一種基于相干光時域反射的分布式光纖振動傳感系統研制

鄒捷 王宇 張建國 劉昕 白清 王東 靳寶全

摘要：針對基于相干光時域反射的分布式光纖振動傳感系統中數據量龐大，且需要信號發生器外部驅動，集成度低的缺點，利用現場可編程邏輯門陣列實現傳感數據的高速采集與聲光調制器的同步驅動，采用USB 3.0實現采集模塊與上位機的實時數據傳輸。搭建一種基于相干光時域反射的分布式光纖振動傳感系統，利用本地光與后向瑞利散射光的拍頻效應，實現對微弱后向瑞利散射光信號的探測，并提高系統的傳感距離。采用正交相位解調方法獲取振動信號的位置信息。實驗結果表明：該系統可在22km傳感光纖上對振動信號進行有效定位，定位誤差在20m以內，且系統對正弦波和方波等不同形態的振動信號定位效果一致。

關鍵詞：光纖傳感;振動檢測;相干光時域反射;后向瑞利散射光

中圖分類號：TP211;TP23 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0114-07

收稿日期：2018-07-12;收到修改稿日期：2018-09-11

基金項目：山西省煤層氣聯合研究基金資助項目（2016012011）;山西省重點研發計劃社會發展項目（201703D321037）;山西省應用基礎研究計劃（201701D221115）;山西省回國留學人員科研資助項目（2016-035）

作者簡介：鄒捷（1993-），女，江蘇泰州市人，碩士研究生，專業方向為光纖傳感檢測。

0 引言

光纖傳感作為一種抗電磁干擾的傳感技術，具有本質安全、便于敷設、靈敏度高[1]等優點，尤其在振動檢測領域得到了廣泛關注和研究。激光在光纖中傳播時，會由于外部振動的影響造成光纖產生彈光、泊松和應變等效應[2]，進而導致光纖折射率、光纖軸向長度和纖芯直徑改變，繼而使得振動處的光相位發生改變。為此，光相位的動態變化可以體現出振動信號的發生及其位置信息，從而可實現對振動信號的定位。

分布式光纖振動傳感系統一般分為前向干涉光技術和后向散射光技術，主要應用于管道安全、周界安防、結構安全檢測等場景[3]。其中前向干涉光技術研究較早，主要有馬赫澤德干涉儀[4]、邁克爾遜干涉儀[5]和薩格奈克干涉儀[6]，通常使用時延原理實現振動信號定位，定位精度較低[7]，而且光路結構復雜，參考光路部分通常需要隔溫隔振[8]。基于后向散射光的分布式振動傳感系統主要包括相位敏感光時域反射技術（φ-OTDR）和相干光時域反射技術（C-OTDR）。φ-OTDR技術對于振動的檢測通常采用脈沖光進行探測，后向散射光干涉光強度的變化可以反映出振動信號的位置信息[9]。由于光在傳播過程中會不斷衰減，系統通常會采用信號放大的方式來實現微弱后向散射光的探測，以提高傳感距離。饒云江教授課題組將拉曼放大技術應用到φ-OTDR中，通過光的雙向放大實現了62km長度的檢測[10]，隨后又提出在光纖尾端使用拉曼放大，通過調整人纖脈沖光功率和拉曼泵浦功率優化系統[11]。然而，信號放大的同時會引入噪聲，降低信號質量，甚至造成信號失真，對信號處理提出了更高的要求，有可能阻礙在工程領域的推廣應用。

基于相干光時域反射（C-OTDR）的分布式振動傳感系統，可通過提高本地光的光功率來實現對微弱后向瑞利散射光的探測，從而不需要激光放大便可獲得更長的傳感距離和更高的探測靈敏度[12-13]，并可獲得更高的信噪比[14]。針對C-OTDR傳感系統數據量大且實時性要求高的特點，本文采用現場可編程門陣列（FPGA）實現高速數據采集和聲光調制器（AOM）同步驅動。傳感信號經USB 3.0傳輸到上位機進行算法處理，以便有效定位振動信號，從而為C-OTDR技術在結構健康監測、管道安全、周界安防等方面的實際應用提供更多的借鑒。

1 C-OTDR實驗裝置及傳感原理

實驗系統搭建如圖1所示，激光器發出一束連續光，經1：99的耦合器1分成兩路，一路作為本地光，一路由聲光調制器（AOM）轉換成脈沖光，經放大器放大，由環形器注入傳感光纖，在傳輸過程中發生瑞利散射。外部振動作用于光纖導致光纖的芯徑、折射率和軸向長度發生變化，經過振動點的后向散射光相位改變，在脈沖周期內發生干涉。返回的散射光與本地光在耦合器2處拍頻，由雙平衡探測器轉為電信號，數據經FPGA采集后由USB3.0實時傳輸到上位機進行分析。

