南鋼洋，王啟武，孫繼華，郭銳，張振振，巨陽

(山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250103)

【光纖與光子傳感技術(shù)】

分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

南鋼洋，王啟武，孫繼華，郭銳，張振振，巨陽

(山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250103)

基于拉曼散射溫度效應(yīng)和光時域反射技術(shù)，設(shè)計了100 MHz高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SDLaser_DAQ600，實現(xiàn)對空間環(huán)境溫度場測量。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)，采用實時累加平均算法對原始光纖傳感信號進(jìn)行累加平均，支持10 km光纖實時采樣，空間分辨率達(dá)到1 m。實驗結(jié)果表明，65 536次數(shù)據(jù)累加平均可以得到平滑的斯托克斯和反斯托克斯曲線，使光纖傳感信號的信噪比提高到90 dB以上，能夠為分布式溫度測量提供良好的數(shù)據(jù)支持。

光纖傳感；數(shù)據(jù)采集；拉曼散射

在分布式光纖傳感系統(tǒng)中，光纖不僅充當(dāng)傳感器，而且還實時傳輸有效測量信號。光纖測溫基于光時域反射(optical time-domain reflect，OTOR)原理測量光纖周圍溫度，是分布式連續(xù)功能型光纖傳感系統(tǒng)的典型應(yīng)用[1-3]。其具體原理是采用后向拉曼散射溫度效應(yīng)實時測量光纖溫度場，當(dāng)光纖分子接收并吸收激光脈沖后，會再次發(fā)射出光子，如果有一部分光能轉(zhuǎn)換為熱能，那么將發(fā)出比原來波長更長的光，稱為斯托克斯光；相反一部分熱能轉(zhuǎn)換為光能，則發(fā)出比原來波長短的光，稱為反斯托克斯光[4-6]。拉曼散射光由這兩種不同波長的光組成，其波長偏移是由光纖組成元素固有屬性決定的，由于散射光中夾雜著其他散射光和干擾光，所以需對兩路光信號進(jìn)行帶通濾波，這兩路光信號經(jīng)過雪崩光電二極管轉(zhuǎn)換后再輸入到后續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理[5-8]。

分布式光纖傳感系統(tǒng)不僅需要對光纖解調(diào)信號快速采集處理，還需要龐大的處理器資源和數(shù)據(jù)存儲空間，以及利用復(fù)雜算法對采集數(shù)據(jù)并行處理。目前國內(nèi)外相關(guān)研究大多是基于工控機(jī)平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，且大部分是基于外部設(shè)備互連總線(peripheral component interconnect，PCI)技術(shù)方案，如美國NI公司的數(shù)據(jù)采集卡以及國內(nèi)凌華、研華的高速信號采集卡，此外一些單位還使用PC104總線協(xié)議的數(shù)據(jù)采集卡。這兩種技術(shù)方案雖然可行，但由于工控機(jī)平臺體積較大，功耗較高，一般在50 W以上，不易升級換代，且不適合在功耗要求嚴(yán)苛的場合應(yīng)用[9-11]。為解決此問題，本文采用高性能可編程邏輯門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)結(jié)合先進(jìn)精簡指令集處理器(advanced RISC machines，ARM)設(shè)計出功耗低至5 W的100 MHz高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

采集系統(tǒng)利用有限狀態(tài)機(jī)控制模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)進(jìn)行信號采集，實現(xiàn)對光纖傳感信號的實時累加平均，將采集數(shù)據(jù)上傳到計算機(jī)處理后，獲得實時的斯托克斯和反斯托克斯曲線。經(jīng)過測試，該分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以應(yīng)用在油田、礦山、結(jié)構(gòu)健康檢測等特殊場合，為分析這些場合的溫度場提供數(shù)據(jù)支持。

1 設(shè)計要求

在光纖測溫系統(tǒng)中，反斯托克斯光和斯托克斯光信號轉(zhuǎn)換成電信號后，經(jīng)過放大輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，在利用光纖測量環(huán)境溫度場時，需要提高空間分辨率和測溫精度。為提高空間分辨率，必須提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADC的采樣速率。當(dāng)測溫距離為10 km時，為滿足1 m的空間分辨率，需要采集10 000個點。

