分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的降噪研究 ①

劉文杰， 郭來功,*， 朱敬賓， 王錦鵬

(1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232000； 2.中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101)

0 引 言

在油井、輸氣管道等場(chǎng)合下，要對(duì)其環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，調(diào)整好管理措施，減少甚至杜絕意外的出現(xiàn)。而在某些強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆的環(huán)境中，傳統(tǒng)傳感器的適應(yīng)性就顯得捉襟見肘。分布式光纖傳感技術(shù)以光散射為基礎(chǔ)，利用光時(shí)域反射(OTDR)，可通過檢測(cè)光強(qiáng)的變化完成檢測(cè)溫度場(chǎng)的空間分布狀況，以光纖本身就能實(shí)現(xiàn)傳和感，其本質(zhì)防燃防爆，測(cè)量范圍廣，抗干擾性強(qiáng)，且具備多點(diǎn)實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)的能力。使用光纖傳感技術(shù)對(duì)溫度等物理量感知時(shí)，比較關(guān)鍵的一步就是對(duì)信號(hào)的采集和處理。散射光屬于微弱信號(hào)，需要進(jìn)行放大處理，由于其本身的范圍波動(dòng)、放大電路噪聲和系統(tǒng)干擾的影響，感知的靈敏度和精確度會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏差。因此，可以使用數(shù)字BOXCAR(取樣積分器)，對(duì)信號(hào)做多次采樣積分，得到的結(jié)果再計(jì)算平均值，可以盡可能把脈沖信號(hào)還原成原本的波形[1]，讓系統(tǒng)的信噪比提升，使與信號(hào)交纏一起的噪聲被抑制，實(shí)現(xiàn)更接近真實(shí)值的感知。

1 分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)

1.1 測(cè)溫及定位原理

目前，以三種背向散射光作為分布式光纖發(fā)展的理論基礎(chǔ)：Rayleigh scattering,Raman scattering,Brillouin scattering。三者中，隨溫度變化而光強(qiáng)波動(dòng)較大的就是拉曼散射光[2]，所以在測(cè)溫方面以分布式光纖拉曼傳感系統(tǒng)(DTS)最為普遍。

光纖中的瑕疵會(huì)影響折射率的均勻性，光經(jīng)過時(shí)，光子和光纖的光聲子發(fā)生非彈性碰撞，即拉曼效應(yīng)[3]。在散射光譜中，波長(zhǎng)小于入射光的部分為反斯托克斯光(Anti-Stokes)，波長(zhǎng)大于入射光的部分為斯托克斯光(Stokes)。因?yàn)锳nti-Stokes信號(hào)對(duì)溫度的變化比較敏感，通常將其作為信號(hào)通道，而將Stokes信號(hào)作為參考通道[4]。任意溫度T時(shí)，Anti-Stokes和Stokes的光通量比值為：

(1)

式中，ΦA(chǔ)S，ΦS是Anti-Stokes和Stokes在溫度T時(shí)的光通量；KAS，KS是Anti-Stokes和Stokes的截面系數(shù)；vAS，vS是Anti-Stokes和Stokes光子的頻率；αAS，αS是Anti-Stokes和Stokes在光纖中傳輸?shù)膿p耗；L是散射光在光纖中的位置；RAS，RS是Anti-Stokes和Stokes的溫度調(diào)制函數(shù)，關(guān)系式為：

RAS(T)=[exp(hΔv/kT)-1]-1

(2)

RS(T)=[1-exp(-hΔv/kT)]-1

(3)

式中，h是普朗克常量，其值為6.626×10-34J·s；Δv是光纖的光聲子頻率，其值為1.32×1013Hz；k是玻爾茲曼常量，其值為1.38×10-23J·K。將式(2)、式(3)代入到式(1)中，得到：

exp[(αS-αAS)·L]

(4)

對(duì)光纖做定標(biāo)的措施，能知悉更接近實(shí)際的溫度分布狀況。在感溫光纜前端取一段做定標(biāo)光纖，可以避免雪崩二極管(APD)在前端進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)飽和阻塞現(xiàn)象，參考溫度T0，則T0時(shí)Anti-Stokes和Stokes的光通量比值為：

exp[(αS-αAS)·L]

(5)

用式(4)除以式(5)，最終可得：

(6)

從式(6)可獲得溫度T的值：

(7)

由式(7)得到最終解調(diào)的溫度關(guān)系式，只要測(cè)得參考溫度T0和采集到Anti-Stokes和Stokes兩路光信號(hào)數(shù)據(jù)即可計(jì)算出被測(cè)溫度T值。

利用OTDR原理可以對(duì)DTS測(cè)量點(diǎn)完成定位操作。光在通過光纖時(shí)，產(chǎn)生的背向瑞利散射會(huì)隨著距離的增加而逐步衰減，部分散射光會(huì)以同樣的方式回到原點(diǎn)，探測(cè)到從發(fā)出到返回的時(shí)間t，該點(diǎn)到光纖首端的位置l即為：

