基于光纖傳感檢測的礦井人員定位方法*

劉 昕,應(yīng)啟瑞,張建國,董 齊,王 宇,王 東,靳寶全,2*

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024;2.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 晉城 048012)

煤炭是我國的主要能源,受煤礦開采條件限制,井下安全形勢仍然不容樂觀。發(fā)生重大災(zāi)害事故時(shí),通信是否暢通對于煤礦井下救援工作非常重要,甚至直接關(guān)系到救援的成敗。但許多災(zāi)害事故發(fā)生時(shí)會(huì)導(dǎo)致信息阻斷,通信不暢,使得救援人員不能及時(shí)準(zhǔn)確地獲知井下災(zāi)變信息,無法取得受困人員的具體分布區(qū)域和方位,難以在第一時(shí)間實(shí)施救援,一定程度上影響了救災(zāi)搶險(xiǎn)指揮決策[1]。目前,煤礦井下應(yīng)急救援定位方法主要通過WIFI,ZigBee,甚低頻電磁波等無線通訊技術(shù),實(shí)現(xiàn)井下工作人員的通信與定位[2-5]。

然而,由于井下地形復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣,這些方法依然存在如下問題:某些情況下通信系統(tǒng)短路或水中浸泡無法正常供電,即使可以供電,受限于現(xiàn)有的供電方式,在災(zāi)害發(fā)生時(shí)只能依托備用電源供電,往往只能維持?jǐn)?shù)小時(shí),甚至更短。某些情況下為防止次生事故,將完全切斷礦井下電力供應(yīng),現(xiàn)有的通信系統(tǒng)和帶電裝置也不允許上電使用。無線信號在井下復(fù)雜工作環(huán)境下衰減較快,為保證定位精度,需大量增加定位節(jié)點(diǎn)數(shù)量,全覆蓋布設(shè)難度很大。甚低頻電磁波透地通信方式的主要缺點(diǎn)是受困人員必須隨身攜帶通訊裝置,而該類設(shè)備成本高,無法實(shí)現(xiàn)人手一部,因此覆蓋面較窄。由于這些問題,使得以上煤礦井下應(yīng)急救援通訊定位方法應(yīng)用受限。

Φ-OTDR(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer)相位敏感型光時(shí)域反射技術(shù)作為一種分布式振動(dòng)的新型監(jiān)測方案,由于具有長距離、分布式、無電傳感的特點(diǎn)[6-8],近年來在國內(nèi)外得到了廣泛關(guān)注。該技術(shù)由Taylor H F等人于1993年首次提出[9],利用脈沖激光注入單模光纖后的傳播特性,在光脈沖寬度內(nèi)的后向瑞利散射光會(huì)發(fā)生自相干,作用于光纖的外界振動(dòng)會(huì)改變光纖折射率并導(dǎo)致傳輸光相位的變化,因而可通過探測后向瑞利散射光的干涉光強(qiáng)來還原外界振動(dòng)信號。由于瑞利散射信號非常微弱,因此對振動(dòng)信號的檢測與定位一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。重慶大學(xué)朱濤等人采用相干法、移動(dòng)平均算法和快速FFT變換提取了振動(dòng)波形的頻率[10]。中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所蔡海文等人提出基于多頻率綜合鑒別干涉衰落假信號的相位解調(diào)技術(shù),獲取到高精度的相位分布信息[11]。南京大學(xué)張旭蘋等人通過相位展開算法,對振動(dòng)進(jìn)行定量測量[12]。上述方法均推動(dòng)了Φ-OTDR系統(tǒng)信號解調(diào)與處理技術(shù)的發(fā)展。煤礦井下應(yīng)急救援定位對系統(tǒng)實(shí)時(shí)特征提取提出了更高的要求,因此需要一種能對Φ-OTDR系統(tǒng)進(jìn)行快速實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測與準(zhǔn)確定位的方法。振動(dòng)信號的實(shí)時(shí)提取對解調(diào)算法、數(shù)據(jù)采集和傳輸速度要求極高,FPGA的發(fā)展為解決上述問題提供了技術(shù)手段。FPGA由于并行運(yùn)算、靈活度高和高速處理等優(yōu)點(diǎn),適用于信號的高速采集[13-15]。本文設(shè)計(jì)一種Φ-OTDR振動(dòng)信號高速采集系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)方案,以FPGA控制芯片為主要控制單元,利用AD9226高速采集芯片和PL2303芯片組成采集和數(shù)據(jù)傳輸硬件系統(tǒng),具有采集速度快、精度高、傳輸性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn),以滿足實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)頻率與波形信息的需求。