光信號射入光纖中后沿著光纖向前傳播，當(dāng)傳播到光纖尾端時，會發(fā)生反射，反射信號再傳播到射入端被光電探測器接收，整個過程光信號行進(jìn)距離是20 km，光纖中光速約為2×108m/s，則光在光纖中的傳輸時間為100 μs，因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要在100 μs的時間內(nèi)采集10 000個點的光纖信號，其采樣周期是10 ns，即采樣頻率為100 MHz。

提高測溫精度不僅要增加采集系統(tǒng)采樣位數(shù)，還需要設(shè)計合適的電壓扇出方案和前端模擬調(diào)整電路。由于實際測量中溫度信號淹沒在噪聲之中，因此信號采集系統(tǒng)需要對輸入信號進(jìn)行濾波處理?？紤]到光纖傳感信號有效帶寬通常在50 MHz以內(nèi)，故系統(tǒng)前端模擬調(diào)整電路采用低通濾波電路對光纖傳感信號進(jìn)行濾波，低通濾波電路截止頻率為50 MHz。為了提高測溫精度，ADC位數(shù)不低于10位，同時采用FPGA作為主處理器對數(shù)據(jù)并行處理，ARM作為輔處理器將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)行分析處理。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

針對上述應(yīng)用需求，設(shè)計了百兆高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SDLaser_DAQ600(簡稱DAQ600)。該系統(tǒng)采用“ARM+FPGA+ADC”架構(gòu)，為分布式光纖傳感提供數(shù)據(jù)采集分析、狀態(tài)監(jiān)測及控制支持。其中，F(xiàn)PGA采用高性能Cyclone IV系列EP4CE115F29芯片作為主處理器，ARM采用型號為S3C6410的芯片作為輔助處理器，ADC采用AD9268、分辨率為16位流水線采樣技術(shù)的芯片作為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其最高采樣速率可達(dá)125 MHz。

圖1所示是DAQ600系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)架構(gòu)采用±5 V雙電源供電，擁有獨(dú)立雙通道，模擬輸入通道的量程為±2.5 V，同時DAQ600支持內(nèi)外觸發(fā)模式，利用以太網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)行溫度場圖譜顯示，其中以太網(wǎng)絡(luò)最大傳輸速度可達(dá)100 Mb/s。

FPGA通過運(yùn)行內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制ADC芯片采集光纖傳感信號，同時將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、累加平均處理，然后將處理結(jié)果通過同步只讀存儲器控制總線讀取到ARM內(nèi)存中進(jìn)行運(yùn)算處理。這里FPGA和ARM都能進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，二者主要區(qū)別如下：(1)FPGA利用內(nèi)部邏輯和存儲資源將實時采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，屬于純硬件運(yùn)算，因此執(zhí)行速度快、效率高，用于復(fù)雜的時序控制及實時性要求較高的應(yīng)用。(2)ARM是根據(jù)程序指令的先后順序執(zhí)行數(shù)據(jù)算法，效率相對較低，主要用于數(shù)據(jù)上傳及人機(jī)交互控制。本設(shè)計充分考慮二者特點，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，使數(shù)據(jù)處理和傳輸效率大大提高。

圖1 DAQ600系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of DAQ600 system

2.1 供電方案設(shè)計

DAQ600是模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)，主電源采用±5 V雙電源供電，其中+5 V是系統(tǒng)正電源的扇出源，-5 V是系統(tǒng)負(fù)電源的扇出源，二者經(jīng)過LC濾波后輸出給DAQ600使用。由于FPGA及ARM需要+3.3、+2.5、+1.8、+1.2 V供電，利用低壓差線性穩(wěn)壓器(low drop out，LDO)線性電源調(diào)整芯片LTC3026來扇出這些正電壓。具體是由+5 V扇出+3.3 V電壓，再由+3.3 V扇出+2.5 V電壓，再由+2.5 V扇出+1.8 V電壓，最后再由+1.8 V扇出+1.2 V電壓。圖2所示是由+2.5 V轉(zhuǎn)換成+1.8 V的電路示意圖。

