光纖管道泄漏檢測系統PGC解調電路設計及實驗測試*

王　影，劉　麒

（吉林化工學院信控學院，吉林吉林132022）

光纖管道泄漏檢測系統PGC解調電路設計及實驗測試*

王影*，劉麒

（吉林化工學院信控學院，吉林吉林132022）

針對傳統PGC解調使用模擬電路制作有電路老化、定位飄移等現象，基于數字化平臺來架構干涉式光纖傳感器PGC解調，采用相位擾頻器改進了PGC解調電路，并對各系統功能模塊進行測試分析，最后對PGC解調電路的解調效果進行了試驗模擬，模擬結果顯示，改進后的PGC電路解調性能良好，經過相位擾頻的信號與待測信號的相關系數超過96%，諧波的失真度小于2%，同時相位擾頻器能夠有效改善PGC解調輸出不穩定及失真。

光纖傳感器；干涉式；PGC解調技術；相位擾頻器

光纖傳感器（Fiber Optic Sensors），是利用光纖來偵測待測物理量變化的儀器，它被廣泛地用于感測聲音、磁場、溫度等數十種物理量。以光纖做為測量組件具有幾項優點，如：靈敏度高、不腐蝕、布放容易、低傳輸損耗、高數據傳輸率等優點，因此通過光纖傳感器來測量管道泄漏成為目前管理監測領域的研究熱點。干涉式光纖傳感器具有動態范圍大、線性度佳、具有多任務功能等多項優點，是目前應用最多的一種光纖傳感器，干涉式光纖傳感器的輸出信號，必須采用適當的信號解調線路，來線性解調傳感器信號［1-3］。

常用的解調方式為PGC-DCM（the Differential and Cross Multiplying Approach）微分及交叉相乘處理技術以及PGC-arctan處理技術。其中最常用的為被動式相位載波解調，簡稱為PGC解調。傳統PGC解調使用模擬電路制作有電路老化、準位飄移等現象，易引起PGC解調失真等問題，也無法作準確及完整的靈敏度歸一化控制，國內外學者針對傳統的PGC解調中出現的問題，進行了改進，包括加入直流濾波器，抗混疊濾波器等電子器件，但信號調解的效果并不理想［4-6］，因此有必要發展智能型數字化信號處理，使其具有高偵測率及低誤報率的偵測功能。通過可編程邏輯門陣列數字信號的處理效能與邏輯運算動力，來完成具有自動補償功能的數字化PGC解調。

為此，本文在上述研究的基礎上，基于數字化平臺來架構干涉式光纖傳感器PGC解調，采用相位擾頻器，降低了光強度調變引起的不穩定及失真問題，改進了PGC解調電路，并對各系統功能模塊進行測試分析，最后對PCG解調電路的解調效果進行了試驗模擬，驗證了PCG解調電路的改進效果。

1　光纖傳感檢測系統

本文的干涉式光纖傳感器選擇Mach-Zehnder和Sagnac混合型干涉儀架構［7］，采用耦合器和光纖組合成光處理單元，用法拉第旋轉鏡和光纖來當感測單元，檢光器、頻譜分析儀、相位調制器和解調電路組合成信號處理單元，當泄漏聲源為白噪聲時，測量光纖受到聲音物理場的作用而產生應變，走兩道光路的光信號在2×2耦合器的第3端接收端重合，產生干涉信號，通過檢光器及信號處理單元，最后在頻譜分析儀上顯示，并分析其感測到的信號，來進行泄漏點位置的探測。光纖傳感器的系統架構圖如1所示，下面對該系統的組件單元進行介紹，PCG相位解調系統在后面會詳細討論，這里不再贅述。

圖1　干涉式光纖傳感器系統架構圖

1.1光源

由于本實驗將光源改用比SRD（Short Range Device）功率更強的ASE（Amplified Spontaneous Emission）光源，其頻譜和SRD類似［8］。ASE的工作原理，是利用一個半導體激光器，把能量泵入摻鉺光纖中，由于光纖摻鉺之后，形成一個可以激勵光子的能級躍進。經能產生光子的能量進入摻鉺光纖之后，可以將低能級的電子提高能量激發到高能級，此種方式稱之為激發。持續這個動作一段時間之后，可以得到在高能級的電子數量多于低能級上應有的電子，形成粒子數反轉電子向下跳動產生光子。當光子被激發之后，會形成兩個同方向、同頻率的光子，產生能量。由于光能量只有繼續行進，并沒有任何反射鏡，產生來回共振的現象。因此，帶寬會變的較寬，而形成光源的同調長度變得很短，隨后接上光隔離器（Isolator），隔離掉雜散的光，避免影響光源的穩定度和安全性。

