分布式光纖傳感數據采集系統設計

南鋼洋，王啟武，孫繼華，郭銳，張振振，巨陽

(山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250103)

【光纖與光子傳感技術】

分布式光纖傳感數據采集系統設計

南鋼洋，王啟武，孫繼華，郭銳，張振振，巨陽

(山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250103)

基于拉曼散射溫度效應和光時域反射技術，設計了100 MHz高速數據采集系統SDLaser_DAQ600，實現對空間環境溫度場測量。在數據采集系統中利用現場可編程邏輯門陣列(FPGA)，采用實時累加平均算法對原始光纖傳感信號進行累加平均，支持10 km光纖實時采樣，空間分辨率達到1 m。實驗結果表明，65 536次數據累加平均可以得到平滑的斯托克斯和反斯托克斯曲線，使光纖傳感信號的信噪比提高到90 dB以上，能夠為分布式溫度測量提供良好的數據支持。

光纖傳感；數據采集；拉曼散射

在分布式光纖傳感系統中，光纖不僅充當傳感器，而且還實時傳輸有效測量信號。光纖測溫基于光時域反射(optical time-domain reflect，OTOR)原理測量光纖周圍溫度，是分布式連續功能型光纖傳感系統的典型應用[1-3]。其具體原理是采用后向拉曼散射溫度效應實時測量光纖溫度場，當光纖分子接收并吸收激光脈沖后，會再次發射出光子，如果有一部分光能轉換為熱能，那么將發出比原來波長更長的光，稱為斯托克斯光；相反一部分熱能轉換為光能，則發出比原來波長短的光，稱為反斯托克斯光[4-6]。拉曼散射光由這兩種不同波長的光組成，其波長偏移是由光纖組成元素固有屬性決定的，由于散射光中夾雜著其他散射光和干擾光，所以需對兩路光信號進行帶通濾波，這兩路光信號經過雪崩光電二極管轉換后再輸入到后續數據采集系統進行處理[5-8]。

分布式光纖傳感系統不僅需要對光纖解調信號快速采集處理，還需要龐大的處理器資源和數據存儲空間，以及利用復雜算法對采集數據并行處理。目前國內外相關研究大多是基于工控機平臺的數據采集系統，且大部分是基于外部設備互連總線(peripheral component interconnect，PCI)技術方案，如美國NI公司的數據采集卡以及國內凌華、研華的高速信號采集卡，此外一些單位還使用PC104總線協議的數據采集卡。這兩種技術方案雖然可行，但由于工控機平臺體積較大，功耗較高，一般在50 W以上，不易升級換代，且不適合在功耗要求嚴苛的場合應用[9-11]。為解決此問題，本文采用高性能可編程邏輯門陣列(field programmable gate array，FPGA)結合先進精簡指令集處理器(advanced RISC machines，ARM)設計出功耗低至5 W的100 MHz高速數據采集系統。

采集系統利用有限狀態機控制模擬數字轉換器(analog-to-digital converter，ADC)進行信號采集，實現對光纖傳感信號的實時累加平均，將采集數據上傳到計算機處理后，獲得實時的斯托克斯和反斯托克斯曲線。經過測試，該分布式光纖傳感數據采集系統可以應用在油田、礦山、結構健康檢測等特殊場合，為分析這些場合的溫度場提供數據支持。

1 設計要求

在光纖測溫系統中，反斯托克斯光和斯托克斯光信號轉換成電信號后，經過放大輸入到數據采集系統中，在利用光纖測量環境溫度場時，需要提高空間分辨率和測溫精度。為提高空間分辨率，必須提高數據采集系統ADC的采樣速率。當測溫距離為10 km時，為滿足1 m的空間分辨率，需要采集10 000個點。

光信號射入光纖中后沿著光纖向前傳播，當傳播到光纖尾端時，會發生反射，反射信號再傳播到射入端被光電探測器接收，整個過程光信號行進距離是20 km，光纖中光速約為2×108m/s，則光在光纖中的傳輸時間為100 μs，因此，數據采集系統需要在100 μs的時間內采集10 000個點的光纖信號，其采樣周期是10 ns，即采樣頻率為100 MHz。

