鄒捷 王宇 張建國 劉昕 白清 王東 靳寶全

摘要：針對基于相干光時域反射的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量龐大，且需要信號發(fā)生器外部驅(qū)動，集成度低的缺點，利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的高速采集與聲光調(diào)制器的同步驅(qū)動，采用USB 3.0實現(xiàn)采集模塊與上位機的實時數(shù)據(jù)傳輸。搭建一種基于相干光時域反射的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)，利用本地光與后向瑞利散射光的拍頻效應，實現(xiàn)對微弱后向瑞利散射光信號的探測，并提高系統(tǒng)的傳感距離。采用正交相位解調(diào)方法獲取振動信號的位置信息。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可在22km傳感光纖上對振動信號進行有效定位，定位誤差在20m以內(nèi)，且系統(tǒng)對正弦波和方波等不同形態(tài)的振動信號定位效果一致。

關(guān)鍵詞：光纖傳感;振動檢測;相干光時域反射;后向瑞利散射光

中圖分類號：TP211;TP23 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0114-07

收稿日期：2018-07-12;收到修改稿日期：2018-09-11

基金項目：山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項目（2016012011）;山西省重點研發(fā)計劃社會發(fā)展項目（201703D321037）;山西省應用基礎研究計劃（201701D221115）;山西省回國留學人員科研資助項目（2016-035）

作者簡介：鄒捷（1993-），女，江蘇泰州市人，碩士研究生，專業(yè)方向為光纖傳感檢測。

0 引言

光纖傳感作為一種抗電磁干擾的傳感技術(shù)，具有本質(zhì)安全、便于敷設、靈敏度高[1]等優(yōu)點，尤其在振動檢測領域得到了廣泛關(guān)注和研究。激光在光纖中傳播時，會由于外部振動的影響造成光纖產(chǎn)生彈光、泊松和應變等效應[2]，進而導致光纖折射率、光纖軸向長度和纖芯直徑改變，繼而使得振動處的光相位發(fā)生改變。為此，光相位的動態(tài)變化可以體現(xiàn)出振動信號的發(fā)生及其位置信息，從而可實現(xiàn)對振動信號的定位。

分布式光纖振動傳感系統(tǒng)一般分為前向干涉光技術(shù)和后向散射光技術(shù)，主要應用于管道安全、周界安防、結(jié)構(gòu)安全檢測等場景[3]。其中前向干涉光技術(shù)研究較早，主要有馬赫澤德干涉儀[4]、邁克爾遜干涉儀[5]和薩格奈克干涉儀[6]，通常使用時延原理實現(xiàn)振動信號定位，定位精度較低[7]，而且光路結(jié)構(gòu)復雜，參考光路部分通常需要隔溫隔振[8]。基于后向散射光的分布式振動傳感系統(tǒng)主要包括相位敏感光時域反射技術(shù)（φ-OTDR）和相干光時域反射技術(shù)（C-OTDR）。φ-OTDR技術(shù)對于振動的檢測通常采用脈沖光進行探測，后向散射光干涉光強度的變化可以反映出振動信號的位置信息[9]。由于光在傳播過程中會不斷衰減，系統(tǒng)通常會采用信號放大的方式來實現(xiàn)微弱后向散射光的探測，以提高傳感距離。饒云江教授課題組將拉曼放大技術(shù)應用到φ-OTDR中，通過光的雙向放大實現(xiàn)了62km長度的檢測[10]，隨后又提出在光纖尾端使用拉曼放大，通過調(diào)整人纖脈沖光功率和拉曼泵浦功率優(yōu)化系統(tǒng)[11]。然而，信號放大的同時會引入噪聲，降低信號質(zhì)量，甚至造成信號失真，對信號處理提出了更高的要求，有可能阻礙在工程領域的推廣應用。

基于相干光時域反射（C-OTDR）的分布式振動傳感系統(tǒng)，可通過提高本地光的光功率來實現(xiàn)對微弱后向瑞利散射光的探測，從而不需要激光放大便可獲得更長的傳感距離和更高的探測靈敏度[12-13]，并可獲得更高的信噪比[14]。針對C-OTDR傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大且實時性要求高的特點，本文采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和聲光調(diào)制器（AOM）同步驅(qū)動。傳感信號經(jīng)USB 3.0傳輸?shù)缴衔粰C進行算法處理，以便有效定位振動信號，從而為C-OTDR技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、管道安全、周界安防等方面的實際應用提供更多的借鑒。