1.2耦合器

本系統利用兩個2×2光纖耦合器組合成。在這里的耦合器當成分光器與光路徑的分配，其架構如圖1所示。在理想的情況下，我們需要分光為1∶1的光纖耦合器，而且由于耦合器的特性，輸出的兩束光之相角差距為90°。在本光處理單元中，光從光源出來之后，經過每個耦合器平均分光，之后，由感測單元反射回來的光，也再次經過耦合器分光，最后由檢光器作檢光的動作。

1.3光纖

光纖具有易彎曲、質量輕、抗腐蝕和絕緣性等特性，因此，利用光纖來當感測光纖和延遲光纖。在當測量光纖時，使用的是單模裸光纖 SMF（Single Mode Fiber），由于其價格便宜，所以更適合長距離的布放。若是在當延遲光纖時，使用小口徑光纜（Optical Cable），由于光纜是將單模裸光纖包在更多的外皮之內，讓環境的影響減到最低［9］。

1.4法拉第旋轉鏡

法拉第旋轉鏡的結構如圖2所示，其結構包含透鏡、法拉第旋轉器和反射鏡等主要元素。

圖2　法拉第旋轉鏡的結構圖

法拉第旋轉鏡的功能，可以將入射光的偏振狀態與出射光的偏振狀態的相差調整為90°。其原理說明如下：當入射光經由光纖或其他路徑進入法拉第旋轉鏡的透鏡，再由透鏡聚光，在光的行徑過程中經過法拉第旋轉器，偏振狀態慢慢偏轉至反射鏡前，偏振狀態剛好與入射時相差45°。光經反射鏡反射，從原路徑再經過法拉第旋轉器，因為法拉第效應是為非互易效應，使偏振狀態再繼續旋轉45°，因此，法拉第旋轉鏡可以將光的偏振狀態旋轉90°。法拉第旋轉鏡的等效瓊斯矩陣可以寫成：

式中：tT：法拉第旋轉鏡的損耗以及與反射鏡特性有關的參數。

現在若有一束光入射至法拉第旋轉鏡，整個光路的瓊斯矩陣如下：

式中：K為常數

由上式可以發現，F′是一個常數矩陣，表示入射光與反射光的偏振狀態，和光纖的雙折射現象無關，代表因為有了法拉第旋轉鏡，把光纖雙折射特性產生的偏振改變補償，讓由偏振效應引起的訊號褪變的問題消失。所以本架構采用一個法拉第旋轉鏡來補償感測光纖的偏振狀態，這樣可以保證我們量測到是相位差所造成的干涉結果，而非偏振影響訊號的現象。

2　PGC解調電路設計與分析

2.1PGC解調電路原理

根據本文選擇的Mach-Zehnder和Sagnac混合型干涉儀對光纖傳感泄露信號的解調要求［10］，對PCG解調電路進行如下設計及改進，解調電路設計圖，如圖3所示。

圖3PCG解調電路設計圖

2.2低通濾波器

由于我們量測的訊號帶寬大約為20 kHz，所以，設計的低通濾波器，將要使量測帶寬通過，而調制頻率為100 kHz，要求低通濾波器把它濾除。而以前使用PGC電路，均使用在低頻部分（＜1 kHz），所以，要使用以前的PGC電路，需要重新設計濾波器的帶寬。而濾波器的設計，是使用BURR-BROWN公司所生產的IC（UAF-42），此IC具有高輸入阻抗與低輸出阻抗的特性，容易串接設計成高階的濾波器，從而符合我們要求。

2.3調制信號的放大器

因為以前設計的電路中，調制信號是使用在20 kHz，共振電壓比較小。而現在的調制信號要提升至100 kHz，造成共振電壓提高。利用AD841做放大器，調整調制信號的大小值，使其動態范圍提升。

