的讀空標(biāo)志位，若即將讀空，則返回等待狀態(tài)。當(dāng)FIFO_OUT即將讀空時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)寫入狀態(tài)，此時(shí)FIFO_OUT從DDR2讀出數(shù)據(jù)，并判斷FIFO_OUT的寫滿標(biāo)志位，若即將寫滿，則返回等待狀態(tài)。

當(dāng)一個(gè)觸發(fā)周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)全部被DDR2存儲(chǔ)完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入掛起狀態(tài)，此時(shí)DDR2不作任何操作，并等待下一次觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)，直到接收到觸發(fā)信號(hào)后才返回等待狀態(tài)，進(jìn)行下一輪的操作。

數(shù)據(jù)從多級(jí)緩存模塊中流出后，經(jīng)讀數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換模塊后還原為原始位寬的信號(hào)。如圖7所示，總線將數(shù)據(jù)傳輸至后處理模塊，以完成單條后向散射曲線信號(hào)的識(shí)別，并將數(shù)據(jù)與觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行對(duì)齊，以方便其后的信號(hào)解調(diào)。在信號(hào)解調(diào)模塊，采用數(shù)據(jù)差分的方法，通過(guò)將若干條臨近的后向散射曲線進(jìn)行綜合比對(duì)，準(zhǔn)確提取出振動(dòng)發(fā)生位置，從而解調(diào)出振動(dòng)特征動(dòng)態(tài)曲線圖。

圖7 信號(hào)解調(diào)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

基于上述搭建的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，使用了約6 000 m長(zhǎng)的單模光纖進(jìn)行測(cè)試。在3 043 m處施加外界振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)采集回的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

圖8為經(jīng)系統(tǒng)解調(diào)后信號(hào)的時(shí)空域瀑布圖。從圖8可以看到，信號(hào)在3 043 m處沿時(shí)間軸方向形成一條明顯的振動(dòng)軌跡，而在其他沒(méi)有施加振動(dòng)的位置處，信號(hào)保持穩(wěn)定，沒(méi)有任何痕跡。從而表明解調(diào)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)施加的振動(dòng)位置具有良好的一致性。

圖8 解調(diào)信號(hào)的時(shí)空域瀑布圖

圖9為振動(dòng)信號(hào)的時(shí)空域檢測(cè)圖，從圖9可以看到不同位置不同時(shí)刻下振動(dòng)信號(hào)的幅度情況，當(dāng)用手對(duì)光纖進(jìn)行拍擊時(shí)，可以清晰觀察到振動(dòng)信號(hào)的幅度變化，且噪聲較小，信噪比約為31 dB。

圖9 振動(dòng)信號(hào)的時(shí)空域檢測(cè)圖

在傳統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)中，由于軟件以串行指令的形式實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，即使在高性能處理環(huán)境下也僅能實(shí)現(xiàn)50 Hz的頻率刷新，解調(diào)時(shí)間至少需20 ms。而在上述信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA以50 MHz的參考時(shí)鐘頻率工作，并輸出振動(dòng)特征解調(diào)信號(hào)，振動(dòng)源定位的結(jié)果是以50 MHz的頻率刷新，即解調(diào)結(jié)果處理只需20 ns便能夠?qū)崟r(shí)顯示。因而基于FPGA的信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)可縮減至少20 ms的解調(diào)時(shí)間，明顯提升了解調(diào)速度。

為進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)效果，在光纖末尾約10 022 m處施加振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行50次振動(dòng)重復(fù)性測(cè)試。如圖10所示，結(jié)果可得定位誤差最大為17 m，波動(dòng)在20 m范圍之內(nèi)，因而系統(tǒng)具有良好的定位性能。

圖10 振動(dòng)誤差重復(fù)性測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

本文搭建了基于Ф-OTDR技術(shù)的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于FPGA的信號(hào)解調(diào)方案，并對(duì)外界振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了定位測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于FPGA的信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)解調(diào)出振動(dòng)特征，準(zhǔn)確顯示出振動(dòng)事件位置，本系統(tǒng)有望在煤層氣管線第三方破環(huán)預(yù)警、礦井重大災(zāi)害救援人員定位等場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用與推廣。