1 C-OTDR實驗裝置及傳感原理

實驗系統(tǒng)搭建如圖1所示，激光器發(fā)出一束連續(xù)光，經(jīng)1：99的耦合器1分成兩路，一路作為本地光，一路由聲光調(diào)制器（AOM）轉(zhuǎn)換成脈沖光，經(jīng)放大器放大，由環(huán)形器注入傳感光纖，在傳輸過程中發(fā)生瑞利散射。外部振動作用于光纖導致光纖的芯徑、折射率和軸向長度發(fā)生變化，經(jīng)過振動點的后向散射光相位改變，在脈沖周期內(nèi)發(fā)生干涉。返回的散射光與本地光在耦合器2處拍頻，由雙平衡探測器轉(zhuǎn)為電信號，數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA采集后由USB3.0實時傳輸?shù)缴衔粰C進行分析。

如圖1所示，用壓電陶瓷材料（PZT）模擬外界振動作用在傳感光纖上。無振動發(fā)生時后向瑞利散射光的相位穩(wěn)定，振動發(fā)生時在對應位置處后向瑞利散射光的相位信號會發(fā)生突變，由此可以用于檢測振動信號。由于AOM的頻移效果，干涉疊加的瑞利散射光信號和本地光信號的頻率有一個穩(wěn)定的頻率差，在1：1的耦合器2處發(fā)生拍頻后，由雙平衡探測器轉(zhuǎn)換為電信號，電信號由FPGA采集，傳輸?shù)缴衔粰C解調(diào)并分析處理。干涉疊加的散射光場如下[15]：

E₁=E_R（t）expj（（ω+△ω））t+Ф_R（t））（1）式中：E_R——干涉場振幅，V;

ω——種子光頻率，MHz;

△ω——AOM引入的頻移量，在本實驗系統(tǒng)中為200MHz：

Ф_R（t）干涉場相位，rad。

從光源分出的本地光信號[15]表示為式中：E_L0——本地光振幅，V;

Ф_L0（t）本地光初相位，rad。

拍頻后耦合器2處的兩路功率[12]分別為

雙平衡探測器探測得到兩路輸出的差模部分為[12]：其中φ（t）為本地光與后向瑞利散射光場的相位之差。雙平衡探測器探測到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后由FPGA實時采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，在數(shù)字域?qū)ο辔贿M行解調(diào)，可得到外界振動的位置信息，實現(xiàn)對振動信號的有效定位。

2 信號分析處理

2.1 相位信號解調(diào)

相位信號解調(diào)算法主要有正交相位解調(diào)移動差分算法、相位生成載波解調(diào)差分算法和基于3×3耦合器的解調(diào)差分算法，其中后兩項解調(diào)算法所需增加的信號解調(diào)光路結(jié)構(gòu)對外界環(huán)境要求較高，因此一般需要隔振處理。本系統(tǒng)的信號解調(diào)基于正交相位解調(diào)算法，無需附加光路結(jié)構(gòu)，但是需要解決數(shù)據(jù)量大的問題以保證系統(tǒng)的實時性。該算法與其他同類算法的對比分析如表1所示。

系統(tǒng)的解調(diào)原理如圖2所示，生成頻率與△P（t）相同的標準正弦信號和標準余弦信號，分別與雙平衡探測得到的△P（t）相乘，所得信號濾除高頻信號分量，即可得到只攜帶相位信息而不包含頻率信息的兩路正交信號I和Q，分別為：

二者相比可約去本地光和后向散射光場的強度信息，得到攜帶相位信息的正切量，對夕1做反正切變換可得相位信號φ（t）。將表征相位信號的強度幅值保存為數(shù)組，相鄰10個脈沖作為一組，對相鄰兩組信號做差分處理。外界振動會造成振動位置處的光相位發(fā)生變化，光強相對于未發(fā)生振動時的光強發(fā)生改變，差分處理后得到信號圖，圖中對應于振動位置的信號會有很高的幅值，產(chǎn)生一個尖峰，由于系統(tǒng)采用脈沖光進行探測，脈沖光入射到光纖中，某一時刻到達光纖上一點時該點的后向瑞利散射光沿光纖回到探測器，沿光纖各點可形成一條后向散射曲線，可由下列公式得到振動信號的位置：

s=vt=v·n₀/（2n·f_r）（8）式中：f_r——探測脈沖光的重復頻率，Hz;

n₀——信號圖中峰值在后向散射曲線中所處的位置;

n——后向散射曲線的總長度;