圖2 利用LDO扇出電壓原理圖Fig.2 Schematic of fan-out voltage using LDO

由于LTC3026具有低至0.06%的線性調(diào)整率和0.09%的負(fù)載調(diào)整率，該芯片具有很強(qiáng)的抑制負(fù)載干擾能力，同時該芯片支持輸出1.5 A電流，其紋波電壓在3 mV左右，滿足DAQ600的供電需求。

2.2 前端模擬信號調(diào)整電路設(shè)計

圖3所示是前端模擬信號調(diào)整電路，該電路采用電壓負(fù)反饋連接，利用低噪聲放大器ADA4938-1對信號放大，其壓擺率為4 700 V/μs，輸入偏置電壓為1 mV，由±5 V供電。

圖3 前端模擬信號調(diào)整電路Fig.3 Adjusting circuit for front-end analog signal

前端模擬信號調(diào)整采用電壓負(fù)反饋電路，該電路不僅實現(xiàn)輸入信號從單端形式轉(zhuǎn)換成差分形式，還能克服由于共模信號而引起的轉(zhuǎn)換誤差，滿足ADC的差分輸入要求。同時ADA4938-1共模參考電壓AMP_VOCM信號由ADC共模輸出電壓經(jīng)過緩沖放大后輸入，其中ADC共模輸出電壓值為0.9 V，該電壓加載到ADA4938-1的兩個輸出端，即放大器輸出端有個0.9 V的共模偏置電壓，滿足ADC輸入端的電壓特性要求。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)部通信設(shè)計

DAQ600采用“FPGA+ARM”架構(gòu)并通過網(wǎng)絡(luò)控制器芯片DM9000A與遠(yuǎn)程計算機(jī)通信。如圖4所示，F(xiàn)PGA和ARM之間數(shù)據(jù)傳輸是由ARM同步只讀存儲器控制總線來完成，同步只讀存儲器控制總線具有16位數(shù)據(jù)和地址總線，F(xiàn)PGA與ARM以及DM9000A共用這一總線。同時將FPGA和DM9000A作為ARM處理器的兩個外設(shè)，并將兩者的物理地址映射到ARM的BANK0和BANK1上，其中BANK0和BANK1是ARM按照物理地址高低來劃分的存儲區(qū)域。

圖4 ARM與FPGA、DM9000A接口示意圖Fig.4 Schematic of ARM interface between FPGA and DM9000A

在數(shù)據(jù)通信時，通過ARM片選控制信號nCS0、nCS1選中FPGA和DM9000A工作。由于FPGA和DM9000A是共用數(shù)據(jù)總線，因此不支持FPGA和DM9000A同時讀寫數(shù)據(jù)，當(dāng)其中一個工作時，連接到另一個芯片的數(shù)據(jù)總線需要置于高阻狀態(tài)。

EINT9是FPGA的中斷信號，當(dāng)FPGA與ARM需要通信時發(fā)送該中斷信號，ARM響應(yīng)中斷信號后通過nCS0選中FPGA讀寫數(shù)據(jù)。IRQ_LAN是DM9000A連接到ARM的中斷請求信號，當(dāng)二者需要數(shù)據(jù)通信時，DM9000A發(fā)送IRQ_LAN信號給ARM，ARM響應(yīng)中斷后通過nCS1選中DM9000A讀寫數(shù)據(jù)。

2.4 DAQ600采集處理流程設(shè)計

對分布式光纖傳感信號采集時，通道1和通道2分別連接斯托克斯和反斯托克斯信號，當(dāng)FPGA被觸發(fā)后，其內(nèi)部狀態(tài)機(jī)開始運(yùn)行，并對ADC進(jìn)行時序控制和數(shù)據(jù)讀取。其中，狀態(tài)機(jī)由狀態(tài)寄存器和組合邏輯電路構(gòu)成，是數(shù)據(jù)采集處理的中樞，其工作原理是根據(jù)控制信號的變化跳轉(zhuǎn)到預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)。圖5是DAQ600的狀態(tài)機(jī)設(shè)計流程圖。

