分布式光纖傳感中用于快速檢測的軟硬件設(shè)計

周　斌， 黃國靜， 魯昌濤， 阮　航

(華南師范大學華南先進光電子研究院，廣州 510006)

分布式光纖傳感中用于快速檢測的軟硬件設(shè)計

周斌*， 黃國靜， 魯昌濤， 阮航

(華南師范大學華南先進光電子研究院，廣州 510006)

針對目前分布式光纖傳感系統(tǒng)檢測速度慢的缺點，利用可編程邏輯器件(FPGA)芯片為核心設(shè)計能快速檢測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將1次全量程檢測時間從30 s甚至幾分鐘縮至10 s以內(nèi)，使得分布式光纖傳感接近實時. 分布式光纖傳感技術(shù)是光纖傳感中最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一，其最大的優(yōu)點是能實現(xiàn)大范圍超長距離檢測.介紹布里淵和拉曼這兩類分布式傳感的傳感原理以及其重復(fù)性、幀結(jié)構(gòu)的傳感數(shù)據(jù)特點. 根據(jù)該特點設(shè)計基于FPGA內(nèi)部的多個先入先出(FIFO)的超長環(huán)形隊列進行數(shù)據(jù)緩沖和求均算法操作，對信號進行降噪處理，并設(shè)計基于USB2.0協(xié)議的CY7C68013A數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C顯示和存儲. 結(jié)果表明，該設(shè)計解決了分布式光纖傳感中因測量時間長，不能實時檢測的問題，實現(xiàn)準實時檢測，大大提高分布式光纖傳感的性能，可應(yīng)用于需要準實時監(jiān)測和大量傳感器的場合.

分布式光纖傳感； 數(shù)據(jù)采集； 光纖布里淵效應(yīng)； 光纖拉曼效應(yīng)

自低損耗光纖發(fā)明以來，光纖傳感得到迅猛發(fā)展，并應(yīng)用于各行各業(yè)中，如生物醫(yī)學[1-2]、建工[3-4]、能源[5]、交通[6-7]等領(lǐng)域. 使用分布式光纖傳感技術(shù)，可以讓光纖本身變成傳感器，每一段光纖都能檢測其沿線的物理量，非常適合需要海量傳感器的場合. 分布式光纖傳感利用光纖非彈性散射效應(yīng)，包括光纖布里淵效應(yīng)[8-9]和光纖拉曼效應(yīng)[10-11]，這些非彈性散射光的強度都非常弱，為了提高信噪比，需要將采集到的信號做幾千到上萬次的平均操作[12]. 目前多數(shù)分布式光纖傳感的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用商用設(shè)備和標準采集流程，數(shù)據(jù)的獲取和降噪平均算法. 因此1次全量程的傳感一般需要幾分鐘甚至更長時間，導致傳感過程的非實時，只能檢測到緩變的信號，很大程度上限制了分布式光纖傳感的應(yīng)用.

本文根據(jù)布里淵和拉曼這2類分布式傳感的特點，以可編程邏輯器件(FPGA)芯片為核心，專門針對分布式光纖傳感中1次全量程檢測耗時的問題，設(shè)計了能實現(xiàn)快速檢測的數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng). 在數(shù)據(jù)采集架構(gòu)設(shè)計中，數(shù)據(jù)的獲取和降噪平均算法同時進行；選用超大片內(nèi)RAM空間的FPGA芯片，采用超長隊列，將每組數(shù)據(jù)采集的時間間隔壓縮至最短；采用乒乓操作，將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳這2個流程獨立，將每2次全量程采集時間間隔壓縮至最短. 利用這個架構(gòu)，可以將1次完整的全量程傳感所需要的時間控制在10 s之內(nèi)，實現(xiàn)準實時檢測，大大擴大了分布式光纖傳感的應(yīng)用范圍.

FPGA采用并行的執(zhí)行模式、開發(fā)周期短、響應(yīng)時間快、穩(wěn)定性好，易于長期維護升級. 系統(tǒng)采用FPGA為主控芯片，利用內(nèi)部鎖相環(huán)提高工作頻率，控制AD信號的采集，利用超長隊列進行數(shù)據(jù)緩存和處理，利用USB2.0協(xié)議將數(shù)據(jù)傳到上位機，達到準實時監(jiān)測的目的.

1　研究方法

1.1分布式光纖傳感原理以及其傳感數(shù)據(jù)的特點

分布式光纖傳感包括拉曼傳感和布里淵傳感，目前普遍將時域OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)[13]技術(shù)應(yīng)用于這2類分布式光纖傳感，分別稱為ROTDR(Raman OTDR)[14]和BOTDR(Brillouin OTDR)[15]. 其傳感數(shù)據(jù)形式非常類似，因此其數(shù)據(jù)采集模塊的架構(gòu)統(tǒng)一. 圖1分別是分布式光纖拉曼傳感和分布式光纖布里淵傳感的原理圖.