(8)

式中，c是真空中的光速，其值為3×108m/s；n是光纖的有效折射率。采用OTDR可以方便獲得光纖沿線上各點(diǎn)的衰減狀態(tài)，利用式(8)并結(jié)合Anti-Stokes信號(hào)的溫敏特性，完成整條光纖各點(diǎn)位置的測(cè)溫及定位。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。主要包括脈沖光源、波分復(fù)用器、感溫光纜、光電探測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)等部分。

其中，光源選擇脈寬可調(diào)、工作波長(zhǎng)為1550nm的脈沖激光器；因多模光纖中的拉曼散射光信號(hào)明顯，光纜選用規(guī)格為62.5μm的多模光纖。由信號(hào)采集模塊控制同步觸發(fā)指令，激光器產(chǎn)生的脈沖光經(jīng)WDM后再到光纖中，產(chǎn)生的背向散射光再次經(jīng)過WDM分離出波長(zhǎng)1450nm和1663nm的Anti-Stokes和Stokes光信號(hào)，經(jīng)光電探測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換以及對(duì)電信號(hào)放大的過程，然后傳送到數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最終在上位機(jī)完成解調(diào)操作并接入交互界面，使各位置的溫度值一目了然。

圖1 DTS總體設(shè)計(jì)圖

2 信號(hào)處理

2.1 基本原理

在DTS工作時(shí)，受各種因素的影響，想要獲取的微弱背向散射光信號(hào)與噪聲交叉在一起。因此，使用數(shù)字BOXCAR，對(duì)信號(hào)多次取樣后執(zhí)行積分操作，采集和積分同時(shí)進(jìn)行，可以避免脈沖信號(hào)發(fā)生畸變，能夠有效恢復(fù)窄脈沖波形，消去噪聲，使信噪比得到優(yōu)化。

結(jié)合分布式光纖傳感系統(tǒng)和測(cè)溫的原理，可知想要獲取的有效信號(hào)是帶有隨機(jī)噪聲的周期性信號(hào)，表達(dá)式為[5]:

f(t)=S(t)+N(t)

(9)

式中，f(t)為光電探測(cè)輸出的信號(hào)，由于APD和放大器等部分存在的噪聲，其為帶噪聲且周期為T的信號(hào)；S(t)即為理想狀態(tài)下不含噪聲的待測(cè)信號(hào)；N(t)即隨機(jī)噪聲，其大小與S(t)沒有關(guān)系。

設(shè)U為進(jìn)行了n次采樣，經(jīng)過BOXCAR后輸出的信號(hào)：

(10)

對(duì)N(t)隨機(jī)噪聲來說，其噪聲值在不同時(shí)間均不相關(guān)：

(11)

因此，有：

(12)

取樣積分經(jīng)過了兩個(gè)過程：一是待處理信號(hào)要滿足取樣定理，即BOXCAR適用于周期信號(hào)的取樣，而要處理的散射光信號(hào)正是由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期性變化的信號(hào)；二是對(duì)取樣信號(hào)的積分和平均，信號(hào)與噪聲的表達(dá)式分別是：

(13)

(14)

(15)

輸出信噪比為：

(16)

信噪比改善為：

(17)

由式(17)可知，散射光經(jīng)BOXCAR處理后，信噪比改善的倍數(shù)與次數(shù)n的平方根存在正比關(guān)系：即次數(shù)n的增加，信噪比也隨之優(yōu)化，能夠使噪聲衰弱得更明顯[6]；但同時(shí)，隨著次數(shù)的增多，測(cè)量時(shí)間也必然會(huì)越長(zhǎng)。

2.2 數(shù)字BOXCAR

相較于模擬BOXCAR，數(shù)字式BOXCAR不受物理因素上的限制，在進(jìn)行存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)漏電和漂移問題。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字BOXCAR對(duì)信號(hào)的處理，完成數(shù)據(jù)的高速緩存及積分的功能，采用的核心是颶風(fēng)IV系列的FPGA，其由Altera公司發(fā)布，使用靈活方便，功耗低、性價(jià)比高；模數(shù)轉(zhuǎn)換的規(guī)格是雙通道12bit，使用采樣率為100MSPS的高速A/D轉(zhuǎn)換器；使用PCI接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊和傳輸。

時(shí)序邏輯控制采用VerilogHDL硬件描述語(yǔ)言完成，以采集和積分同時(shí)進(jìn)行的方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字BOXCAR的功能，既能減少耗費(fèi)的時(shí)間，也避免占用了存儲(chǔ)器的資源。其過程為：先確定好積分的次數(shù)n，然后開始采集。FPGA接收A/D傳出的數(shù)據(jù)，把第一次采集到的所有點(diǎn)依次存入RAM中，第一次采集完成后，開始第二次采集。繼續(xù)獲取A/D的數(shù)據(jù)，與RAM中存入的數(shù)據(jù)依次疊加，并再次存入到RAM中，開始第三次集采，并重復(fù)上述操作，直到第n次結(jié)束。整個(gè)操作流程圖如圖2：