圖5 DAQ600狀態(tài)機(jī)設(shè)計流程圖Fig.5 Flow chart of DAQ600 state machines design

當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)時，第一個觸發(fā)脈沖到來后，狀態(tài)機(jī)啟動ADC初始化流程并發(fā)送相關(guān)命令給ADC芯片。ADC芯片初始化后開始采集輸入信號，并將采集數(shù)據(jù)存儲到FPGA片內(nèi)RAM中，其中RAM1和RAM2分別存放通道1和通道2的數(shù)據(jù)。由于ADC芯片采用流水線技術(shù)采樣，其有效數(shù)據(jù)輸出比實際信號輸入延后6.5個時鐘周期，故狀態(tài)機(jī)需要對ADC采集數(shù)據(jù)進(jìn)行時序補(bǔ)償。

經(jīng)過時序補(bǔ)償后數(shù)據(jù)再累加存儲，當(dāng)FPGA完成65 536次累加平均后，RAM1和RAM2的數(shù)據(jù)存放的是累加平均結(jié)果，此時將發(fā)送中斷信號給ARM，然后ARM通過其同步只讀存儲器控制總線讀取該累加結(jié)果。當(dāng)RAM1和RAM2中的數(shù)據(jù)讀取完畢后，ARM再將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)以100 Mb/s的速度上傳至PC機(jī)。

3 實驗結(jié)果

根據(jù)實驗要求，搭建分布式光纖傳感溫度測試系統(tǒng)，驗證DAQ600系統(tǒng)指標(biāo)及其狀態(tài)機(jī)設(shè)計是否符合實驗需要。為方便驗證，利用光時域反射原理對長度為80 m的光纖進(jìn)行實驗，DAQ600采樣速率為100 MHz，按照1 m光纖采集1個點計算，一次采集80 m光纖需要800 ns，則重復(fù)65 536次采集并進(jìn)行累加平均需要52.4288 ms。

圖6 DAQ600系統(tǒng)光纖溫度場采集實驗Fig.6 DAQ600 system based optical fiber data acquisition

為了驗證DAQ600系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用兩套DAQ600同時對光纖傳感信號進(jìn)行采集，如圖6所示。由于二者采集結(jié)果是一致的，圖7所示是其中一套DAQ600系統(tǒng)獲得的斯托克斯和反斯托克斯曲線。從圖中可看出，反斯托克斯曲線在尾端0.78 μs處明顯有個突起信號峰，這是由于在實驗中將光纖末端(約78 m處)放進(jìn)熱水中，此處光纖外界溫度高，反映到測試曲線上就是在反斯托克斯曲線末端有個信號峰。而斯托克斯曲線突起不明顯，這是由于光纖產(chǎn)生的斯托克斯光對溫度不敏感，兩者的測試結(jié)果符合光纖測溫原理。通過測試，驗證了DAQ600的數(shù)據(jù)處理流程及狀態(tài)機(jī)設(shè)計符合要求，采集系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行100 d。

圖7 經(jīng)過65 536次累加平均的斯托克斯和反斯托克斯曲線Fig.7 Stokes and anti-Stokes curves after 65 536 times cumulative averaging

通過對圖7中的斯托克斯和反斯托克斯曲線相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析計算，可以解析出溫度與反斯托克斯曲線突起峰值的關(guān)系。經(jīng)測試，DAQ600可以精確地恢復(fù)檢測被噪聲背景淹沒的微弱信號，通過實時累加平均后，光纖傳感信號的信噪比提高到90 dB以上，適用于分布式光纖傳感系統(tǒng)。