DAQ：數(shù)據(jù)采集模塊；AD：模數(shù)轉(zhuǎn)化；AOM:聲光調(diào)制器；WDM：波分復(fù)用器；APD：雪崩光電二極管；PD：光電二極管；EOM：電光調(diào)制器；PS：擾偏器.

圖1分布式光纖傳感技術(shù)的原理

Figure 1Principle of distributed optical fiber sensing technologies

聲光調(diào)制器(AOM)用于產(chǎn)生脈沖激光，波分復(fù)用器(WDM)用于分離拉曼散射的Stocks和anti-Stocks光，電光調(diào)制器(EOM)和濾波器用于產(chǎn)生泵浦光，擾偏器用于打亂光纖內(nèi)的偏振. 在上述系統(tǒng)中，探測光被調(diào)制成脈沖形式，為了實現(xiàn)高空間分辨率(如1 m)，脈沖光的脈寬通常在10 ns量級. 經(jīng)過傳感光纖后，信號光(背向Raman散射的Stocks和anti-Stocks光，以及被受激Brillouin放大的探針光)是連續(xù)的，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，數(shù)據(jù)采集模塊采集這些時域上連續(xù)的信號光. 無論基于光纖Ramam效應(yīng)還是基于Brillouin效應(yīng)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)形式均為重復(fù)信號，定義為幀信號，每1次重復(fù)為1幀. 幀長度為1次全量程采集的數(shù)據(jù)長度，它取決于傳感光纖的長度和空間分辨率. 基于此，分布式光纖傳感的數(shù)據(jù)采集模塊架構(gòu)可以統(tǒng)一. 一般來說，光纖Raman分布式傳感的最大傳感距離為10～30 km，而光纖Brillouin分布式傳感的最大傳感距離能達到50～100 km，空間分辨率小于1 m. 因此在需要采集的數(shù)據(jù)格式中每1幀的長度非常大(104～105AD). 由于FPGA可支持的最大隊列長度≤131 072子幀，因此這類超長幀需要通過多塊存儲空間拼接才能實現(xiàn).

1.2采集模塊架構(gòu)

由于各類分布式光纖傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一性，采集模塊架構(gòu)可統(tǒng)一設(shè)計，圖2是抽象后的采集模塊架構(gòu)，適用于ROTDR和BOTDR. 采集模塊的核心為FPGA芯片. 來自傳感光纖的周期性重復(fù)的多幀信號，經(jīng)AD芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換后，進入FPGA芯片，分布式光纖傳感通常多通道同時進行，圖2是其中1個通道的工作流程. 進入FPGA的周期性多幀傳感信號首先根據(jù)同步信號，被分割成單幀，然后進入乒乓操作流程：開辟2塊相同大小的RAM，每塊RAM的大小為1幀傳感信號所需的空間大小，其中一塊RAM用于傳感數(shù)據(jù)的接收和幀與幀之間的累加，另一塊用于多幀傳感信號平均降噪算法處理以及和計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸. 每當數(shù)據(jù)接收完成，交換2塊RAM之間的功能. 平均降噪算法算法耗時較長，采用這種內(nèi)存的乒乓操作，將數(shù)據(jù)采集、平均降噪算法以及數(shù)據(jù)傳輸過程分開，能夠?qū)崿F(xiàn)2次全量程傳感之間零間隔.

每1幀數(shù)據(jù)按照環(huán)形隊列的數(shù)據(jù)格式存儲在FPGA的RAM中. 每采集1個新數(shù)據(jù)，隊列指針向后移1位，將當前指針指向的數(shù)據(jù)取出并與采集的數(shù)據(jù)相加，累加值將指針位置的數(shù)據(jù)替換并壓入隊列. 上述的隊列更新流程如圖3A顯示，事實上，上述流程是傳感數(shù)據(jù)的累加過程，通過這個流程，可以將每2組數(shù)據(jù)采集的時間間隔壓縮為0. 在FPGA內(nèi)部，環(huán)形隊列由FIFO(先入先出)線性隊列組成，圖3B是首尾相連的、線性的環(huán)形隊列. Altera公司的FPGA芯片最大支持的FIFO隊列深度為131 072. 對于分布式光纖檢測來說，如果要實現(xiàn)很高的空間分辨率(如0.1 m)，即每隔0.1 m采集1個數(shù)據(jù)，對于100 km長度的檢測則需要106個數(shù)據(jù)，單個FIFO隊列已無法滿足分布式光纖采集所需要的數(shù)據(jù)量，需要將多個隊列拼接才能達到需要的深度.