圖2 數(shù)字BOXCAR實(shí)現(xiàn)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)及分析

對(duì)BOXCAR處理散射光信號(hào)的可靠性和降噪的性能做驗(yàn)證，使用1km長(zhǎng)的多模光纖，放置在25℃的環(huán)境下對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際的有效測(cè)量長(zhǎng)度為900m。使用數(shù)字BOXCAR對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了500次、1000次、4000次和8000次的處理，經(jīng)過上位機(jī)解調(diào)后的溫度曲線如圖3所示。Anti-Stokes光信號(hào)在多模光纖中的衰減比Stokes光信號(hào)的要小，兩者光通量的比值也隨著光纖距離的增加而變化，光纖上的損耗必定伴隨著誤差；而因色散的影響，頻率不同的Anti-Stokes和Stokes信號(hào)在光纖中的速度也會(huì)不同，在采集時(shí)，同一時(shí)刻的兩個(gè)散射光信號(hào)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的位置，同一位置上的信號(hào)的延時(shí)必定會(huì)造成測(cè)量位置和實(shí)際位置上的偏差。上位機(jī)在進(jìn)行解調(diào)時(shí)已經(jīng)做了補(bǔ)償和修正，所以最終獲得的溫度曲線總體近似水平，沒有出現(xiàn)較大偏移。

圖3(a)是經(jīng)過500次處理后的溫度曲線，曲線上噪聲依然很明顯，測(cè)量的溫度波動(dòng)較大，高達(dá)10.62℃；圖3(b)是經(jīng)過1000次處理后的溫度曲線，相較于(a)，明顯改善了很多，溫度波動(dòng)范圍降低到5.53℃；圖3(c)是經(jīng)過4000次處理后的溫度曲線，溫度波動(dòng)降至1.55℃；圖3(d)是經(jīng)過8000次處理后的曲線，可以看出噪聲被抑制了，溫度值的浮動(dòng)已經(jīng)小了許多，在0.81℃的范圍內(nèi)，信噪比改善較明顯，測(cè)溫的準(zhǔn)確性顯著提高。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)

從表1中可看出，隨著積分次數(shù)的增多，誤差值在減小，更接近于實(shí)際的溫度值。但BOXCAR處理信號(hào)的缺點(diǎn)就是：積分次數(shù)和誤差的關(guān)系可以類比為第一象限中的反比例函數(shù)的圖像，積分次數(shù)作為橫軸一直地增加，誤差作為縱軸減少地越來越慢，但耗費(fèi)的時(shí)間卻是在一直增長(zhǎng)。所以選擇合適的積分次數(shù)，能保證誤差小、時(shí)間短，使效益最大化是相當(dāng)重要的。

圖3 溫度曲線圖

圖4 升溫測(cè)試曲線圖

取光纖上100m和800m點(diǎn)處做“異常”溫度測(cè)試，置于60℃的溫度下，其他部分保持在原本環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的溫度曲線如圖4所示。圖中兩個(gè)最高的點(diǎn)，分別是：100m處的60.05℃和800m處的59.76℃，隨著光纖距離的延申，測(cè)量溫度的誤差逐漸變大，分別為+0.05℃和-0.24℃，其誤差在允許范圍內(nèi)，表明BOXCAR降噪的可靠性。由于在光纖末尾會(huì)出現(xiàn)菲涅爾反射以及光纖距離的增長(zhǎng)反射光變?nèi)鮗7]，也會(huì)使定位出現(xiàn)稍微的誤差。除了減小色散的影響外，還可以對(duì)補(bǔ)償算法進(jìn)行改進(jìn)，使測(cè)溫定位精度更加準(zhǔn)確。

通過對(duì)散射光信號(hào)進(jìn)行BOXCAR處理，可驗(yàn)證分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。對(duì)比處理的次數(shù)，使用BOXCAR均有明顯的改善效果。當(dāng)積分次數(shù)達(dá)8000次時(shí)，溫度曲線趨于平穩(wěn)，波動(dòng)較小，在定位時(shí)誤差也較小，具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。除了使用BOXCAR積分降噪外，還有小波分解、小波包去噪等方法可對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理[8]，也能取得很好的結(jié)果；或者是把多種方法相結(jié)合，能夠有更顯著的效果，最終的數(shù)據(jù)會(huì)更加準(zhǔn)確。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)采集到的散射光信號(hào)進(jìn)行BOXCAR處理，經(jīng)過8000次的積分，能明顯抑制原始信號(hào)的噪聲，成功提取出淹沒在在噪聲中的有效信號(hào)，并使最終解調(diào)出的溫度誤差區(qū)間降低至0.81℃，測(cè)溫的距離達(dá)到900m。