黃新銳，王廣禎，侍海峰，王 爍，葉紅亮，潘 超，孫小菡

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

分布式光纖振動傳感系統(tǒng)大傳感數(shù)據(jù)流時間周期壓縮與傳送技術(shù)*

黃新銳，王廣禎，侍海峰，王 爍，葉紅亮，潘 超，孫小菡*

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

針對分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的大傳感數(shù)據(jù)流，提出一種時間周期壓縮與傳送技術(shù)，采用擾動脈沖特征值提取模塊對擾動脈沖特征值進行同步提取，并將無關(guān)數(shù)據(jù)剔除，大大壓縮了數(shù)據(jù)量；同時為了便于數(shù)據(jù)區(qū)分，采用復(fù)用的方法對特征值進行編碼與成幀。實驗結(jié)果表明，本文提出的數(shù)據(jù)壓縮與傳送方法能夠有效的獲取外界擾動事件的位置和強度信息，且當(dāng)同一時間僅有一處擾動事件發(fā)生的情況下，本文的數(shù)據(jù)壓縮率僅為0.96‰。相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送方法，本文大大減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減輕了通信接口和上位機軟件的負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)的傳感靈敏度和響應(yīng)速度都得到顯著提高。

分布式光纖振動傳感；數(shù)據(jù)壓縮；數(shù)據(jù)編碼與成幀；現(xiàn)場可編程門陣列

分布式光纖振動傳感技術(shù)克服了點式傳感器的不足，具有連續(xù)傳感、損耗低、體積小、抗輻射、耐腐蝕等眾多優(yōu)點，已廣泛用于周界安防、石油管道檢測等工程領(lǐng)域［1-3］。工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ψ植际焦饫w振動傳感系統(tǒng)的傳感靈敏度、響應(yīng)速度、定位精度和漏報率等技術(shù)指標(biāo)的要求越來越高，導(dǎo)致系統(tǒng)的傳感數(shù)據(jù)流越來越龐大，而大數(shù)據(jù)流的壓縮與傳送技術(shù)對整個系統(tǒng)的性能都起著關(guān)鍵作用［4-6］。

目前，分布式光纖振動傳感系統(tǒng)大傳感數(shù)據(jù)流傳送技術(shù)大都比較單一，多采用下位機數(shù)據(jù)采集、上位機信號處理串行工作的方式，即處理器對傳感信號進行采樣和存儲，接著將采集的數(shù)字信號通過高速接口傳送至上位機，由上位機對傳感數(shù)據(jù)進行信號處理。這種數(shù)據(jù)傳送方式雖滿足系統(tǒng)的一般需求，在性能要求不高的場合得到廣泛采用。但它具有系統(tǒng)掃描頻率低、傳感效率低和上位機數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)重等缺點，導(dǎo)致系統(tǒng)傳感靈敏度低、響應(yīng)時間長和容易漏報警，大大影響了系統(tǒng)的性能，滿足不了工程現(xiàn)場的要求。在此基礎(chǔ)上，有文獻提出了雙緩存乒乓操作的方法［7-9］，即處理器預(yù)先開辟兩個緩存區(qū)域，先對傳感信號進行采樣，并將采集的數(shù)據(jù)存放在第一個緩存中，存滿之后將其中的數(shù)據(jù)通過高速接口傳送至上位機進行信號處理；與此同時，啟動新一輪的數(shù)據(jù)采樣，并將其存放在第二個緩存中。當(dāng)上位機處理完第一個緩存?zhèn)魉蛠淼臄?shù)據(jù)且第二個緩存的數(shù)據(jù)采滿后，上位機開始讀取第二個緩存的數(shù)據(jù)，同時啟動下一輪的數(shù)據(jù)采樣，并將其存放在第一個緩存內(nèi)如此循環(huán)往復(fù)。該方法雖然提高了系統(tǒng)的傳感效率，對系統(tǒng)的傳感靈敏度有所改善，但仍然需要向上位機傳送大量數(shù)據(jù)，加重數(shù)據(jù)傳送接口和上位機數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)。

上述兩種數(shù)據(jù)傳送方式已不能滿足工程現(xiàn)場對光纖傳感系統(tǒng)提出的傳感靈敏度高、響應(yīng)速度快、低的漏報率等性能要求，系統(tǒng)亟需一種簡潔高效的數(shù)據(jù)傳送技術(shù)。

