基于分布式光纖傳感器的管涌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

崔光磊，衣文索，牛衛(wèi)叢，張葉浩

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

我國(guó)是淡水資源相對(duì)匱乏的國(guó)家，且呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性和季節(jié)性，這導(dǎo)致我國(guó)不僅要建設(shè)大型水利工程實(shí)行跨流域調(diào)水解決缺水問(wèn)題，還需要在汛期進(jìn)行河堤巡視排除安全隱患。鑒于水渠與河堤距離長(zhǎng)并且蓄意的盜挖土石、建筑施工誤刨、年久失修、結(jié)構(gòu)老化等造成堤內(nèi)管涌或滲漏，這不僅是浪費(fèi)水利資源，更容易引發(fā)生態(tài)污染，甚至決堤危機(jī)生命財(cái)產(chǎn)安全。因此迫切需要設(shè)計(jì)堤內(nèi)管涌安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以最大程度的減少?zèng)Q堤等重大事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的河堤安防方案實(shí)時(shí)性差，定位精度不高，堤壩一旦發(fā)生管涌，無(wú)法做出快速的預(yù)警及定位，發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)時(shí)往往已對(duì)堤壩造成一定程度的危害，使后期維護(hù)總處于被動(dòng)階段[1］。利用Mach-Zehnder干涉（以下簡(jiǎn)稱M-Z干涉）光纖全分布式感知系統(tǒng)可對(duì)管涌及堤壩結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的纖芯微小應(yīng)變進(jìn)行探測(cè)；基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)采用高速雙路AD模塊及大容量高速SDRAM，濾波、解調(diào)采用并行運(yùn)算，極大地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及定位精度，對(duì)災(zāi)害預(yù)警及事后搶修有著極其重要的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)原理

1.1 管涌滲漏形成原理

管涌滲漏的形成與水位深度和地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，隨著水位的增加，堤防及河道所承受的壓力也會(huì)增加，原始河道地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在黏土與砂礫為主的區(qū)段，由于顆粒孔隙不同造成透水程度不同，堤壩外側(cè)部分區(qū)域承受的壓力自然也就不同，如圖1所示為管涌滲漏形成過(guò)程圖。

圖1 管涌滲漏形成圖

如圖1所示，水面高度A超過(guò)土層與砂層的交界面且土層覆蓋較薄的點(diǎn)B時(shí)，B點(diǎn)承受的壓力隨水面A的升高而增加，當(dāng)此壓力超過(guò)黏土覆蓋壓力時(shí)，B點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，滲水導(dǎo)致黏土孔隙增大進(jìn)而使?jié)B水更嚴(yán)重。如果不能及時(shí)控制滲漏，水會(huì)帶出泥沙甚至導(dǎo)致決堤。

由以上分析可知，管涌的形成要經(jīng)過(guò)一個(gè)漸變的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)使埋于C點(diǎn)的傳感光纜所承受的壓力發(fā)生變化。當(dāng)管涌形成以后，湍急的水流引起的振動(dòng)及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化都將使光纜產(chǎn)生更明顯的應(yīng)變。

1.2 應(yīng)變檢測(cè)原理

相移型的分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是光纖在被測(cè)能量場(chǎng)的作用下，光纖內(nèi)傳輸?shù)南喔晒猱a(chǎn)生相移，然后利用相干干涉的方法將連續(xù)的相移轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮鏃l紋的疏密變化，也就是干涉光強(qiáng)弱的變化，最后由光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為帶有待測(cè)量的電信號(hào)，通過(guò)分析此電信號(hào)監(jiān)測(cè)待測(cè)信息。基于M-Z干涉的光纖堤壩管涌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是相移型中的一種，有應(yīng)力作用于光纖時(shí)光纖長(zhǎng)度、纖芯半徑、折射率等參數(shù)將發(fā)生變化，這些改變將導(dǎo)致經(jīng)過(guò)應(yīng)變點(diǎn)的載波相位被調(diào)制產(chǎn)生相位差 Δφ[2，3］，應(yīng)變對(duì)光纖結(jié)構(gòu)及光相位的調(diào)制原理，如圖2所示。

圖2 光纖結(jié)構(gòu)變化及光相位調(diào)制圖

對(duì)于圖2系統(tǒng)中鎧裝光纜，當(dāng)其入射光波振幅為E0，頻率為ω，初始相位差為φ0時(shí)，理想狀態(tài)下纖芯無(wú)應(yīng)變產(chǎn)生時(shí)，輸出載波Eout將表達(dá)式為：

