準分布式光纖振動傳感系統信號增益均衡及穩定技術*

黃新銳，侍海峰，王廣禎，王　爍，李明銘，潘　超，孫小菡

（東南大學電子科學與工程學院，南京210096）

準分布式光纖振動傳感系統信號增益均衡及穩定技術*

黃新銳，侍海峰，王廣禎，王爍，李明銘，潘超，孫小菡*

（東南大學電子科學與工程學院，南京210096）

針對準分布式光纖振動傳感系統的各傳感通道的增益差異，提出一種基于PI算法的多路信號增益均衡及穩定技術。通過合理設置算法的調節時間，確保傳感系統正常工作的同時，消除了因光波偏振、相位等參數緩慢變化引起的增益變化。實驗結果表明，四通道的復用系統，不同通道的最大增益差是1.6 V；每個通道增益波動幅度最大是2.3 V，波動周期是0.23 h。選取合適的PI控制器參數KP=0.01，KI=0.1，此時，PI算法的調節時間大約為4 s，增益波動幅度小于0.2 V。

準分布式光纖振動傳感系統；增益均衡；PI算法；時分復用

準分布式光纖振動傳感系統是以光纖傳感器作為敏感單元，通過采用一定的復用方式級聯在一起，通過后端的光信號解調、分析與處理，實現入侵事件的判斷、定位、報警和入侵目標的識別［1-3］。與傳統的分布式光纖振動傳感系統相比，具有結構簡單、易復用、成本較低，誤報率低，定位簡單等優勢，在安防領域有著重要的應用前景，也是將來智能安防檢測的主流發展方向［4-6］。

傳統的準分布式光纖傳感系統通常采用波分復用技術和光纖光柵作為傳感單元［7-9］。例如，廈門大學董小鵬［10］等人提出的一種基于波分復用的光纖多防區周界傳感系統，采用FBG作為每個防區的傳感單元，結構簡單，但區域數目受光源帶寬限制，而且需要采用波分復用器件和多個接收機，成本較高。華中科技大學劉德明［11］等人提出的一種基于混合時分/波分復用傳感無源光網絡的光纖周界安防系統，采用混合時分/波分復用系統，使區域數目不受光源帶寬限制，但需要采用波分復用器件和多個光接收機，成本也較高。復旦大學肖倩［12］等人提出的一種基于相位載波復用的光纖周界安防系統，采用多路信號復用同一白光干涉系統，大大降低了準分布式光纖振動傳感系統因分區所需的干涉系統的數量，但需要串接不同頻率的相位調制器以區分不同防區，采用相位解調技術，算法復雜度相對較高。

項目來源：江蘇省高校品牌專業建設工程項目

收稿日期：2015-06-13修改日期：2015-08-07

考慮到傳感器的所處位置不同，光傳至每個傳感器傳輸距離不同，造成系統接收到的代表不同傳感器的光脈沖功率存在差別，而且每個傳感器工作點存在差別，光在不同通道傳輸時的衰減情況存在差別，這些因素在系統實際實現過程中，不可避免會導致回送的光脈沖信號功率大小不一致的情況。在實驗過程中，我們發現，由于光波偏振、相位等參數的緩慢變化，每一路回送的光脈沖信號功率隨著時間推移，存在緩變現象。針對以上不足，本文提出一種基于PI算法的多路信號的增益均衡及穩定技術。

1　系統原理及性能分析

1.1系統工作原理

準分布式光纖振動傳感系統由終端機、通信/傳感光纜及延時光纖3部分組成，如圖1所示。終端機內部由上位機、光源、主控單元、光信號接收與處理模塊、光纖分路器組成。每一路延時光纖的長度不同，根據脈沖寬度、脈沖重復周期、采樣頻率確定每一路延時光纖的長度，保證能夠在時域上區分代表各傳感器的光脈沖信號。通信光纖與傳感光纖可采用同一根光纜。

圖1　準分布式光纖振動傳感系統框架

終端機內部的主控單元控制光源產生一個光脈沖，發送到光纖分路器，在光纖分路器中產生N個光脈沖，這些光脈沖經過通信光纖和延時光纖傳播到傳感光纖中，從傳感光纖中返回的N個光脈沖信號，再次通過延時光纖到達光纖分路器合成一列光脈沖信號，采用時分復用的方式輸出到光信號接收與處理模塊。光信號接收與處理模塊將光脈沖信號轉換成電信號并做進一步處理。主控單元通過采集光信號接收與處理模塊輸出的數據信號，并根據這些信號的幅度設定閾值，來判斷是否有告警。