ν——光在光纖中的傳播速度，m/s。

用OTDR儀測量傳感光纖起點到振動點的實際長度，其型號選用AOR500-S，測距精度為1.25m。實驗測得的峰值根據(jù)式（8）解調(diào)得到振動信號位置的測量值，將OTDR儀測量的振動點實際位置減去系統(tǒng)的測量值得到了系統(tǒng)定位的誤差值。

2.2 數(shù)據(jù)采集與AOM驅(qū)動

由于傳感光纖長度超過20km，數(shù)據(jù)量很大，且系統(tǒng)采用了對外界環(huán)境要求低的正交解調(diào)算法，計算量大，因此本文選用了具有高速并行處理能力的FPGA對數(shù)據(jù)進行采集和處理。為了提高傳感系統(tǒng)的集成度，F(xiàn)PGA同時驅(qū)動AOM，將連續(xù)光調(diào)制成脈沖光，重復頻率為4kHz和8kHz，取代傳統(tǒng)的信號發(fā)生器的驅(qū)動方式。根據(jù)實際應用的需要可隨時改變脈沖光的脈寬，用以調(diào)整傳感系統(tǒng)的空間分辨率?；贔PGA的高速數(shù)據(jù)采集與AOM驅(qū)動原理如圖3所示。

雙平衡探測器將連續(xù)光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）再將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。隨后，數(shù)據(jù)采集控制單元對數(shù)據(jù)進行累加平均處理與數(shù)據(jù)傳輸預處理。異步存儲處理單元將傳感數(shù)據(jù)存入FPGA的先人先出（FIFO）臨時緩存區(qū)域。數(shù)據(jù)傳輸控制單元則控制傳感數(shù)據(jù)經(jīng)USB 3.0接口傳輸?shù)缴衔粰C，以便進行數(shù)據(jù)后續(xù)解調(diào)處理。

采集控制和AOM的同步驅(qū)動由系統(tǒng)的多時鐘信號控制單元進行分配控制。首先時鐘晶振產(chǎn)生50MHz的固定時鐘頻率，由多時鐘信號控制單元對50MHz進行分頻，生成多個時鐘信號?？刂茊卧獙⑸傻臅r鐘信號分別分配給AOM驅(qū)動信號生成單元、復位信號生成單元和內(nèi)部觸發(fā)信號單元。AOM驅(qū)動信號生成單元驅(qū)動AOM將光源發(fā)出的連續(xù)光調(diào)制成8kHz的脈沖光。復位信號生成單元用于復位系統(tǒng)以確保采集程序正確有序運行。內(nèi)部觸發(fā)信號單元控制數(shù)據(jù)采集標志和數(shù)據(jù)傳輸標志，分別用于控制數(shù)據(jù)的采集與傳輸，確保數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臏蚀_性、實時性與穩(wěn)定性。系統(tǒng)的時鐘信號控制如圖4所示。

FPGA與上位機之間的高速數(shù)據(jù)傳輸基于USB3.0技術(shù)，使用CYPRESS的EZ-USB FX3進行控制，選用從設備FIFO接口對數(shù)據(jù)的讀寫進行操作，經(jīng)過USB驅(qū)動，實現(xiàn)FPGA與上位機間數(shù)據(jù)的實時傳輸。在USB串流輸入（Stream In）的傳輸模式下，通過控制MODE標志位、flaga、flagb傳輸端點空滿標志位等來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)框圖和傳輸控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示。