本文在充分研究分布式光纖振動傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)據(jù)壓縮的大傳感數(shù)據(jù)流的傳送方法。通過擾動脈沖特征值提取模塊對多個觸發(fā)周期內(nèi)采集的背向散射信號作同步特征值提取，并將無效的數(shù)據(jù)剔除，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)壓縮的目的。提取到的擾動信號特征值能夠反映傳感光纜沿線外界擾動事件的基本特性，包括擾動發(fā)生的位置和擾動的強度等。接著采用復(fù)用的技術(shù)把壓縮后的擾動特征值進行數(shù)據(jù)編碼與成幀，并傳輸至上位機，由上位機作進一步數(shù)據(jù)處理與分析。與傳統(tǒng)的方法相比，本文提出的數(shù)據(jù)壓縮與傳送方法大大減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減輕了通信接口的負(fù)擔(dān)，同時節(jié)約了上位機信號處理的時間，具有傳感靈敏度高和響應(yīng)速度快的優(yōu)點，且為上位機提供了豐富的有效數(shù)據(jù)，為模式識別算法的研究提供了保障。

1 分布式光纖振動傳感系統(tǒng)原理

分布式光纖振動傳感系統(tǒng)能夠有效地感知傳感光纖沿線外界擾動事件的位置與強度信息，并能實現(xiàn)多點同時檢測，其功能框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由光源、光纖光路、電域信號處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理（FPGA）和上位機等模塊組成［10-11］。

FPGA依次連續(xù)產(chǎn)生同步觸發(fā)信號至光源模塊，同步觸發(fā)信號的周期為T，其與光纖光路的長度L滿足如下關(guān)系：

其中vg表示光在纖芯中的傳播速度。光源模塊接收到同步觸發(fā)信號后產(chǎn)生一個光脈沖信號，光脈沖通過微分相干光時域散射型傳感光路傳播至傳感光纖，傳感光路輸出一條背向散射光信號并傳輸至電域信號處理模塊，電域信號處理模塊對背向散射光信號進行光電轉(zhuǎn)換、放大、微分和跡線補償?shù)纫幌盗行盘柼幚砗筝敵鲆粭l模擬背向散射信號并傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一列數(shù)字背向散射信號，并輸出至數(shù)字信號處理模塊（FPGA）中。其中，一列數(shù)字背向散射信號的長度為D，其與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣周期Ts滿足：

FPGA對數(shù)字背向散射信號作系列數(shù)字信號處理后，將數(shù)據(jù)通過USB2.0高速接口傳送至上位機，由上位機作進一步數(shù)據(jù)處理和告警顯示等操作。

圖1 分布式光纖振動傳感系統(tǒng)框圖

2 數(shù)據(jù)壓縮與傳送技術(shù)原理和分析

分布式光纖振動傳感系統(tǒng)大傳感數(shù)據(jù)流時間周期壓縮與傳送方法主要包括擾動脈沖特征值提取和數(shù)據(jù)編碼與成幀兩個步驟，方法框圖如圖2所示。首先，擾動脈沖特征值提取模塊對接收的數(shù)字背向散射信號進行脈沖特征值的同步提取，并將無關(guān)數(shù)據(jù)剔除；接著，擾動脈沖特征值提取模塊將脈沖特征值傳輸至數(shù)據(jù)編碼與成幀模塊進行數(shù)據(jù)編碼和成幀，再由數(shù)據(jù)編碼與成幀模塊將成幀后的數(shù)據(jù)傳送至FIFO緩存中。

圖2 數(shù)據(jù)壓縮與傳送方法框圖

觸發(fā)信號計數(shù)器對同步觸發(fā)信號作計數(shù)操作，統(tǒng)計同步觸發(fā)信號的個數(shù)，當(dāng)計數(shù)值達到N時，計數(shù)器控制FIFO緩存將數(shù)據(jù)通過USB2.0接口傳送至上位機，由上位機做進一步的數(shù)據(jù)處理與結(jié)果顯示。

2.1 擾動信號提取原理

分布式光纖振動傳感系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字背向散射信號中的擾動脈沖表征了傳感光纖沿線外界的擾動事件，其余數(shù)據(jù)均為無效數(shù)據(jù)，如圖3所示。在同步觸發(fā)信號的驅(qū)動下，擾動脈沖特征值提取模塊根據(jù)閾值信號發(fā)生模塊輸出的閾值信號Th，對接收到的由N個同步觸發(fā)信號產(chǎn)生的N列數(shù)字背向散射信號進行脈沖特征值的提取，并將無效的數(shù)據(jù)剔除，實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的。具體過程是，擾動脈沖特征值提取模塊接收到同步觸發(fā)信號后，其內(nèi)部計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)周期為采樣周期Ts，根據(jù)數(shù)字背向散射信號與閾值信號Th的大小關(guān)系，提取各擾動脈沖的上升沿計數(shù)值Nr、峰值計數(shù)值Np和下降沿計數(shù)值Nf，并計算出脈沖的峰值A(chǔ)p，擾動脈沖特征值提取模塊提取完一列數(shù)字背向散射信號的全部特征值后將內(nèi)部的計數(shù)器清零。