4 結(jié)論

分布式光纖傳感系統(tǒng)支持實時、快速、多點測量，通過設(shè)計高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對空間溫度場的測量。本文設(shè)計的DAQ600數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在可編程邏輯陣列上實現(xiàn)實時累加平均算法，支持100 MHz的信號采樣速率，實現(xiàn)對原始光纖傳感信號多達(dá)65 536次累加平均，使光纖傳感信號的信噪比提高到90 dB以上，為分布式溫度測量提供了良好的數(shù)據(jù)支撐。

目前存在的問題是信號采樣點數(shù)受限于FPGA片上存儲空間，尤其是當(dāng)信號采樣頻率提高到125 MHz時，將占用更多的存儲資源。當(dāng)采樣點數(shù)增加到一定數(shù)量后，F(xiàn)PGA會降低并行處理效率，且增加內(nèi)部布局布線復(fù)雜度，最終會導(dǎo)致時序亞穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)不能正常工作。今后系統(tǒng)需要在以下兩個方面改進(jìn)，一是增加FPGA片上內(nèi)部存儲空間，采用更大片上內(nèi)部存儲容量的處理器；二是改進(jìn)總線傳輸機(jī)制，使DM9000A具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)、地址總線，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

[1]BARRIAS A ,CASAS J R,VILLALBA S. A review of distributed optical fiber sensors for civil engineering applications [J].Sensors, 2016, 16(5), 748.

[2] WANG Q W, NAN G Y, SUN J H, et al. A reference architecture of data acquisition and signal processing of a distributed fiber-optic sensor system[EB/OL].[2017-03-02].http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-13707-0_79. .

[3] de JONG S A P,SLINGERLAND J D, van de GIESEN N C. Fiber optic distributed temperature sensing for the determination of air temperature [J].Atmospheric Measurement Techniques, 2015, 8 (1):335-339.

[4] 余學(xué)俊. 分布式光纖傳感系統(tǒng)中高速采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 北京：北京郵電大學(xué),2012.

[5] RAMAKRISHNAN M, RAJAN G, SEMENOVA Y, et al. Overview of fiber optic sensor technologies for strain/temperature sensing applications in composite materials [J].Sensors, 2016, 16(1) ：99.

[7] 劉鐵根, 王雙，江俊峰，等. 航空航天光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 儀器儀表學(xué)報，2014, 35(8): 1681-1692.

[8] 閆俊芳, 裴麗，陳志偉，等. 光纖傳感技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2012，27(1):37-40.

[9] 劉亞榮, 唐朝毅. 基于物聯(lián)網(wǎng)的光纖傳感技術(shù)應(yīng)用方案[J].光通信研究，2012，38(3):36-38.

[10] BOHNERT K,GABUS P,NEHRING J, et al. Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor[J]. Journal of Lightware Technology, 2002, 20(2):267-276.

[11] 莊須葉, 黃濤，鄧勇剛，等.光纖傳感技術(shù)在油田開發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，34(2):162-172.

Designofdataacquisitionsystemfordistributedopticalfibersensor

NANGang-yang,WANQi-wu,SUNJi-hua，GUORui,ZHANGZhen-zhen,JUYang

(LaserResearchInstitute，ShandongAcademyofSciences,Jinan250103,China)

∶Based on the Raman scattering temperature effect and the optical time domain reflection technology, a 100 MHz high-speed data acquisition system SDLaser_DAQ600 was developed to measure the temperature field of space environment. In the data acquisition system, using real time averaging algorithm in the FPGA, DAQ600 has realized 65 536 times cumulative averaging for original fiber sensor signals, which supported real-time sampling of 10 km length fiber with 1 m spatial resolution.The experimental results show that, signal-to-noise ratio for optical fiber sensing can be increased to more than 90 dB through the 65 536 times cumulative averaging. Finally, smooth curves of Stokes and anti-Stokes have been obtained, which could provide proper data support for distributed temperature system measurement.

∶optical fiber sensor; data acquisition; Raman scattering

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.011

2017-06-12

山東省自然科學(xué)基金(ZR2016FB26)；山東省重點研發(fā)計劃(2016GGX101026)

南鋼洋(1984—)，男，助理研究員，研究方向為信號處理技術(shù)。

TP274+.2

A

1002-4026(2017)06-0065-06