2.4相位擾頻器

所謂的相位擾頻器就是將相位信號加上相位擾動而得，這個功能和在Mach-Zehnder干涉儀的一個干涉臂上使用偏振擾頻器（Polarization Scrambler）加上偏振擾動，以消除偏振褪變的功能類似，因此把以上功能稱為相位擾頻器。但在實際應用上，角頻率2.405 rad/s的電壓是加到激光調變里的信號之一，因此和激光的特性、系統光程差有密切的關系，光程差越小相位噪聲越小，但是激光調變引起的光強度調變就會越大，會大幅度的升高系統的干擾噪聲值，因此2.405 rad已不適用，需要改為使用1 rad，1 rad既有相位擾頻器功用也能用來做靈敏度歸一化，跟2.405 rad相比更可以大幅度降低系統的干擾噪聲。

2.5PGC解調模型數學分析

根據圖3所示的PGC解調電路設計技術框圖，通過數學建模方法，對PGC解調電路進行建模，完整解調出相位信號。利用PGC解調電路中的乘法器與低通濾波器，可得以下方程：

將公式簡化，再進行微分可得：

根據圖3所示的PGC解調電路，每一個信號經過微分與另一原始信號相乘，再將兩個輸出信號相減，形成Z=S2S1′-S1S2′，則

將Z作積分，則就可以得到相位信號φs（t）：

我們可以發現，由式（8）可以發現，φs（t）信號被完整解調出來，φs（t）中包含泄漏點位置信息。

3　實驗研究

3.1相位載波解調模塊測試

根據PGC相位載波解調的功能模塊要求，為了完成相位補償功能，需要由激光調變仿真一個高于PGC解調最大頻率不易受環境噪聲影響的感應相位信號，如10 kHz。如果PGC解調帶寬較小及載波頻率較低，例如只有30 kHz。因此10 kHz的兩倍頻必須降低到小于PGC解調的低通濾波器頻帶的3 dB帶寬之內，作為調整基頻與二倍頻載波相位的依據。

但受限于PGC解調低通濾波器的頻帶，高頻信號振幅必須小于0.36 V才能使高頻感應相位信號能線性解調。依據第一類的Bessel函數值在0.36 rad以內時，高頻訊號在干涉訊號中其3倍頻（正比于J3（φ））及更高頻率分量都以可以忽略，因此PGC解調的低通濾波器帶寬只要超過2倍諧頻分量便可對此高頻感應相位信號作線性解調。而為了分離測量信號與10 kHz補償訊號，在PGC解調輸出再設計3 dB為7 kHz的低通濾波器，如圖4所示，以及1個通帶為9 K到11 kHz的帶通濾波器，如圖5所示。

圖4　低通濾波器波形

圖5　帶通濾波器波形

3.2解調效果測試

解調系統測試時，利用相位調制器模擬泄漏擾動聲場，由干涉式光纖傳感器產生的干涉信號經過相位擾頻器的校正，進入PGC數字解調系統中處理，解調后的頻譜如圖6所示。

圖6　解調效果圖

從圖6可以發現，干涉信號經過解調后能夠真實還原原始信號，解調性能良好，經過相位擾頻的信號與待測信號的相關系數超過96%，諧波的失真度小于2%，從另一個側面也反映了使用相位擾頻器（1 rad），能有效改善PGC解調輸出不穩定及失真。

4　結論

管線泄漏會造成資源流失、環境污染等重大損失，因此如何實時找到泄漏點的位置，以便進行修護補救，成為目前亟待解決的問題。光纖傳感器（Fiber Optic Sensors）具有靈敏度高、不腐蝕、布放容易、低傳輸損耗、高數據傳輸率等優點成為目前管理監測領域的研究熱點。本文基于數字化平臺來架構干涉式光纖傳感器PGC解調，采用相位擾頻器，降低了光強度調變引起的不穩定及失真問題，改進了PGC解調電路，并對各系統功能模塊進行測試分析，最后對PCG解調電路的解調效果進行了試驗模擬，模擬結果顯示，干涉信號經過解調后能夠真實還原原始信號，解調性能良好，經過相位擾頻的信號與待測信號的相關系數超過96%，諧波的失真度小于2%，能夠有效的從感測系統的輸出信號中解調出相應的相位信息完成信號解調，同時相位擾頻器能夠有效改善PGC解調輸出不穩定及失真。

［1］孟慶民.基于光纖的潤滑油在線監測系統［J］.電子器件，2011，53（8）：21-25. Meng Qingmin.Based on the Optical Fiber Oil Online Monitoring System［J］.Chinese Journal of Electron Devices，2011，53（8）：21-25.