提高測溫精度不僅要增加采集系統采樣位數，還需要設計合適的電壓扇出方案和前端模擬調整電路。由于實際測量中溫度信號淹沒在噪聲之中，因此信號采集系統需要對輸入信號進行濾波處理。考慮到光纖傳感信號有效帶寬通常在50 MHz以內，故系統前端模擬調整電路采用低通濾波電路對光纖傳感信號進行濾波，低通濾波電路截止頻率為50 MHz。為了提高測溫精度，ADC位數不低于10位，同時采用FPGA作為主處理器對數據并行處理，ARM作為輔處理器將處理后的數據傳輸給遠程計算機進行分析處理。

2 數據采集系統設計

針對上述應用需求，設計了百兆高速數據采集系統SDLaser_DAQ600(簡稱DAQ600)。該系統采用“ARM+FPGA+ADC”架構，為分布式光纖傳感提供數據采集分析、狀態監測及控制支持。其中，FPGA采用高性能Cyclone IV系列EP4CE115F29芯片作為主處理器，ARM采用型號為S3C6410的芯片作為輔助處理器，ADC采用AD9268、分辨率為16位流水線采樣技術的芯片作為模擬數字轉換器，其最高采樣速率可達125 MHz。

圖1所示是DAQ600系統架構，該系統架構采用±5 V雙電源供電，擁有獨立雙通道，模擬輸入通道的量程為±2.5 V，同時DAQ600支持內外觸發模式，利用以太網絡將數據傳給遠程計算機進行溫度場圖譜顯示，其中以太網絡最大傳輸速度可達100 Mb/s。

FPGA通過運行內部狀態機控制ADC芯片采集光纖傳感信號，同時將采集數據進行濾波、累加平均處理，然后將處理結果通過同步只讀存儲器控制總線讀取到ARM內存中進行運算處理。這里FPGA和ARM都能進行數據運算，二者主要區別如下：(1)FPGA利用內部邏輯和存儲資源將實時采集數據進行處理，屬于純硬件運算，因此執行速度快、效率高，用于復雜的時序控制及實時性要求較高的應用。(2)ARM是根據程序指令的先后順序執行數據算法，效率相對較低，主要用于數據上傳及人機交互控制。本設計充分考慮二者特點，進行優勢互補，使數據處理和傳輸效率大大提高。

圖1 DAQ600系統架構Fig.1 Architecture of DAQ600 system

2.1 供電方案設計

DAQ600是模擬數字混合結構，主電源采用±5 V雙電源供電，其中+5 V是系統正電源的扇出源，-5 V是系統負電源的扇出源，二者經過LC濾波后輸出給DAQ600使用。由于FPGA及ARM需要+3.3、+2.5、+1.8、+1.2 V供電，利用低壓差線性穩壓器(low drop out，LDO)線性電源調整芯片LTC3026來扇出這些正電壓。具體是由+5 V扇出+3.3 V電壓，再由+3.3 V扇出+2.5 V電壓，再由+2.5 V扇出+1.8 V電壓，最后再由+1.8 V扇出+1.2 V電壓。圖2所示是由+2.5 V轉換成+1.8 V的電路示意圖。

圖2 利用LDO扇出電壓原理圖Fig.2 Schematic of fan-out voltage using LDO

由于LTC3026具有低至0.06%的線性調整率和0.09%的負載調整率，該芯片具有很強的抑制負載干擾能力，同時該芯片支持輸出1.5 A電流，其紋波電壓在3 mV左右，滿足DAQ600的供電需求。

2.2 前端模擬信號調整電路設計

圖3所示是前端模擬信號調整電路，該電路采用電壓負反饋連接，利用低噪聲放大器ADA4938-1對信號放大，其壓擺率為4 700 V/μs，輸入偏置電壓為1 mV，由±5 V供電。