鎧裝光纜Z點(diǎn)在應(yīng)變引起的擾動(dòng)波S(t)作用時(shí)，傳感光纖產(chǎn)生的形變將導(dǎo)致其局部參數(shù)發(fā)生連續(xù)變化。載波沿傳感光纖通過(guò)應(yīng)變點(diǎn)時(shí)相位被調(diào)制，產(chǎn)生相位延遲，由于相位φ=β×L，則載波在S(t)作用下產(chǎn)生的相位差Δφ表達(dá)式為：

式中，L是探測(cè)光路距離、r是光纖半徑、n為折射率，β為載波在單模光纖軸心徑向的傳輸常數(shù)，此常數(shù)由光纖折射率與纖芯半徑共同決定。上式中第一部分是光隙效應(yīng)導(dǎo)致折射效率改變引發(fā)的相移；第二部分是泊松效應(yīng)引發(fā)單模光纖的纖徑改變產(chǎn)生相移；第三部分是應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)致光纖長(zhǎng)度改變引起的相移[4，5］。

理想狀態(tài)下，當(dāng)光纖受到應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生相位差Δφ，則出射光波Eout表達(dá)式為：

M-Z光纖干涉系統(tǒng)的感知光路由探測(cè)與對(duì)比兩個(gè)光路組成，其中傳輸?shù)膬上喔晒夥謩e稱為傳感光與對(duì)比光，兩束光的初始相位差為π/2。通過(guò)以上分析可知傳感光經(jīng)過(guò)應(yīng)變點(diǎn)產(chǎn)生相位差Δφ時(shí)，則兩相干光的相位差變?yōu)棣う?π/2。當(dāng)前對(duì)于相位差Δφ無(wú)法通過(guò)光學(xué)儀器直接測(cè)量，只能通過(guò)干涉法間接測(cè)量。理想狀態(tài)下無(wú)應(yīng)變時(shí)相移為π/2的傳感光和對(duì)比光的干涉強(qiáng)度最大，實(shí)驗(yàn)中傳感光受環(huán)境噪聲和應(yīng)力影響產(chǎn)生時(shí)刻變化的相位差Δφ，這也導(dǎo)致干涉光強(qiáng)度的連續(xù)變化，故可通過(guò)分析傳感光與對(duì)比光干涉的強(qiáng)弱變化得到相位差的變化。

1.3 定位原理

標(biāo)定應(yīng)變點(diǎn)是管涌監(jiān)測(cè)效果好壞的重要指標(biāo)，參考單路M-Z干涉搭建的光纖全分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然可以感知管涌發(fā)生卻無(wú)法確定管涌點(diǎn)，僅適用于小范圍的安防監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了改進(jìn)型雙M-Z干涉光纖管涌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含順時(shí)針?lè)较蚺c逆時(shí)針?lè)较騼陕稭-Z干涉系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)感知和定位[6，7］。總體設(shè)計(jì)中光學(xué)部分可拆解為等效的兩路M-Z干涉系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 雙M-Z干涉系統(tǒng)等效光路圖

如上圖所示，λ為1550nm的窄帶連續(xù)光源發(fā)出的光束經(jīng)3dB耦合器O1按1∶1分成相位差為π/2的兩束載波，一路沿順時(shí)針?lè)较蛲ㄟ^(guò)C1、L1、O3和傳感光纖后在O2處產(chǎn)生干涉，另一路沿相反方向經(jīng)過(guò)C2、O2和傳感光纖后在O3處產(chǎn)生干涉。當(dāng)應(yīng)力S(t)作用于傳感光纖上Z點(diǎn)時(shí)，載波相位在Z點(diǎn)被調(diào)制，調(diào)制光波沿順時(shí)針?lè)较騻鬏敃r(shí)在O2處產(chǎn)生干涉，干涉信號(hào)通過(guò)C2后經(jīng)PIN光電探測(cè)器P1產(chǎn)生光生載流子，假設(shè)應(yīng)變點(diǎn)Z到O2距離是x，元件之間均通過(guò)0.5m光纖跳線連接可以忽略不計(jì)，則順時(shí)針?lè)较蛘{(diào)制光波到P1的光程是x，傳輸時(shí)間是t1。調(diào)制光波沿相反方向傳播時(shí)在O3處產(chǎn)生干涉，干涉信號(hào)通過(guò)L1和C1后進(jìn)入光電二極管P2，則逆時(shí)針?lè)较蛘{(diào)制光波到P2的光程為L(zhǎng)2-x+L1，傳輸時(shí)間為t2，其中L1、L2、L3相等都計(jì)為L(zhǎng)[8］。