圖3C顯示了如何利用多個FIFO隊列組成1個長環(huán)形隊列. 每個FIFO隊列至少都有1個狀態(tài)位和2個控制位. 狀態(tài)位FULL表示隊列是否已滿，2個控制位WRITE_EN和READ_EN用于控制隊列數(shù)據(jù)的壓入和彈出. 多個隊列組成環(huán)形隊列時，前一個隊列FULL狀態(tài)位連接到后一個隊列寫入控制位，同時控制本隊列的讀出控制位. 前一隊列的數(shù)

圖2　分布式光纖傳感技術(shù)中實現(xiàn)快速檢測的數(shù)據(jù)采集模塊架構(gòu)

圖3　快速檢測的數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法

據(jù)輸出連接后一隊列的數(shù)據(jù)輸入. 這樣當前一隊列滿時，自動向下一隊列擴展，實現(xiàn)多個隊列的拼接. 最后一個隊列的數(shù)據(jù)接入加法器，和來自AD轉(zhuǎn)換的傳感信號相加，再壓入第一個隊列，實現(xiàn)對多次重復(fù)測量的傳感信號的累加，用于平均降噪算法.

1.3FPGA的芯片選取和設(shè)計

采集模塊中FPGA芯片的選取主要考慮2個因素，即端口速率和內(nèi)部RAM大小. 由于光速非常快，本文選取端口速率最高為250 MHz的FPGA芯片. 在數(shù)據(jù)采集模塊中，采用14位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在降噪算法中采用10 000次以上的平均降噪，提高20 dB以上的信噪比[9]，為了提高運算速率，平均算法采用移位來實現(xiàn)，因此平均次數(shù)必須是2的整數(shù)倍，設(shè)計為214.另外Altera公司FPGA支持最大的FIFO隊列長度為131 072，因此FIFO開辟的空間最大為131 072×28 bits. 典型的分布式光纖拉曼傳感和分布式光纖布里淵傳感的最大檢測距離相差5～10倍，因此其片內(nèi)RAM大小也不同，綜合成本和性能，對于分布式光纖拉曼傳感，選擇Arria II系列的EP2AGX65DF25C4N， 它擁有5 246 kbits的片內(nèi)存儲器. 而對于分布式光纖布里淵傳感，選擇了EP4SGX530HH35C4，它擁有27 376 kbits的片內(nèi)存儲器. 每個數(shù)據(jù)采集模塊，都采用4通道采集，實現(xiàn)分布式傳感的多通道復(fù)用. 上述2款芯片的存取空間能夠滿足4通道同時進行乒乓操作和數(shù)據(jù)傳輸.

1.4USB數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

USB數(shù)據(jù)傳輸過程是FPGA內(nèi)部乒乓操作的一部分. 內(nèi)部存儲空間RAM分為2部分(圖2)，接收數(shù)據(jù)時將其中一部分存儲空間RAM1交給接收模塊控制，組成環(huán)形隊列，進行數(shù)據(jù)的接收與累加. 接收數(shù)據(jù)后，RAM1切換給USB模塊控制. 同時USB模塊放開對另一塊存儲空間RAM2的控制，將其釋放給數(shù)據(jù)接收模塊. 設(shè)計上位機(計算機)的信號傳輸采用USB2.0協(xié)議. 對數(shù)據(jù)接收過程耗時Tr和USB信號傳輸過程耗時Tusb做如下估算：

(1)

(2)

式中，neff和L分別為傳感光纖的有效折射率和長度，k為降噪平均操作的次數(shù)，c光速；R為傳感中的空間分辨率，B為采集數(shù)據(jù)的精度，Susb為USB傳輸速率.

這里僅考慮USB凈荷的傳輸時間，忽略USB報文的頭部長度和協(xié)議建立時間，同時忽略平均降噪算法的耗時，相對于式(1)、式(2)，所忽略項影響非常小. 設(shè)計中，B=14 bits，采用14位的采樣精度；R=1，采用1 m的空間分辨率；Susb=48 Mbps，采用USB2.0的全速協(xié)議；neff為1.45. 據(jù)估算，只要重復(fù)采集的次數(shù)k>30，可滿足. 在實際應(yīng)用中，重復(fù)采集的次數(shù)從103至105量級變化會有幾千到一萬次，遠大于上述條件. 因此采用乒乓操作是非常合理的一種設(shè)計，通過這個設(shè)計，可以做到零延遲的數(shù)據(jù)接收.