圖3 前端模擬信號調整電路Fig.3 Adjusting circuit for front-end analog signal

前端模擬信號調整采用電壓負反饋電路，該電路不僅實現輸入信號從單端形式轉換成差分形式，還能克服由于共模信號而引起的轉換誤差，滿足ADC的差分輸入要求。同時ADA4938-1共模參考電壓AMP_VOCM信號由ADC共模輸出電壓經過緩沖放大后輸入，其中ADC共模輸出電壓值為0.9 V，該電壓加載到ADA4938-1的兩個輸出端，即放大器輸出端有個0.9 V的共模偏置電壓，滿足ADC輸入端的電壓特性要求。

2.3 數據采集系統架構內部通信設計

DAQ600采用“FPGA+ARM”架構并通過網絡控制器芯片DM9000A與遠程計算機通信。如圖4所示，FPGA和ARM之間數據傳輸是由ARM同步只讀存儲器控制總線來完成，同步只讀存儲器控制總線具有16位數據和地址總線，FPGA與ARM以及DM9000A共用這一總線。同時將FPGA和DM9000A作為ARM處理器的兩個外設，并將兩者的物理地址映射到ARM的BANK0和BANK1上，其中BANK0和BANK1是ARM按照物理地址高低來劃分的存儲區域。

圖4 ARM與FPGA、DM9000A接口示意圖Fig.4 Schematic of ARM interface between FPGA and DM9000A

在數據通信時，通過ARM片選控制信號nCS0、nCS1選中FPGA和DM9000A工作。由于FPGA和DM9000A是共用數據總線，因此不支持FPGA和DM9000A同時讀寫數據，當其中一個工作時，連接到另一個芯片的數據總線需要置于高阻狀態。

EINT9是FPGA的中斷信號，當FPGA與ARM需要通信時發送該中斷信號，ARM響應中斷信號后通過nCS0選中FPGA讀寫數據。IRQ_LAN是DM9000A連接到ARM的中斷請求信號，當二者需要數據通信時，DM9000A發送IRQ_LAN信號給ARM，ARM響應中斷后通過nCS1選中DM9000A讀寫數據。

2.4 DAQ600采集處理流程設計

對分布式光纖傳感信號采集時，通道1和通道2分別連接斯托克斯和反斯托克斯信號，當FPGA被觸發后，其內部狀態機開始運行，并對ADC進行時序控制和數據讀取。其中，狀態機由狀態寄存器和組合邏輯電路構成，是數據采集處理的中樞，其工作原理是根據控制信號的變化跳轉到預先設定的狀態。圖5是DAQ600的狀態機設計流程圖。

圖5 DAQ600狀態機設計流程圖Fig.5 Flow chart of DAQ600 state machines design

當狀態機處于空閑狀態時，第一個觸發脈沖到來后，狀態機啟動ADC初始化流程并發送相關命令給ADC芯片。ADC芯片初始化后開始采集輸入信號，并將采集數據存儲到FPGA片內RAM中，其中RAM1和RAM2分別存放通道1和通道2的數據。由于ADC芯片采用流水線技術采樣，其有效數據輸出比實際信號輸入延后6.5個時鐘周期，故狀態機需要對ADC采集數據進行時序補償。

經過時序補償后數據再累加存儲，當FPGA完成65 536次累加平均后，RAM1和RAM2的數據存放的是累加平均結果，此時將發送中斷信號給ARM，然后ARM通過其同步只讀存儲器控制總線讀取該累加結果。當RAM1和RAM2中的數據讀取完畢后，ARM再將數據通過網絡以100 Mb/s的速度上傳至PC機。

3 實驗結果

根據實驗要求，搭建分布式光纖傳感溫度測試系統，驗證DAQ600系統指標及其狀態機設計是否符合實驗需要。為方便驗證，利用光時域反射原理對長度為80 m的光纖進行實驗，DAQ600采樣速率為100 MHz，按照1 m光纖采集1個點計算，一次采集80 m光纖需要800 ns，則重復65 536次采集并進行累加平均需要52.4288 ms。