通過(guò)以上分析可知調(diào)制光波沿順、逆兩個(gè)方向到達(dá)探測(cè)器的光程不同，其光程差ΔL表達(dá)式為：

同理探測(cè)器接收到應(yīng)變信號(hào)也存在時(shí)間延遲Δt，其表達(dá)式為：Δt=t2-t1

因此可通過(guò)探測(cè)器接收時(shí)間差計(jì)算出光程差ΔL=Δt×c/n，進(jìn)而通過(guò)式（7）確定擾動(dòng)點(diǎn)到O2的距離實(shí)現(xiàn)定位。

1.4 信號(hào)分選原理

探測(cè)器干涉信號(hào)的規(guī)律與應(yīng)變的變化特征相同，當(dāng)應(yīng)變以特定的振幅、頻率變化時(shí)，干涉信號(hào)呈現(xiàn)明顯的相似性。干涉信號(hào)當(dāng)前沒(méi)有合適的儀器能對(duì)其直接進(jìn)行分析，由于光電探測(cè)器的輸出電流信號(hào)與干涉光強(qiáng)存在線性關(guān)系，干涉信號(hào)可通過(guò)光電探測(cè)間接測(cè)量，經(jīng)調(diào)理后得到的電信號(hào)為一定頻率范圍、振幅有限的正弦信號(hào)。管涌滲漏導(dǎo)致的電信號(hào)實(shí)際是不同頻率正弦信號(hào)的互相調(diào)制，因此可通過(guò)頻率分選機(jī)制將管涌導(dǎo)致的不同程度滲漏分離出來(lái)。

走過(guò)、踩踏及敲擊能產(chǎn)生三種不同的振動(dòng)信號(hào)，且能造成光纖不同應(yīng)變程度，實(shí)驗(yàn)中先通過(guò)以上三種信號(hào)驗(yàn)證該頻率分選系統(tǒng)是否合理。圖4中（a）、（b）、（c）為以上三類信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)變后經(jīng)干涉、光電轉(zhuǎn)換、調(diào)理及頻率分選后得到的波形。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該頻率分選系統(tǒng)可以對(duì)不同振動(dòng)程度引起的應(yīng)變進(jìn)行檢測(cè)與分離。

圖4 頻率分選波形

圖5 管涌模擬實(shí)驗(yàn)

依據(jù)管涌形成過(guò)程中流過(guò)滲漏點(diǎn)的流量不同設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，將用海綿包裹的傳感光纜固定于水池底部，在距離傳感光纜1米處從水池底部向上噴水，如圖5所示，（d）（e）（f）為逐步增大的噴管流速模擬管涌的初、中、后三個(gè)階段，通過(guò)圖中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)不同流速所造成的振動(dòng)信號(hào)的振幅及頻率不同，因此該信號(hào)處理方法可應(yīng)用于管涌檢測(cè)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與程序框圖

2.1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)采用參考雙M-Z干涉的光纖全分布式應(yīng)變感知結(jié)構(gòu)，該光學(xué)結(jié)構(gòu)將應(yīng)變調(diào)制成干涉信號(hào)輸出；經(jīng)同側(cè)正、逆兩方向探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；再由調(diào)理及頻率分選后利用高速AD采樣模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與解調(diào)；最終通過(guò)千兆以太網(wǎng)傳輸解調(diào)信息至PC端進(jìn)行定位信息輸出及聲光報(bào)警。系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 信號(hào)調(diào)理及頻率分選系統(tǒng)電路圖

信號(hào)分選系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換、跨阻放大、信號(hào)跟隨、高通和低通濾波及幅值放大組成。PIN光電探測(cè)器是加入I本征半導(dǎo)體的反向偏置PN結(jié)，無(wú)需偏置電壓快速產(chǎn)生以高漂移速率運(yùn)動(dòng)的載流子形成光電流，光生載流子經(jīng)由運(yùn)放搭建的跨阻放大器后轉(zhuǎn)變?yōu)榭商幚淼碾妷盒盘?hào)。穩(wěn)定狀態(tài)下無(wú)應(yīng)變產(chǎn)生時(shí)，上述電信號(hào)為頻率十分低的正弦信號(hào)，應(yīng)變與地噪聲導(dǎo)致的高頻信號(hào)調(diào)制到低頻正弦信號(hào)上。應(yīng)變劇烈程度不同所導(dǎo)致的對(duì)應(yīng)高頻分量頻率各異，通過(guò)高低通濾波器設(shè)置不同的頻率上下門(mén)限實(shí)現(xiàn)信號(hào)分選。信號(hào)調(diào)理及頻率篩選系統(tǒng)部分電路原理圖，如圖7所示。

