尤澤杭，馬曉明，高慧敏，孟繁韜

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學 天津300350)

1 系統(tǒng)設(shè)計背景及意義

隨著我國水資源開發(fā)與利用的發(fā)展，大壩安全性問題日益突顯，大壩安全性檢測技術(shù)就顯得尤為重要。我國水庫大多建于 20世紀 50至 70年代，由于當時的經(jīng)濟社會條件制約，普遍存在工程質(zhì)量問題，加之長期維修管理不夠，其中約 50%水庫為病險水庫，不僅不能正常發(fā)揮效益，而且存在較高的潰壩風險，嚴重威脅人民安全與社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，定期對水庫大壩進行安全監(jiān)控，了解大壩安全狀況，以便有針對性地對裂縫點采取措施，對于確保大壩安全和公共安全意義重大。滲漏是水利工程中最為常見的隱患，水庫滲漏若未得到及時修復(fù)不僅是對于水資源的浪費，也會給下游人們帶來極大的生命和財產(chǎn)威脅。因此，實時監(jiān)控和反饋基礎(chǔ)設(shè)備的當前狀態(tài)極為重要。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)如圖 1所示。該硬件系統(tǒng)主要由三大部分組成：光纖傳感系統(tǒng)、FPGA芯片以及PC主機。通過光纖傳感系統(tǒng)采集光信號，F(xiàn)PGA芯片對光信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，MFC對采集的信號進行高精度的數(shù)據(jù)分析和實時顯示。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)圖Fig.1 Hardware system design architecture diagram

光纖傳感系統(tǒng)由激光器發(fā)射出激光，光源經(jīng)由光纖傳遞到調(diào)制器，由于受到外界環(huán)境的影響，使得傳輸?shù)墓庑盘柕膮?shù)發(fā)生了變化，通過 FPGA對光信號的轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)?MFC中對信號進行分析處理，得到了對應(yīng)變化的外界測量參數(shù)。

2.1 光纖傳感系統(tǒng)的構(gòu)成

光纖傳感系統(tǒng)主要由窄線寬激光器、聲光調(diào)制器、函數(shù)發(fā)生器、摻鉺放大器(EDFA)、環(huán)形器波光復(fù)用器以及光纖組成。

①超窄線寬激光器：發(fā)射大功率、頻率穩(wěn)定的激光。

②聲光調(diào)制器：激光經(jīng)過聲光調(diào)制器后，在函數(shù)發(fā)生器的作用下變?yōu)楣饷}沖，調(diào)制器調(diào)制脈沖間隔保證一個脈沖沿傳感光纖的散射光完全傳輸回接收端后再發(fā)射出下一個脈沖。

③摻鉺光纖放大器(EDFA)：脈沖通過摻鉺光纖放大器將發(fā)射和被傳輸回來的信號增強，實現(xiàn)遠距離探測。

④環(huán)形器：可將輸出和傳回的光信號隔離開，互不影響。

⑤波光復(fù)用器(WDM)：輸入的光信號通過WDM 到光纖中擴散。在擴散過程中，脈沖不停地與光纖中的微粒發(fā)生瑞利散射，形成散射光。

⑥光電探測器(PD)：光電探測器將散射光接收，經(jīng)過光電探測儀后進行數(shù)據(jù)采集和信號分析

分布式光纖傳感系統(tǒng)的主要原理是通過實時連續(xù)地對光纖附近的外界參量進行測量，在此過程中，將傳輸回來的數(shù)據(jù)進行時域、空間域和頻域的分析。分布式光纖傳感系統(tǒng)主要可分為全分布式和準分布式兩類。在準分布式光纖傳感中，光纖不能實現(xiàn)傳感的功能，只能執(zhí)行傳光的功能。準分布式光纖傳感器通過耦合器將多個獨立光纖傳感器串聯(lián)或并聯(lián)到一根光纖[1]，并借助計算機技術(shù)以及對應(yīng)的光電探測器對解調(diào)信號進行處理并分析，由此來得到光纖探測范圍內(nèi)的參量。準分布式光纖傳感器，具備較強的準確性，可以對所測量范圍內(nèi)不同的分布空間的參量進行測量，但在具體探測當中還存在著一定的盲區(qū)，往往需要進行多個傳感器間的相互耦合，因此存在投資成本相對較高，結(jié)構(gòu)繁復(fù)等缺點[2]。

全分布式傳感器與準分布式傳感器恰恰相反，它是將整個系統(tǒng)集中到一個光纖之上。所以，全分布式光纖傳感器相較于準分布式光纖傳感器來說，不存在所謂的檢測盲區(qū)，監(jiān)測范圍更廣，并且兼具傳感功能，同時其自身結(jié)構(gòu)并不是太復(fù)雜。

光纖在傳輸光的過程中，會產(chǎn)生光的散射，其產(chǎn)生主要的3種散射分別是布里淵散射、拉曼散射以及瑞利散射[3]。布里淵散射與晶體中的自旋波有關(guān)。拉曼散射的譜線僅與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，即只與振動和轉(zhuǎn)動能級有關(guān)，與入射光頻率無關(guān)，因此可以使用拉曼散射進行物質(zhì)的鑒定和分析。瑞利散射是一種彈性散射，來自激發(fā)源的光子從溶液中的分子反彈出來，之后它們在許多方向上散射而不損失能量，其中一些散射又重復(fù)進入信號接收器，更重要的是瑞利散射通常出現(xiàn)在與當前完全相同的激發(fā)波段上。

2.2 FPGA芯片

采用以 FPGA芯片為核心的硬件平臺，編寫光信號觸發(fā)采集驅(qū)動程序，實現(xiàn)高采樣率的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)模轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采樣頻率為 250MHz，距離分辨率為0.4m，滿足監(jiān)測水庫泄漏狀況的需求。

2.3 ADS42LB69模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADS42LB69為雙路 16位 250Msps模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持DDR和QDR LVDS接口。已緩沖模擬輸入在大幅減少采樣保持毛刺脈沖能量的同時，在寬頻率范圍內(nèi)提供統(tǒng)一的輸入阻抗。采樣時鐘時分頻器可實現(xiàn)更靈活的系統(tǒng)時鐘架構(gòu)設(shè)計。ADS42LB69以低功耗在寬輸入頻率范圍可提供出色的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

上位機程序基于C++編程語言的MFC框架進行開發(fā)，主要完成對采集信號的處理，分析變化波形特征，并對干擾位置處進行時域、空間域和頻域分析，最后將整理分析的數(shù)據(jù)通過可視化界面展示出來。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計一種基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的水庫滲漏監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 FPGA為控制核心，使用光纖傳感系統(tǒng)采集實時變化的光信號，使用 MFC開發(fā)上位機軟件用于對數(shù)據(jù)高精度的分析和波形的顯示。其頻域分析結(jié)果精度高，探測范圍廣，數(shù)據(jù)采集效率高。通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性十分高，能夠為水庫滲漏提供一種高精度、范圍廣、效率高的監(jiān)測方法。