［2］韓玲娟，王強，楊其華.基于分布式光纖傳感的水下輸氣管道泄漏檢測與定位分析［J］.傳感技術學報，2015，37（8）：29-33. Han Lingjuan，Wang Qiang，Yang Qihua.Based on the Distributed Optical Fiber Sensing Underwater Pipeline Leak Detection and Location Analysis［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2015，37（8）：29-33.

［3］黃悅，王強，楊其華，等.水下天然氣管道分布式光纖泄漏檢測系統實驗分析［J］.激光與光電子學進展，2014，51（11）：106-111. Huang Yue，Wang Qiang，Yang Qihua，et al.The Experimental Analysis of Interference Distributed Fiber-Optic Underwater Gas Pipeline Leak Detection System［J］.Laser&Optoelectronics Progress，2014，51（11）：106-111.

［4］Huang Shihchu，Lin Wuuwen，Tsai Mengtsan.Fiber Optic In-Line Distributed Sensor for Detection and Localization of the Pipeline Leaks［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2007，135（2）：570-579.

［5］李陽，蘇曉星，劉艷，等.基于基頻混頻的相位生成載波調制解調方法研究［J］.光電子·激光，2012，31（5）：933-938.Li Yang，Su Xiaoxing，Liu Yan.The Research of Demodulation Scheme Based on the Baseband Mixing Phase Generated Carrier［J］.Optoelectronics&Laser，2012，31（5）：933-938.

［6］陳宇，林京，孟強.基于3×3耦合器光纖水聽器的數字化解調方案［J］.儀器儀表學報，2008，29（4）：755-759. Chen Yu，Lin Jing，Meng Qiang.The Digital Demodulation Scheme is Based on 3×3 Coupler Fiber Optic Hydrophone［J］. Journal of Instruments and Meters，2008，29（4）：755-759.

［7］Xu Wei，Wang Jinhai，Chen Caihe，et al.Design of Demodulation System of Interferometric Sensor Based on Labview［J］.Semiconductor Photonics and Technology，2008，14（2）：115-120.

［8］柏林厚，廖延彪，張敏，等.干涉型光纖傳感器相位生成載波解調方法改進與研究［J］.光子學報，2005，34（9）：1324-1327. Bo Linhou，Liao Yanbiao，Zhang Min，et al.The Improvement and Research Interferometric Fiber Optic Sensor Phase Generated Carrier Demodulation Method［J］.Journal of Photons，2005，34（9）：1324-1327.

［9］馬林，劉艷，李陽.載波頻率漂移對相位生成載波解調結果的影響分析［J］.電氣學報，2011，39（1）：63-69. Ma Lin，Liu Yan，Li Yang.The Analysis of Carrier Frequency Drift on the Result of Phase Generated Carrier Demodulation［J］. Chinese Journal of Electron Devices，2011，39（1）：63-69.

［10］Shih-Chu Huang，Wuu-Wen Lin，Meng-Tsan Tsai，et al.Fiber Optic In-Line Distributed Sensor for Detection and Localization of the Pipeline Leaks［J］.Sensors&Actuators：A.Physical，2011，117（2）：133-139.

王影（1979-），女，吉林省人，漢族，碩士，吉林化工學院信控學院副教授，研究方向為傳感器、檢測電路、PLC、單片機；

劉麒（1980-），男，吉林省人，漢族，碩士，吉林化工學院信控學院講師，研究方向為傳感器、檢測電路、PLC、單片機。

Mixed Interferometric Distributed Fiber Optic Sensor PGC Demodulation Module Design and Experimental Data Analysis*

WANG Ying*，LIU Qi
（College of communication and control engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022，China）

In conventional PGC（Phase Generated Carrier）dulation using analog circuit circuit aging，positioning the phenomenon such as drift，to architecture based on the digital platform of PGC demodulation interferometric fiber optic sensor，using phase scrambler improved the PGC demodulation circuit，and testing the system function module analysis，finally the effect of the PCG demodulation circuit demodulation experiment simulation，simulation results show that the improved circuit of PGC demodulation performance good，after a phase perturbation frequency signal and the correlation coefficient of more than 96%of the signal under test，the harmonic distortion is less than 2%，at the same time phase scrambler can effectively improve the PGC demodulation output is not stable and the distortion.

optical fiber sensor；interference type；PGC demodulation technology；phase scrambler

X931

A

1005-9490（2016）05-1161-05

項目來源：基于光纖傳感器技術的管道泄漏檢測及定位方法研究（吉化院合字2016第82號）

2015-10-08修改日期：2016-02-24

EEACC:7230E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.028