圖7 信號(hào)調(diào)理及頻率分選系統(tǒng)電路

2.3FPGA系統(tǒng)框圖

Xilinx與Altera是FPGA主要生產(chǎn)商，本系統(tǒng)選用后者高性價(jià)比Cyclone V系列EP4CE15完成解調(diào)。由兩片12位位寬，采樣頻率為50MHz的AD9226完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后該系統(tǒng)通過(guò)DDR2接口掛載1G的SDRAM用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以備解調(diào)調(diào)用，最后通過(guò)千兆以太網(wǎng)將解調(diào)信息發(fā)送至上位機(jī)完成管涌點(diǎn)標(biāo)定及聲光報(bào)警[9］。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8FPGA系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)誤差分析與數(shù)據(jù)處理

本系統(tǒng)所用λ為1550nm的連續(xù)載波于單模光纖內(nèi)的傳輸速率V=C/n，C為光在真空環(huán)境內(nèi)的傳輸速率，n為單模光纖的折射率，本系統(tǒng)所選用非保偏單模光纖折射率n≈1.5，則V≈2×108m/s。由于選用非保偏單模光纖，所以影響干涉信號(hào)的因素除應(yīng)變導(dǎo)致的相位偏移外，還有雙折射導(dǎo)致偏振衰落。

信號(hào)分選電路部分均選用同參數(shù)同批次器件，由于工藝及焊接問(wèn)題兩路信號(hào)存在一個(gè)基本固定的時(shí)間差，這部分導(dǎo)致的誤差可通過(guò)定點(diǎn)標(biāo)定解決，故不將其列入最終誤差。

模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號(hào)處理階段可能存在時(shí)間延時(shí)導(dǎo)致的誤差，由于高速AD采樣存在固定的采集頻率50MHz，即20ns的轉(zhuǎn)換周期，在20ns內(nèi)載波在光纖中的傳輸距離約為4m，故AD采樣導(dǎo)致的單點(diǎn)偏移誤差為4m。

FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的簡(jiǎn)稱，不存在機(jī)器周期，而是通過(guò)邏輯語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)硬件電路設(shè)計(jì)。該架構(gòu)通過(guò)DDR2接口掛載SDRAM的讀寫(xiě)速率均高于100MHz，故FPGA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及解調(diào)部分不存在延時(shí)誤差[10］。

若忽略鎧裝光纜所標(biāo)距離與實(shí)際距離的差距，根據(jù)以上分析可得，該系統(tǒng)僅存在由偏振引起的偏移誤差。在常溫條件下，2公里光纜長(zhǎng)度，通過(guò)三種接觸方式模擬不同程度管涌導(dǎo)致的應(yīng)變干涉信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形

4 結(jié)論

采用1550nm波長(zhǎng)的連續(xù)激光器作為光源，通過(guò)雙M-Z干涉分布式光纖應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)感知應(yīng)變，并利用FPGA完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與相關(guān)解調(diào)，定位事故點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出：該系統(tǒng)可對(duì)不同應(yīng)變信息加以分析，由于管涌初期應(yīng)變程度較小，類似于走過(guò)光纜導(dǎo)致，因此此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)管涌監(jiān)測(cè)及定位，誤差約為±8米。

[1]張暉，呂宏偉，馮進(jìn)良，等.基于光纖振動(dòng)傳感器與FPGA的石油管道安防系統(tǒng)[J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，3（39）：116-119.

[2]楊勇.Mach-Zehnder雙光纖干涉儀應(yīng)力-應(yīng)變函數(shù)關(guān)系研究[J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，6（8）：4-8.

[3]聶文偉.基于Labview的光纖干涉?zhèn)鞲行盘?hào)解調(diào)和定位研究[D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.

[4]蔣凱偉，潘玉田，柴鋼.基于光纖M-Z傳感器的身管應(yīng)力測(cè)試方法研究[J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，5（37）：541-545.

[5]陸華麗，王鳴，戴霞娟，等.基于全光纖Mach-Zehnder干涉的應(yīng)變傳感測(cè)量[J］.南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2010，1（10）：85-88.

[6]李志全，范立娜.一種貼裝式M-Z光纖應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)[J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，1（91）：91-93.

[7]王送來(lái).堤壩滲漏分布式光纖傳感檢測(cè)模擬裝置試驗(yàn)研究[D］.湘潭：湖南科技大學(xué)，2008.

[8]王建.分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)—Sagnac改進(jìn)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[9]張東.基于FPGA與DDR2-SDRAM的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D］.南京：南京理工大學(xué)，2007.

[10]徐家剛，張永偉，徐瑞榮.基于FPGA與DDR2 SDRAM的高速ADC采樣數(shù)據(jù)緩沖器設(shè)計(jì)[J］.艦船電子對(duì)抗，2010，1（33）：104-108.