如圖1所示，用壓電陶瓷材料（PZT）模擬外界振動作用在傳感光纖上。無振動發生時后向瑞利散射光的相位穩定，振動發生時在對應位置處后向瑞利散射光的相位信號會發生突變，由此可以用于檢測振動信號。由于AOM的頻移效果，干涉疊加的瑞利散射光信號和本地光信號的頻率有一個穩定的頻率差，在1：1的耦合器2處發生拍頻后，由雙平衡探測器轉換為電信號，電信號由FPGA采集，傳輸到上位機解調并分析處理。干涉疊加的散射光場如下[15]：

E₁=E_R（t）expj（（ω+△ω））t+Ф_R（t））（1）式中：E_R——干涉場振幅，V;

ω——種子光頻率，MHz;

△ω——AOM引入的頻移量，在本實驗系統中為200MHz：

Ф_R（t）干涉場相位，rad。

從光源分出的本地光信號[15]表示為式中：E_L0——本地光振幅，V;

Ф_L0（t）本地光初相位，rad。

拍頻后耦合器2處的兩路功率[12]分別為

雙平衡探測器探測得到兩路輸出的差模部分為[12]：其中φ（t）為本地光與后向瑞利散射光場的相位之差。雙平衡探測器探測到的信號轉換為數字量后由FPGA實時采集，并將數據傳輸到上位機，在數字域對相位進行解調，可得到外界振動的位置信息，實現對振動信號的有效定位。

2 信號分析處理

2.1 相位信號解調

相位信號解調算法主要有正交相位解調移動差分算法、相位生成載波解調差分算法和基于3×3耦合器的解調差分算法，其中后兩項解調算法所需增加的信號解調光路結構對外界環境要求較高，因此一般需要隔振處理。本系統的信號解調基于正交相位解調算法，無需附加光路結構，但是需要解決數據量大的問題以保證系統的實時性。該算法與其他同類算法的對比分析如表1所示。

系統的解調原理如圖2所示，生成頻率與△P（t）相同的標準正弦信號和標準余弦信號，分別與雙平衡探測得到的△P（t）相乘，所得信號濾除高頻信號分量，即可得到只攜帶相位信息而不包含頻率信息的兩路正交信號I和Q，分別為：

二者相比可約去本地光和后向散射光場的強度信息，得到攜帶相位信息的正切量，對夕1做反正切變換可得相位信號φ（t）。將表征相位信號的強度幅值保存為數組，相鄰10個脈沖作為一組，對相鄰兩組信號做差分處理。外界振動會造成振動位置處的光相位發生變化，光強相對于未發生振動時的光強發生改變，差分處理后得到信號圖，圖中對應于振動位置的信號會有很高的幅值，產生一個尖峰，由于系統采用脈沖光進行探測，脈沖光入射到光纖中，某一時刻到達光纖上一點時該點的后向瑞利散射光沿光纖回到探測器，沿光纖各點可形成一條后向散射曲線，可由下列公式得到振動信號的位置：

s=vt=v·n₀/（2n·f_r）（8）式中：f_r——探測脈沖光的重復頻率，Hz;

n₀——信號圖中峰值在后向散射曲線中所處的位置;

n——后向散射曲線的總長度;

ν——光在光纖中的傳播速度，m/s。

用OTDR儀測量傳感光纖起點到振動點的實際長度，其型號選用AOR500-S，測距精度為1.25m。實驗測得的峰值根據式（8）解調得到振動信號位置的測量值，將OTDR儀測量的振動點實際位置減去系統的測量值得到了系統定位的誤差值。

2.2 數據采集與AOM驅動

由于傳感光纖長度超過20km，數據量很大，且系統采用了對外界環境要求低的正交解調算法，計算量大，因此本文選用了具有高速并行處理能力的FPGA對數據進行采集和處理。為了提高傳感系統的集成度，FPGA同時驅動AOM，將連續光調制成脈沖光，重復頻率為4kHz和8kHz，取代傳統的信號發生器的驅動方式。根據實際應用的需要可隨時改變脈沖光的脈寬，用以調整傳感系統的空間分辨率?；贔PGA的高速數據采集與AOM驅動原理如圖3所示。

雙平衡探測器將連續光信號轉換成模擬電信號，模數轉換器（ADC）再將模擬電信號轉換成數字量。隨后，數據采集控制單元對數據進行累加平均處理與數據傳輸預處理。異步存儲處理單元將傳感數據存入FPGA的先人先出（FIFO）臨時緩存區域。數據傳輸控制單元則控制傳感數據經USB 3.0接口傳輸到上位機，以便進行數據后續解調處理。