圖3 擾動脈沖特征值提取原理圖

根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣周期Ts以及光在纖芯中的傳播速度vg，計算出擾動脈沖的上升沿位置Lr、峰值位置Lp、下降沿位置Lf為：

傳感光纖沿線外界擾動事件發(fā)生的位置Y與數(shù)字背向散射信號擾動脈沖的上升沿位置Lr、峰值位置Lp、下降沿位置Lf有關(guān)，可表示為：

傳感光纜沿線外界擾動信號的強度I與數(shù)字背向散射信號擾動脈沖的幅度Ap相關(guān)［12］，表示為：

2.2 數(shù)據(jù)編碼與成幀

擾動脈沖特征值提取模塊需要提取數(shù)字背向散射信號中擾動脈沖的上升沿位置數(shù)據(jù)、下降沿位置數(shù)據(jù)、峰值位置數(shù)據(jù)和峰值幅度數(shù)據(jù)，且一次數(shù)據(jù)傳輸需提取N列數(shù)字背向散射信號中的全部擾動脈沖特征值。為了對不同類型的數(shù)據(jù)進行清晰的區(qū)分和表征，數(shù)據(jù)編碼與成幀模塊對擾動脈沖特征值進行數(shù)據(jù)編碼和成幀處理。幀格式及各類型數(shù)據(jù)格式的定義如圖4所示。每一幀數(shù)據(jù)表示從一列數(shù)字背向散射信號中提取的擾動脈沖特征值，一列數(shù)字背向散射信號中的擾動脈沖個數(shù)為M，M取值0，1，2，…。幀格式中的數(shù)據(jù)位數(shù)均為16，采用復(fù)用的方法來區(qū)分幀頭、位置數(shù)據(jù)、幅度數(shù)據(jù)、脈沖結(jié)束標(biāo)志和幀尾，復(fù)用方法如表1所示。幀頭的Trig Count為同步觸發(fā)信號的計數(shù)值，取值范圍是0至N-1，N需小于等于4096。位置數(shù)據(jù)格式的Position Data為擾動脈沖特征值提取模塊輸出的對應(yīng)于脈沖上升沿、下降沿和峰值時的內(nèi)部計數(shù)值Nr、Nf和Np，其取值為0至16383。峰值幅度數(shù)據(jù)格式的Amplitude Data表示峰值的幅度Ap，其取值為0至4 095。脈沖結(jié)束標(biāo)志和幀尾的數(shù)據(jù)格式分別如圖4（e）和圖4（f）所示。

圖4 幀格式及各類型數(shù)據(jù)格式定義

表1 數(shù)據(jù)編碼與成幀復(fù)用方式

2.3 數(shù)據(jù)壓縮率

本文提出的數(shù)據(jù)壓縮與傳送方法在一個同步觸發(fā)周期內(nèi)產(chǎn)生的最大數(shù)據(jù)量Qn與傳感光纖沿線外界同時發(fā)生的擾動事件的個數(shù)M有關(guān)，而與光纖的長度無關(guān)，Qn與M的關(guān)系表示為：

而傳統(tǒng)方法在一個觸發(fā)周期內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量Qt與傳感光纖的長度L、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣周期Ts有關(guān)，與同一時刻傳感光纖沿線外界發(fā)生的擾動事件的數(shù)目無關(guān)，如下式所示：

本文提出的數(shù)據(jù)壓縮方法和數(shù)據(jù)采集過程完全同步，不占用額外的壓縮時間。數(shù)據(jù)壓縮率η與光纖長度L、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣周期Ts以及同一時刻傳感光纖沿線外界發(fā)生的擾動事件的數(shù)目M有關(guān)，表示為

圖5給出了本文方法與傳統(tǒng)方法在一個同步觸發(fā)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)量隨光纖長度變化關(guān)系，從圖中可以看出本文給出的方法大大降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量，且隨著光纖長度增加，數(shù)據(jù)量減少的越顯著。