1.2系統光功率分配性能分析

由于系統利用不同長度的延時光纖來實現光時分復用技術，而光功率隨著光傳播距離的增大存在衰減情況，所以，我們不難想象，準分布式光纖振動傳感系統中，代表不同區域的脈沖幅度存在大小差別，而且理想情況下，延時光纖長度越長的傳感區域光功率衰減越大，脈沖幅度越小。以16路系統為例，查閱資料可知，G 652光纖在1 550 nm窗口的平均損耗約為0.25 dB/km，2×2耦合器的分光比為50∶50，2×16光纖分束器的插入損耗為14.2 dB，由此可以計算得知，理想情況下系統光信號接收與處理模塊接收到的16路光脈沖光功率衰減如圖2所示。

圖2　16路系統回光功率衰減理想圖

從圖2，我們可以看到，光信號接收與處理模塊接收到的光脈沖序列光功率存在依次衰減的情況，第一個脈沖和后續脈沖幅度的差別越來越大，對于系統設置的一個報警閾值，這個問題將給系統對入侵事件的判斷、報警帶來困難。為了解決這個問題，下文提出了一種信號增益均衡方法來實時控制每一個脈沖幅度，將所有脈沖幅度統一達到給定的參考值，消除脈沖幅度存在差別的情況。

2　信號增益控制技術

2.1信號增益控制技術實現原理

信號增益控制技術實現框圖如圖3所示，虛線框內為圖1中所示的主控單元內部模塊，其余部分為圖1中所示的光信號接收與處理模塊中相關部分。

系統正常工作前，我們需要得到傳感區域所在的位置信息，即每一個傳感區域對應脈沖的時間基準信息。得到時間基準后，主控單元按照一定頻率發出控制信號至光源，觸發光源按照一定頻率發出光脈沖，光源發出的每一個光脈沖，對應于返回至光信號接收與處理模塊的經時分復用的N路光脈沖信號。

圖3　信號增益控制技術實現框圖

經過傳感光路，攜帶有各區域擾動信息的N路光脈沖信號，以時分復用的方式返回至系統端機，首先進入圖1中的光信號接收與處理模塊，進行前端信號處理。光脈沖信號經過光電轉換模塊，將光脈沖信號轉化為電脈沖信號Vin，然后進入可變增益放大器分別進行放大，不同傳感區域的脈沖信號對應的放大倍數由主控單元來控制。

經可變增益放大器放大后的脈沖信號進入主控單元中的特征提取模塊，對每一路的脈沖信號進行特征提取。特征提取模塊在每一路脈沖的時間基準，將每一路脈沖提取為一個數據點Dout，以一個數據點來代表此脈沖進行下一步數據處理。將得到的Dout與參考值Dref進行比較運算，求出誤差e，然后輸出至PI控制器。在每一個脈沖的時間基準，經PI控制器進行PI運算后，得到數據DPI暫存至寄存器內，在下一組N路脈沖信號到來之時，經D/A轉換后輸出至可變增益放大器，輸出時間由時間基準模塊控制，進而改變對應區域脈沖信號的增益大小，使每一個區域的脈沖信號的特征值盡可能接近于參考值，從而避免了每一個區域脈沖信號的的緩變，使各個區域的脈沖信號的幅度盡可能一致接近于參考值，從而有利于通過設定一個閾值，來判斷不同區域是否有的擾動信息。

2.2多路PI控制算法

在我們的實驗中，可變增益放大器模塊是基于AD8336芯片實現的。AD8336是AD公司生產的一種低噪聲、單端型、線性衰減的通用可變增益放大器芯片。這款芯片的放大倍數可由控制電壓按照比例控制。AD8336芯片的放大倍數和控制電壓比例關系如圖4所示。

圖4　AD8336放大倍數和控制電壓關系圖

將經過特征提取后的脈沖特征值Dout（k）與參考值Dref比較，得到偏差信號e（k），即：

這里使用的是數字增量式PI控制算法。它的計算式：

式中：KP是比例系數，通常隨著KP值的加大，系統響應速度加快，但是當KP增加到一定程度，系統會變得很不穩定；Ki是積分系數，調節系統的穩態誤差，但是當KP不變的情況下，Ki增加到一定程度，系統會出現不穩定現象。通過實驗可以選擇合適的KP和Ki，以達到最好的調節效果。