圖6 DAQ600系統光纖溫度場采集實驗Fig.6 DAQ600 system based optical fiber data acquisition

為了驗證DAQ600系統的穩定性，采用兩套DAQ600同時對光纖傳感信號進行采集，如圖6所示。由于二者采集結果是一致的，圖7所示是其中一套DAQ600系統獲得的斯托克斯和反斯托克斯曲線。從圖中可看出，反斯托克斯曲線在尾端0.78 μs處明顯有個突起信號峰，這是由于在實驗中將光纖末端(約78 m處)放進熱水中，此處光纖外界溫度高，反映到測試曲線上就是在反斯托克斯曲線末端有個信號峰。而斯托克斯曲線突起不明顯，這是由于光纖產生的斯托克斯光對溫度不敏感，兩者的測試結果符合光纖測溫原理。通過測試，驗證了DAQ600的數據處理流程及狀態機設計符合要求，采集系統穩定、可靠運行100 d。

圖7 經過65 536次累加平均的斯托克斯和反斯托克斯曲線Fig.7 Stokes and anti-Stokes curves after 65 536 times cumulative averaging

通過對圖7中的斯托克斯和反斯托克斯曲線相關參數進行分析計算，可以解析出溫度與反斯托克斯曲線突起峰值的關系。經測試，DAQ600可以精確地恢復檢測被噪聲背景淹沒的微弱信號，通過實時累加平均后，光纖傳感信號的信噪比提高到90 dB以上，適用于分布式光纖傳感系統。

4 結論

分布式光纖傳感系統支持實時、快速、多點測量，通過設計高速數據采集系統，能夠實現對空間溫度場的測量。本文設計的DAQ600數據采集系統在可編程邏輯陣列上實現實時累加平均算法，支持100 MHz的信號采樣速率，實現對原始光纖傳感信號多達65 536次累加平均，使光纖傳感信號的信噪比提高到90 dB以上，為分布式溫度測量提供了良好的數據支撐。

目前存在的問題是信號采樣點數受限于FPGA片上存儲空間，尤其是當信號采樣頻率提高到125 MHz時，將占用更多的存儲資源。當采樣點數增加到一定數量后，FPGA會降低并行處理效率，且增加內部布局布線復雜度，最終會導致時序亞穩態，系統不能正常工作。今后系統需要在以下兩個方面改進，一是增加FPGA片上內部存儲空間，采用更大片上內部存儲容量的處理器；二是改進總線傳輸機制，使DM9000A具有獨立的數據、地址總線，提高數據傳輸效率。

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Designofdataacquisitionsystemfordistributedopticalfibersensor

NANGang-yang,WANQi-wu,SUNJi-hua，GUORui,ZHANGZhen-zhen,JUYang

(LaserResearchInstitute，ShandongAcademyofSciences,Jinan250103,China)

∶Based on the Raman scattering temperature effect and the optical time domain reflection technology, a 100 MHz high-speed data acquisition system SDLaser_DAQ600 was developed to measure the temperature field of space environment. In the data acquisition system, using real time averaging algorithm in the FPGA, DAQ600 has realized 65 536 times cumulative averaging for original fiber sensor signals, which supported real-time sampling of 10 km length fiber with 1 m spatial resolution.The experimental results show that, signal-to-noise ratio for optical fiber sensing can be increased to more than 90 dB through the 65 536 times cumulative averaging. Finally, smooth curves of Stokes and anti-Stokes have been obtained, which could provide proper data support for distributed temperature system measurement.

∶optical fiber sensor; data acquisition; Raman scattering

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.011

2017-06-12

山東省自然科學基金(ZR2016FB26)；山東省重點研發計劃(2016GGX101026)

南鋼洋(1984—)，男，助理研究員，研究方向為信號處理技術。

TP274+.2

A

1002-4026(2017)06-0065-06