圖6給出了數(shù)據(jù)壓縮率隨光纖長度、擾動數(shù)目和采樣周期的變化關(guān)系，其中數(shù)據(jù)壓縮率定義為壓縮后的數(shù)據(jù)量與壓縮前之比，從圖中可以看出數(shù)據(jù)壓縮率隨著光纖長度的增加和采樣周期的減小而逐漸減小。

圖5 本文和傳統(tǒng)方法數(shù)據(jù)量對比圖

圖6 數(shù)據(jù)壓縮率隨光纖長度和采樣率的關(guān)系

3 實驗與結(jié)果

3.1 基于FPGA的算法實現(xiàn)

本文在中心自主研發(fā)的微分相干光時域散射型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)中開展實驗，對上述方法進行驗證。如圖7所示，傳感系統(tǒng)由分布式光纖振動傳感控制端機、傳感光纖和上位機軟件組成。它能夠?qū)崟r檢測傳感光纖沿線的外界擾動信號，并進行精確定位，已成功應(yīng)用于周界安防和石油管道監(jiān)測等工程領(lǐng)域。

圖7 實驗系統(tǒng)實物圖

本文方法中的同步信號發(fā)生模塊、擾動脈沖特征值提取模塊、數(shù)據(jù)編碼與成幀模塊、FIFO緩存、觸發(fā)信號計數(shù)器以及閾值信號發(fā)生模塊均在FPGA中實現(xiàn)。中心自主設(shè)計的FPGA控制板卡如圖8所示，其主要由高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA及配置電路、USB2.0通信接口以及電源管理電路構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集、靈活的數(shù)據(jù)處理以及和上位機高速通信等功能。其中，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用美國AD公司的AD9236，采樣率可達80 M，分辨率為12位；FPGA芯片采用Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX100T-2FGG900，它采用45 nm工藝技術(shù)，具有速度快、容量高、功耗和成本低等優(yōu)點；USB2.0接口控制器采用Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列的CY7C68013A，它具有功耗低、功能豐富，用戶可編程等優(yōu)點。

圖8 FPGA控制板卡

利用Xilinx公司提供的集成開發(fā)環(huán)境ISE12.3進行FPGA程序設(shè)計，并充分利用FPGA運算速度快、可并行執(zhí)行的特點，本文實現(xiàn)了數(shù)字背向散射信號的采集和擾動脈沖特征值的同步提取以及數(shù)據(jù)成幀的功能，F(xiàn)PGA程序流程圖如圖9所示。

圖9 FPGA流程圖

3.2 結(jié)果與分析

在本文的分布式光纖振動傳感實驗系統(tǒng)中，同步信號發(fā)生模塊輸出的同步觸發(fā)信號的周期T為100μs，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣周期Ts為20 ns，光纖光路的長度L為10 km，在一個同步觸發(fā)周期T內(nèi)的采樣長度D為5 000，閾值信號Th為2 048，采樣周期數(shù)N為500。

實驗中，在光纖光路6 470 m處施加擾動，圖10給出了光電探測器輸出的模擬背向散射信號與同步觸發(fā)信號在一個同步觸發(fā)周期T內(nèi)隨時間變化的波形圖，圖11給出了模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字背向散射信號與閾值信號隨光纖長度的變化關(guān)系圖。表2給出了數(shù)據(jù)編碼與成幀模塊輸出的一幀數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)換后的擾動脈沖的位置數(shù)據(jù)和幅度數(shù)據(jù)。在一個同步觸發(fā)周期內(nèi)只有一個擾動事件發(fā)生時（即M=1），由式（8）知，本文方法的數(shù)據(jù)壓縮率η僅為0.96‰。從中可以看出，本文提出的數(shù)據(jù)壓縮與傳送技術(shù)能夠有效地用于對傳感光纖沿線外界擾動事件引起的擾動脈沖進行定位與幅度提取，并以此來確定擾動事件發(fā)生的位置與擾動事件的類型。

圖10 同步觸發(fā)信號與模擬背向散射信號波形圖

圖11 擾動脈沖與閾值信號的關(guān)系圖

4 總結(jié)

本文提出一種分布式光纖振動傳感系統(tǒng)大傳感數(shù)據(jù)流時間周期壓縮與傳送技術(shù)，通過擾動脈沖特征值提取模塊對傳感光纖沿線外界擾動事件引起的擾動脈沖的特征值的同步提取，并將無關(guān)數(shù)據(jù)剔除，大大壓縮了數(shù)據(jù)量；同時為了便于數(shù)據(jù)區(qū)分，采用復(fù)用的方法對擾動脈沖特征值進行數(shù)據(jù)編碼與成幀。實驗結(jié)果表明，本文提出的數(shù)據(jù)壓縮與傳送方法能夠有效地獲取傳感光纖沿線外界擾動事件的位置和強度信息，且在一個同步觸發(fā)周期內(nèi)只有一個擾動事件發(fā)生時（即M=1），本文方法的數(shù)據(jù)壓縮率僅為0.96‰。相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送方法，本文提出的方法大大減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減輕了通信接口和上位機軟件的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的傳感效率，使得系統(tǒng)的傳感靈敏度和響應(yīng)速度都得到顯著提高。