本系統是通過FPGA來實現數字PI算法，FPGA芯片采用 Xilinx公司 Spartan-6系列的XC6SLX100T-2FGG900，它采用45 nm工藝技術，具有速度快、容量高、功耗和成本低等優點。采用Verilog HDL語言進行FPGA編程，其基本思想是通過設計狀態機，在不同階段采用乘法器或者加法器進行不同的邏輯運算。內部算法實現流程如圖5所示。

圖5　程序流程圖

3　實驗結果及分析

3.1實驗結果

根據圖1，在實驗室我們搭建了4路傳感通道的準分布式光纖振動傳感系統，實物圖如圖6所示。實驗裝置包括：DFB光源（波長為1 550 nm，功率＞10 mW）、PIN-FET、2×2光纖耦合器（分光比為1：1）、200 m延時光纖盤。實時觀測信號波形，發現代表4路傳感通道的4個光脈沖信號幅度存在大小不一致問題，信號波形如圖7所示。

這與前文的光功率性能分析的結果存在一些差別，這是因為每個傳感器工作點存在差別，光在不同通道傳輸時的衰減情況存在差別，還有環境對系統的影響，在系統實際實現過程中，這些因素不可避免會導致光脈沖信號幅度和理想的逐個遞減情況有所差別。實驗結果表明，不同通道的最大增益差大約是1.6 V。

圖6　四路傳感通道的準分布式光纖振動傳感系統

圖7　不同通道的脈沖信號幅度存在大小差別

運行一段時間后，我們還發現4個脈沖自身幅度隨著時間的推移，存在緩變現象，我們記錄了前2路脈沖幅度在16 h內，每一小時脈沖的幅度值，并畫出幅度緩變曲線，如圖8所示。這是由于光波偏振、相位等參數的緩慢變化所致。實驗結果表明，同一通道脈沖增益波動幅度最大是2.3 V，波動周期大約為0.23 h。

綜合理論分析和實驗觀察得到的問題，上文提出的基于PI算法的增益控制技術，可以有效解決這些脈沖幅度不一致、存在緩變等問題。

圖8　各通道脈沖信號幅度存在緩變現象

3.2PI算法參數的選擇

在仿真過程中選取PI算法的參數，參數選取過程中，先將調節器設置成比例調節器，然后調節系統的臨界試驗。將比例系數KP由小逐漸變大，確定不同的KP值對應的調節時間，然后確定比例系數KP，調節積分系數Ki，由小逐漸變大，當調節系統出現等幅振蕩時，即為積分系數的臨界值。根據此方法可以方便地得出PI控制器的參數。

選取幾組不同的PI控制器參數KP和 KI，以3.5 V為參考電壓值，記錄實驗過程中PI調節后脈沖的特征值的大小，畫出調節過程的數據圖如圖9所示。從圖中我們可以看出調節的不同參數對應的調節時間和調節效果。圖9（a）和9（b）為相同KP情況下，不同Ki值對應的調節效果。Ki=0.2比Ki=0.1調節達到參考值的時間更短。從圖9（c）中，可以看出，當KI=0.3時，調節過程出現等幅振蕩。

圖9　不同PI參數對應的脈沖幅度的調節波形圖

我們最終選取具有合適調節時間的PI控制器參數：KP=0.01，KI=0.1，此時，PI算法的調節時間大約為4 s，增益波動幅度小于0.2 V。在實驗室搭建的4路準分布式光纖振動傳感系統設定好PI控制器參數后，調節不同的參考電壓，觀察4路脈沖波形。圖10（a）為均衡之前的4路脈沖波形圖；圖10（b）為參考電壓為1 V的時候，4路脈沖的波形圖；圖10（c）為參考電壓為2 V時候，4路脈沖的波形圖。通過圖10（a）～圖10（c）的對比，我們可以看出，原來幅度不一致的4路脈沖基本都達到設定的參考電壓的幅值。

