基于分布式光纖傳感器的管涌監(jiān)測系統(tǒng)

崔光磊，衣文索，牛衛(wèi)叢，張葉浩

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

我國是淡水資源相對匱乏的國家，且呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性和季節(jié)性，這導(dǎo)致我國不僅要建設(shè)大型水利工程實行跨流域調(diào)水解決缺水問題，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)生命財產(chǎn)安全。因此迫切需要設(shè)計堤內(nèi)管涌安防監(jiān)測系統(tǒng)，以最大程度的減少決堤等重大事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的河堤安防方案實時性差，定位精度不高，堤壩一旦發(fā)生管涌，無法做出快速的預(yù)警及定位，發(fā)現(xiàn)滲漏點時往往已對堤壩造成一定程度的危害，使后期維護(hù)總處于被動階段[1］。利用Mach-Zehnder干涉（以下簡稱M-Z干涉）光纖全分布式感知系統(tǒng)可對管涌及堤壩結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的纖芯微小應(yīng)變進(jìn)行探測；基于FPGA的數(shù)字信號處理系統(tǒng)采用高速雙路AD模塊及大容量高速SDRAM，濾波、解調(diào)采用并行運算，極大地提高了系統(tǒng)的實時性及定位精度，對災(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?？紫恫煌斐赏杆潭炔煌?，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程圖。

圖1 管涌滲漏形成圖

如圖1所示，水面高度A超過土層與砂層的交界面且土層覆蓋較薄的點B時，B點承受的壓力隨水面A的升高而增加，當(dāng)此壓力超過黏土覆蓋壓力時，B點會出現(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。如果不能及時控制滲漏，水會帶出泥沙甚至導(dǎo)致決堤。

由以上分析可知，管涌的形成要經(jīng)過一個漸變的過程，在這個過程中會使埋于C點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)變檢測原理

相移型的分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)是光纖在被測能量場的作用下，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，也就是干涉光強弱的變化，最后由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為帶有待測量的電信號，通過分析此電信號監(jiān)測待測信息?；贛-Z干涉的光纖堤壩管涌監(jiān)測系統(tǒng)是相移型中的一種，有應(yīng)力作用于光纖時光纖長度、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)過應(yīng)變點的載波相位被調(diào)制產(chǎn)生相位差 Δφ[2，3］，應(yīng)變對光纖結(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，理想狀態(tài)下纖芯無應(yīng)變產(chǎn)生時，輸出載波Eout將表達(dá)式為：

鎧裝光纜Z點在應(yīng)變引起的擾動波S(t)作用時，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應(yīng)變點時相位被調(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，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)的感知光路由探測與對比兩個光路組成，其中傳輸?shù)膬上喔晒夥謩e稱為傳感光與對比光，兩束光的初始相位差為π/2。通過以上分析可知傳感光經(jīng)過應(yīng)變點產(chǎn)生相位差Δφ時，則兩相干光的相位差變?yōu)棣う?π/2。當(dāng)前對于相位差Δφ無法通過光學(xué)儀器直接測量，只能通過干涉法間接測量。理想狀態(tài)下無應(yīng)變時相移為π/2的傳感光和對比光的干涉強度最大，實驗中傳感光受環(huán)境噪聲和應(yīng)力影響產(chǎn)生時刻變化的相位差Δφ，這也導(dǎo)致干涉光強度的連續(xù)變化，故可通過分析傳感光與對比光干涉的強弱變化得到相位差的變化。

1.3 定位原理

標(biāo)定應(yīng)變點是管涌監(jiān)測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)測系統(tǒng)雖然可以感知管涌發(fā)生卻無法確定管涌點，僅適用于小范圍的安防監(jiān)測。該系統(tǒng)設(shè)計了改進(jìn)型雙M-Z干涉光纖管涌監(jiān)測系統(tǒng)包含順時針方向與逆時針方向兩路M-Z干涉系統(tǒng)可以實現(xiàn)感知和定位[6，7］?？傮w設(shè)計中光學(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，一路沿順時針方向通過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點時，載波相位在Z點被調(diào)制，調(diào)制光波沿順時針方向傳輸時在O2處產(chǎn)生干涉，干涉信號通過C2后經(jīng)PIN光電探測器P1產(chǎn)生光生載流子，假設(shè)應(yīng)變點Z到O2距離是x，元件之間均通過0.5m光纖跳線連接可以忽略不計，則順時針方向調(diào)制光波到P1的光程是x，傳輸時間是t1。調(diào)制光波沿相反方向傳播時在O3處產(chǎn)生干涉，干涉信號通過L1和C1后進(jìn)入光電二極管P2，則逆時針方向調(diào)制光波到P2的光程為L2-x+L1，傳輸時間為t2，其中L1、L2、L3相等都計為L[8］。