［1］Brian Culshaw，Alan Kersey.Fiber-Optic Sensing：AHistorical Perspective［J］.Journal of Lightwave Technology，2008，26（9）：1064-1078.

［2］Wang Yannian，Jiang Zhuangde，Chen Xiaonan，et al.Distributed optical fiber sensor for long-distance oil pipeline health［J］.Chi?nese Journal of Mechanical Engineering，2006，19（1）：137-139.

［3］Song Muping，Bao Chong，Qiu Chao，et al.A distributed optical-fi?ber sensor combined Brillouin optical time-domain analyzer with brillouin optical time-domain reflectometer［J］.ActaOpticaSinica，2010，30（3）：650-654.

［4］羅巧梅.分布式光纖振動傳感器及其在安防領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.中國安防，2014，8：029.

［5］喻驍芒，羅光明，朱珍民，等.分布式光纖傳感器周界安防入侵信號的多目標(biāo)識別［J］.光電工程，2014，41（1）：36-41.

［6］趙浩，林宗強，肖愷，等.分布式光纖振動傳感技術(shù)研究［J］.電子設(shè)計工程，2014，22（19）：18-20.

［7］魏然，何冠男，任欣.高速光纖總線系統(tǒng)中乒乓緩存的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.光通信技術(shù)，2009，33（6）：57-59.

［8］邵林，黃芝平，唐貴林，等.并行緩存結(jié)構(gòu)在高速海量數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計算機測量與控制，2008，16（4）：527-530.

［9］馬靈，楊俊峰，宋克柱.地震數(shù)據(jù)采集中基于FPGA的多DDR SDRAM控制器設(shè)計［J］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2010，40（9）：939-945.

［10］Pan Chao，Zhu Hui，Sun Xiaohan，et al.Distributed optical-fiber vibration sensing system based on differential detection of differ?ential coherent-OTDR［C］.IEEE Sensors，2012，1-3.

［11］Pan Chao，Ye Hongliang，Sun Xiaohan，et al.Compensation Meth?od for Blind Segments of Distributed Optical-Fiber Vibration Sen?sor Based on Differential-Coherent OTDR［C］.OFC，2014，1-3.

［12］Zhu Hui，Pan Chao，Sun Xiaohan.Vibration Waveform Reproduc?tion and Location of OTDR Based Distributed Optical-Fiber Vibra?tion Sensing System［C］.Quantum Sensing and Nanophotonic De?vices XI Proc.of SPIE，2013，8993：1-6.

黃新銳（1994-），男，漢族，安徽省桐城人，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院本科在讀，專業(yè)為新能源材料與器件，2536356551@qq.com；

孫小菡（1955-），女，漢族，東南大學(xué)電子與科學(xué)學(xué)院教授，主要研究方向為光波電子學(xué)與光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，xh?sun@seu.edu.cn。

Data Reduction and Communication Technique for Distributed Optical Fiber Vibration Sensing System*

HUANG Xinrui，WANG Guangzhen，SHI Haifeng，WANG Shuo，YEHongliang，PAN Chao，SUN Xiaohan*
（School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

A method of big sensing data reduction and communication for distributed optical fiber vibration sensing system is proposed and implemented.Vibration pulse characteristic data are extracted synchronously to reduce the sensing data，and data coding and framing module is employed for data recognition of PC software.The experimen?tal results demonstrate that the method of this paper can obtain the position and intensity information of vibration events along the sensing fiber effectively.Besides，the compression ratio is only 0.96‰when there is one vibration event happening at the same time.Compared with traditional methods，the method of this paper reduces the sensing data volume greatly，which lightens the burden of communication interface and PC software，resulting in highly im?proved sensing sensitivity and response speed of the system.

distributed optical fiber vibration sensing；data reduction；data coding and framing；FPGA

TN913.7

A

1004-1699（2015）10-1442-06

??7230；7230E

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.004

項目來源：江蘇省政策引導(dǎo)性計劃——前瞻性聯(lián)合研究項目支持

2015-06-13 修改日期：2015-08-28