3 實驗結(jié)果與分析

按照圖1搭建實驗系統(tǒng)，在總長為10.5km的傳感光纖上利用PZT模擬外界振動，振動位置為距傳感光纖入射端10km處，振動信號為頻率300Hz且幅值為8V的正弦波，系統(tǒng)信號如圖6所示。圖6（a）是無外界振動時某一時刻采集到的信號曲線，通過觀察一段時間內(nèi)曲線幅值變化可以發(fā)現(xiàn)信號整體處于平穩(wěn)狀態(tài)。圖6（b）是發(fā)生振動時某一時刻的信號曲線，圖中在紅色虛線圈內(nèi)有一處明顯的尖峰，且在一段時間內(nèi)進行觀察可發(fā)現(xiàn)該尖峰會發(fā)生明顯的上下抖動，具有一定的規(guī)律性。

為了驗證系統(tǒng)的有效性，另外在距傳感光纖末端約2.5km、5.5km、7.5km處用PZT施加頻率300Hz且幅值為8V的正弦波振動信號，系統(tǒng)信號如圖7～圖9所示。經(jīng)過觀察，在不同的距離下系統(tǒng)皆具有與10km處振動相似的實驗現(xiàn)象，在圖7（b）、圖8（b）、圖9（b）的紅色虛線圈內(nèi)均有一處明顯的尖峰，且尖峰發(fā)生具有規(guī)律性的明顯抖動。

對10km處用PZT施加振動產(chǎn)生的信號曲線進行算法處理，濾除部分共模噪聲，得到振動信號差分曲線如圖10所示。由圖可知，信號曲線在振動位置處有一個極為明顯的尖峰，而無振動位置處的信號幅值較小。由此可見，系統(tǒng)能夠靈敏地定位到振動信號的發(fā)生位置，其中振動信號位置處幅值（U）為4.25V，其他位置處噪聲信號最高幅值（U_n）為0.4531V，則信噪比（SNR）約為19.44dB。

為了進一步驗證傳感系統(tǒng)對振動信號的定位精度，及對不同振動信號的定位能力，進行了2.5～22km不同距離的定位重復性實驗和不同振動形態(tài)（如正弦波振動信號與方波振動信號）的定位重復性試驗。在距傳感光纖末端2.578，5.643，7.638，10，22.074km處用PZT施加頻率300Hz且幅值8V的正弦波振動信號，繪制不同傳感距離下的誤差分析圖如圖11所示。在2.578，5.643，7.638，10，22.074km處的定位誤差分別小于14，15，15，5，20m，在22km處定位誤差略大于短距離的定位誤差。光在光纖中傳播時會有損耗，損耗到一定程度后實驗結(jié)果受到外界環(huán)境噪聲的影響，造成定位誤差的增加。

另外在傳感光纖10km處用PZT分別施加頻率300Hz且幅值8V的正弦波與方波振動信號。由16組振動定位數(shù)據(jù)繪制振動定位誤差圖如圖12所示。由圖可知，系統(tǒng)對正弦波、方波等不同的振動信號形態(tài)具有基本一致的定位效果，且定位誤差在15m以內(nèi)，表明系統(tǒng)的定位性能良好。

為了直觀地表示出本測量系統(tǒng)相比同類測量系統(tǒng)的優(yōu)缺點，對比分析了本測量系統(tǒng)與同類測量系統(tǒng)的測量范圍、便攜性、定位誤差和性價比等指標如表2所示。本測量系統(tǒng)利用FPGA替代信號發(fā)生器實現(xiàn)了對AOM的驅(qū)動，結(jié)合USB3.0完成數(shù)據(jù)的采集，大大提高了系統(tǒng)的便攜性，降低了系統(tǒng)成本，且同時系統(tǒng)傳感距離可達22km，定位誤差在20m以內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)相干光時域反射原理，搭建了G-OTDR分布式光纖振動傳感系統(tǒng)。不同于一般的測量系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用FPGA和USB 3.0技術(shù)完成了數(shù)據(jù)的高速采集、實時傳輸和對AOM的同步驅(qū)動，解決了系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大的問題，提高了系統(tǒng)的集成度，降低了系統(tǒng)成本，為該系統(tǒng)在工程中的實際應用提供了借鑒。該系統(tǒng)能在22km的傳感光纖上對振動發(fā)生位置進行定位誤差小于20m的有效定位，且針對正弦波、方波等不同形態(tài)的振動信號，其定位效果保持一致。實現(xiàn)振動信號的有效定位后，在后續(xù)的研究中將對振動信號的具體特征進行提取與分析，為系統(tǒng)的應用提供更多可能。

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（編輯：商丹丹）