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

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

因此可通過探測器接收時間差計算出光程差ΔL=Δt×c/n，進(jìn)而通過式（7）確定擾動點到O2的距離實現(xiàn)定位。

1.4 信號分選原理

探測器干涉信號的規(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，干涉信號呈現(xiàn)明顯的相似性。干涉信號當(dāng)前沒有合適的儀器能對其直接進(jìn)行分析，由于光電探測器的輸出電流信號與干涉光強存在線性關(guān)系，干涉信號可通過光電探測間接測量，經(jīng)調(diào)理后得到的電信號為一定頻率范圍、振幅有限的正弦信號。管涌滲漏導(dǎo)致的電信號實際是不同頻率正弦信號的互相調(diào)制，因此可通過頻率分選機(jī)制將管涌導(dǎo)致的不同程度滲漏分離出來。

走過、踩踏及敲擊能產(chǎn)生三種不同的振動信號，且能造成光纖不同應(yīng)變程度，實驗中先通過以上三種信號驗證該頻率分選系統(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。

通過以上實驗驗證該頻率分選系統(tǒng)可以對不同振動程度引起的應(yīng)變進(jìn)行檢測與分離。

圖4 頻率分選波形

圖5 管涌模擬實驗

依據(jù)管涌形成過程中流過滲漏點的流量不同設(shè)計模擬實驗，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、后三個階段，通過圖中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)不同流速所造成的振動信號的振幅及頻率不同，因此該信號處理方法可應(yīng)用于管涌檢測系統(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)制成干涉信號輸出；經(jīng)同側(cè)正、逆兩方向探測器轉(zhuǎn)換為電信號；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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與解調(diào)；最終通過千兆以太網(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 信號調(diào)理及頻率分選系統(tǒng)電路圖

信號分選系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換、跨阻放大、信號跟隨、高通和低通濾波及幅值放大組成。PIN光電探測器是加入I本征半導(dǎo)體的反向偏置PN結(jié)，無需偏置電壓快速產(chǎn)生以高漂移速率運動的載流子形成光電流，光生載流子經(jīng)由運放搭建的跨阻放大器后轉(zhuǎn)變?yōu)榭商幚淼碾妷盒盘?。穩(wěn)定狀態(tài)下無應(yīng)變產(chǎn)生時，上述電信號為頻率十分低的正弦信號，應(yīng)變與地噪聲導(dǎo)致的高頻信號調(diào)制到低頻正弦信號上。應(yīng)變劇烈程度不同所導(dǎo)致的對應(yīng)高頻分量頻率各異，通過高低通濾波器設(shè)置不同的頻率上下門限實現(xiàn)信號分選。信號調(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DDR2接口掛載1G的SDRAM用于數(shù)據(jù)的存儲以備解調(diào)調(diào)用，最后通過千兆以太網(wǎng)將解調(diào)信息發(fā)送至上位機(jī)完成管涌點標(biāo)定及聲光報警[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，由于工藝及焊接問題兩路信號存在一個基本固定的時間差，這部分導(dǎo)致的誤差可通過定點標(biāo)定解決，故不將其列入最終誤差。

模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號處理階段可能存在時間延時導(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)致的單點偏移誤差為4m。

FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列的簡稱，不存在機(jī)器周期，而是通過邏輯語言實現(xiàn)硬件電路設(shè)計。該架構(gòu)通過DDR2接口掛載SDRAM的讀寫速率均高于100MHz，故FPGA數(shù)據(jù)存儲及解調(diào)部分不存在延時誤差[10］。

若忽略鎧裝光纜所標(biāo)距離與實際距離的差距，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公里光纜長度，通過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，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 實驗數(shù)據(jù)波形

4 結(jié)論

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

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