采用的USB芯片選擇賽普拉斯公司的CY7C68013A，這個芯片可以配置為普通端口模式(PORTS)、通用可編程接口模式(GPIF)和從器件FIFO(SLAVE)模式3種數(shù)據(jù)傳輸模式. FIFO(SLAVE)模式下，數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過CY7C68013的微處理器控制，可以直接進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度最快理論值能達480 Mbps. 設(shè)計中選取FIFO(SLAVE)模式，采用48 Mbps的傳輸速度. USB軟件設(shè)計分為2部分，一是CY7C68013的固件程序，固件程序通過執(zhí)行8051代碼完成相應(yīng)的功能，實現(xiàn)USB設(shè)備工作模式的選擇、中斷處理和數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收的控制；二是FPGA程序設(shè)計，進行邏輯和時序的控制. 這2部分共同協(xié)作完成整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收.

2　系統(tǒng)仿真和調(diào)試

利用Quartus II軟件對FPGA芯片進行設(shè)計、編譯、綜合. 同時利用Modelsim對各模塊的相關(guān)時序進行仿真，縮短設(shè)計周期，同時確保達到設(shè)計要求. 同時也利用邏輯分析儀Sigbal Tap II進行在線調(diào)試. 最終完成數(shù)據(jù)采集的相關(guān)功能設(shè)計. 圖4是使用2 km的傳感光纖，利用數(shù)據(jù)采集模塊，在分布式光纖拉曼傳感系統(tǒng)中采集的信號. 數(shù)據(jù)通過USB2.0協(xié)議傳輸?shù)诫娔X，用Labview程序顯示最終采集到的信號波形.

采用2通道同時采集，圖4是采集的拉曼散射anti-Stokes信號和Stokes信號. 整個數(shù)據(jù)采集過程采用214次的降噪平均處理，所耗時間小于1 s，如果使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集算法和架構(gòu)所耗時間會在30 s到幾分鐘. 本文的快速檢測軟硬件設(shè)計，能夠使這類分布式光纖傳感獲得準實時的特性，實時性是光纖檢測中一個重要的特性，小于1 s的實時性，能夠使此模塊在火災(zāi)預(yù)警等實際應(yīng)用場合中的優(yōu)勢顯著.

3　結(jié)論

本文實現(xiàn)了一種能實現(xiàn)快速檢測的數(shù)據(jù)采集軟硬件系統(tǒng)，并應(yīng)用在分布式光纖傳感中，將全量程檢測檢測時間從30 s甚至幾分鐘縮短到10 s以內(nèi). 解決了目前分布式光纖傳感中測量時間長，不能實時檢測的問題，實現(xiàn)了準實時檢測，大大提高了分布式光纖傳感的性能，有望拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域.

圖4　2 km傳感光纖上采集的分布式拉曼傳感信號

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【中文責編：譚春林英文責編：肖菁】

Hardware and Software Design for Rapid Detecting Property in the Distributed Fiber Optic Sensing System

Zhou Bin*， Huang Guojing, Lu Changtao, Ruan Hang

(South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

A data acquisition system of the distributed sensing technologies is developed with rapid detection property using FPGA, for slow detection speed of a full-scale detecting of current distributed optical fiber sensing system. With our fast data acquisition system, the time consumption of a full-scale detection is suppressed to be less than ten seconds from 30s or even a few minutes, making it possible for the quasi real-time monitoring. Distributed fiber-optic sensing technology is one of the most promising fiber-optic sensor technologies. Its biggest advantage is the large range and long distance detection. Both of Brillouin and Raman distributed sensing principle and its repeatability, frame structure characteristics of the sensor data are introduced. According to these characteristics, long ring queue of a number of FIFO in FPGA are designed to buffer and average data, for signal noise reduction. Data transfer module based on USB2.0 of CY7C68013A is designed to transfer data to the PC for displaying and storage. Results showed that the design realizes quasi real-time detection, solving the lack of long time and not real-time detection. It greatly increases the performance of distributed optical fiber sensing. The proposed sensing system can be used in monitoring the power line systems, railway, subway tracks, tunnels, dams or landslide, where require real-time monitoring and a large number of sensors.

distributed fiber sensor; data acquisition; optical fiber Brillouin effect; optical fiber Raman effect

2015-04-12《華南師范大學學報(自然科學版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國家自然科學基金項目(6130705)；廣東省引進創(chuàng)新團隊計劃資助項目(201001D0104799318)；中國博士后基金項目(2013M 531866)

周斌，講師，Email:zhoubin_mail@163.com.

O438.1

A

1000-5463(2015)05-0018-05