圖10　四路脈沖波形圖

4　總結

本文針對準分布式光纖振動傳感系統采用時分復用技術以及在實際應用中，出現的脈沖增益存在差異及幅度緩變問題，提出了一種基于PI算法的增益均衡及穩定技術，通過FPGA控制可變增益放大器，合理設置算法的調節時間，在確保傳感系統正常檢測振動事件的同時，有效均衡了各傳感通道的增益差異，而且消除了因光波偏振、相位等參數緩慢變化引起的幅度緩變。這種算法已經成功應用于準分布式光纖振動傳感系統。實驗結果表明，

選取合適的PI控制器參數KP=0.01，KI=0.1，PI算法的調節時間大約為4 s，增益波動幅度小于0.2 V。

［1］ 孫琪真，劉德明，王健.基于環結構的新型分布式光纖振動傳感系統［J］.物理學報，2007，56（10）：5903-5908.

［2］ 趙興群，薛冬青.分布式光纖振動傳感信號數據采集系統設計［J］.科技導報，2012，30（18）：45-49.

［3］ 曹勝華，徐大可，蔡一磊.準分布式光纖傳感電機測溫系統設計［J］.微電機，2012，45（1）：81-84.

［4］ 韓屏，謝涌泉，劉陽.分布式全光纖微振動傳感器研究［J］.中國激光，2014（3）：118-124.

［5］ 李彩華，滕云田，李小軍.分布式光纖振動傳感系統中數據采集及信號處理系統設計［J］.地震工程與工程振動，2012（1）：025.

［6］ 高超，于晉龍，劉佳，等.基于偏振態變化時延估計的分布式光纖傳感系統［J］.光電子激光，2012（1）：007.

［7］ 孫琪真.分布式光纖傳感與信息處理技術的研究及應用［D］.武漢：華中科技大學，2008.

［8］ 杜彥良，金秀梅，孫寶臣，等.基于普通光纖的螺旋纏繞式準分布光纖傳感器的研究［J］.工程力學，2004，21（1）：48-52.

［9］ 李志全，李亞萍，朱丹丹，等.基于濾波法的光纖光柵傳感解調方案［J］.應用光學，2006，27（4）：327-331.

［10］Wang Yubao，Lan Haijun.Study of Fiber Bragg Grating Sensor System Based on Wavelength Division Multiplexing/Time Division Multiplexing［J］.Acta Optica Sinica，2010，30（8）：2196-2201.

［11］Dong Xiaopeng，Zheng Junda.Multi-Area Perimeter Sensing System Based on Optical Fiber Wavelength Division Multiplexing Technology［J］.Chinese Journal of Lasers，2012，39（9）：0905007.

［12］Wu Yuan，Bian Pang，Xiao Qian.Fiber-Optic Security System Based on Phase Carrier Multiplexing and Its Realization Methods ［J］.Acta Photonica Sinica，2011，40（7）：967-971.

黃新銳（1994-），男，漢族，安徽省桐城人，東南大學電子科學與工程學院本科在讀，專業為新能源材料與器件，2536356551@qq.com；

孫小菡（1955-），女，漢族，東南大學電子與科學學院教授，主要研究方向為光波電子學與光纖通信技術領域，xhsun@seu.edu.cn。

Gains Equalization and Stabilizing among Different Channels for Quasi-Distributed Optical Fiber Vibration Sensor System*

HUANG Xinrui，SHI Haifeng，WANG Guangzhen，WANG Shuo，LI Mingming，PAN Chao，SUN Xiaohan*
（School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Aiming at the difference of gains among the different channels for the quasi-distributed optic fiber vibration sensor system，a method of gains equalization and stabilizing among different channels is purposed and implemented based on the PI arithmetic.Through figuring out a reasonable adjust time for the arithmetic，this method could eliminate the shift of the signal gain due to the slow fluctuation of the light polarization，phase，and other parameters with no influence of the vibration detection.Experimental results demonstrate that，the maximum gain difference of different channels is 1.6 V，the highest fluctuation of each channel is 2.3 V with the period of fluctuation is 0.23 hour.Figuring out a reasonable parameter for the PI controller with KP=0.01，KI=0.1，as a result，the adjust time of PI arithmetic is about 4 s with the fluctuation of the amplitude less than 0.2 V.

quasi-distributed optic fiber vibration sensor system；gain control；PI arithmetic；time division multiplexing

TN913.7

A

1005-9490（2016）03-0558-06

EEACC：7230；7230E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.012