采集控制和AOM的同步驅動由系統的多時鐘信號控制單元進行分配控制。首先時鐘晶振產生50MHz的固定時鐘頻率，由多時鐘信號控制單元對50MHz進行分頻，生成多個時鐘信號。控制單元將生成的時鐘信號分別分配給AOM驅動信號生成單元、復位信號生成單元和內部觸發信號單元。AOM驅動信號生成單元驅動AOM將光源發出的連續光調制成8kHz的脈沖光。復位信號生成單元用于復位系統以確保采集程序正確有序運行。內部觸發信號單元控制數據采集標志和數據傳輸標志，分別用于控制數據的采集與傳輸，確保數據采集與傳輸的準確性、實時性與穩定性。系統的時鐘信號控制如圖4所示。

FPGA與上位機之間的高速數據傳輸基于USB3.0技術，使用CYPRESS的EZ-USB FX3進行控制，選用從設備FIFO接口對數據的讀寫進行操作，經過USB驅動，實現FPGA與上位機間數據的實時傳輸。在USB串流輸入（Stream In）的傳輸模式下，通過控制MODE標志位、flaga、flagb傳輸端點空滿標志位等來進行數據傳輸的狀態轉換，系統框圖和傳輸控制的狀態轉換如圖5所示。

3 實驗結果與分析

按照圖1搭建實驗系統，在總長為10.5km的傳感光纖上利用PZT模擬外界振動，振動位置為距傳感光纖入射端10km處，振動信號為頻率300Hz且幅值為8V的正弦波，系統信號如圖6所示。圖6（a）是無外界振動時某一時刻采集到的信號曲線，通過觀察一段時間內曲線幅值變化可以發現信號整體處于平穩狀態。圖6（b）是發生振動時某一時刻的信號曲線，圖中在紅色虛線圈內有一處明顯的尖峰，且在一段時間內進行觀察可發現該尖峰會發生明顯的上下抖動，具有一定的規律性。

為了驗證系統的有效性，另外在距傳感光纖末端約2.5km、5.5km、7.5km處用PZT施加頻率300Hz且幅值為8V的正弦波振動信號，系統信號如圖7～圖9所示。經過觀察，在不同的距離下系統皆具有與10km處振動相似的實驗現象，在圖7（b）、圖8（b）、圖9（b）的紅色虛線圈內均有一處明顯的尖峰，且尖峰發生具有規律性的明顯抖動。

對10km處用PZT施加振動產生的信號曲線進行算法處理，濾除部分共模噪聲，得到振動信號差分曲線如圖10所示。由圖可知，信號曲線在振動位置處有一個極為明顯的尖峰，而無振動位置處的信號幅值較小。由此可見，系統能夠靈敏地定位到振動信號的發生位置，其中振動信號位置處幅值（U）為4.25V，其他位置處噪聲信號最高幅值（U_n）為0.4531V，則信噪比（SNR）約為19.44dB。

為了進一步驗證傳感系統對振動信號的定位精度，及對不同振動信號的定位能力，進行了2.5～22km不同距離的定位重復性實驗和不同振動形態（如正弦波振動信號與方波振動信號）的定位重復性試驗。在距傳感光纖末端2.578，5.643，7.638，10，22.074km處用PZT施加頻率300Hz且幅值8V的正弦波振動信號，繪制不同傳感距離下的誤差分析圖如圖11所示。在2.578，5.643，7.638，10，22.074km處的定位誤差分別小于14，15，15，5，20m，在22km處定位誤差略大于短距離的定位誤差。光在光纖中傳播時會有損耗，損耗到一定程度后實驗結果受到外界環境噪聲的影響，造成定位誤差的增加。

另外在傳感光纖10km處用PZT分別施加頻率300Hz且幅值8V的正弦波與方波振動信號。由16組振動定位數據繪制振動定位誤差圖如圖12所示。由圖可知，系統對正弦波、方波等不同的振動信號形態具有基本一致的定位效果，且定位誤差在15m以內，表明系統的定位性能良好。

為了直觀地表示出本測量系統相比同類測量系統的優缺點，對比分析了本測量系統與同類測量系統的測量范圍、便攜性、定位誤差和性價比等指標如表2所示。本測量系統利用FPGA替代信號發生器實現了對AOM的驅動，結合USB3.0完成數據的采集，大大提高了系統的便攜性，降低了系統成本，且同時系統傳感距離可達22km，定位誤差在20m以內。

4 結束語

本文根據相干光時域反射原理，搭建了G-OTDR分布式光纖振動傳感系統。不同于一般的測量系統，本系統利用FPGA和USB 3.0技術完成了數據的高速采集、實時傳輸和對AOM的同步驅動，解決了系統數據量大的問題，提高了系統的集成度，降低了系統成本，為該系統在工程中的實際應用提供了借鑒。該系統能在22km的傳感光纖上對振動發生位置進行定位誤差小于20m的有效定位，且針對正弦波、方波等不同形態的振動信號，其定位效果保持一致。實現振動信號的有效定位后，在后續的研究中將對振動信號的具體特征進行提取與分析，為系統的應用提供更多可能。

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（編輯：商丹丹）