本文提出基于光纖傳感檢測的礦井人員定位方法,利用既有的通信光纜既作為傳感器又作為通信介質(zhì),具有本質(zhì)安全,無電傳輸,抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)長達(dá)幾十公里的分布式監(jiān)測,其傳感距離可覆蓋整個(gè)礦井,災(zāi)害發(fā)生后,即使無電也能對井下工作人員拍擊信號進(jìn)行有效定位,解決災(zāi)變發(fā)生之后被困人員與救援機(jī)構(gòu)第一時(shí)間聯(lián)絡(luò)定位的問題。

1 振動(dòng)監(jiān)測原理

光在傳播過程中,通過長度為l0的光纖所產(chǎn)生的相位延遲量φ為:

(1)

式中:λ為光的波長,β為傳播常數(shù),n為光纖折射率。當(dāng)外界振動(dòng)作用于傳感光纖時(shí),光纖因受壓力P的作用,折射率發(fā)生改變,進(jìn)而導(dǎo)致光相位變化,其變化量Δφ為[16]:

(2)

(3)

(4)

式中:Δφε,Δφs分別為應(yīng)變效應(yīng)和光彈效應(yīng)造成的相位變化,ετ為縱向應(yīng)變張量,E為光纖的楊氏模量,μ為光纖的泊松系數(shù),k0≈β/n,S為光彈張量系數(shù)值。相位變化量Δφ與壓力P的關(guān)系如下:

(5)

因此,相位變化量Δφ與振動(dòng)施加給光纖的壓力P成正比,可以通過解調(diào)光相位來獲得外界振動(dòng)信號。同時(shí),通過入射脈沖光與接收后向瑞利散射光的時(shí)間延遲來定位振動(dòng)信號的位置x:

(6)

式中:t0為后向散射光強(qiáng)度發(fā)生變化的時(shí)刻。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示,窄線寬激光器發(fā)出連續(xù)激光,通過偏振控制器調(diào)整偏振態(tài)后由聲光調(diào)制器將其調(diào)制為脈沖光,經(jīng)摻餌光纖放大器(EDFA)增強(qiáng)功率后通過環(huán)行器注入到傳感光纖中。最后,高速采集系統(tǒng)通過探測器接收到的后向瑞利散射信號來實(shí)時(shí)采集并解調(diào)光纖周界的振動(dòng)信息。

圖1 Φ-OTDR振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

圖2所示為后向瑞利散射波形。定位振動(dòng)點(diǎn)需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行差分累加運(yùn)算,實(shí)驗(yàn)中采用高速采集裝置對后向散射信號進(jìn)行采集,并使用數(shù)據(jù)處理軟件對信號進(jìn)行分析。

圖2 后向瑞利散射波形

圖2中實(shí)線代表第i次采集的數(shù)據(jù),虛線代表第i+1次采集的數(shù)據(jù)。在振動(dòng)施加處(約1 100 m)之外,兩者在整個(gè)傳感距離上差異很小,而在振動(dòng)點(diǎn)處差異非常顯著,證明在該點(diǎn)處振動(dòng)信號的存在。由于信號信息量大,而受到采集傳輸速度的限制,振動(dòng)信號實(shí)時(shí)提取與還原是一項(xiàng)技術(shù)難題。因此需要結(jié)合高速A/D與FPGA技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速采集和處理,在振動(dòng)處實(shí)現(xiàn)波形的實(shí)時(shí)提取與定位。

圖3 采集系統(tǒng)原理圖

2 高速采集系統(tǒng)

高速數(shù)據(jù)采集原理如圖3所示。光電探測器檢測到的后向瑞利散射信號經(jīng)FPGA(Altera,EP4CE617C8)控制選通的通道進(jìn)入高速采集系統(tǒng),經(jīng)由信號調(diào)理電路和衰減電路處理后由高速A/D芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出至FPGA進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí),在FPGA中設(shè)計(jì)時(shí)鐘處理單元和存儲(chǔ)單元用于控制 A/D 的采樣時(shí)序、同步信號和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。PC端控制軟件通過2種方式與FPGA進(jìn)行通訊,通過并行接口與FPGA進(jìn)行系統(tǒng)程序的調(diào)試并控制系統(tǒng)的復(fù)位、工作使能、模式選擇等,FPGA也將運(yùn)行狀態(tài)如存儲(chǔ)器的存放信息等反饋給PC,相互配合進(jìn)行系統(tǒng)的控制。為了保證信號提取的實(shí)時(shí)性,上位機(jī)通過通用總線對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制傳輸和實(shí)時(shí)顯示,完成對光纖振動(dòng)信號的采集。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

Φ-OTDR振動(dòng)信號高速采集系統(tǒng)要求數(shù)模轉(zhuǎn)換電路具備較高的轉(zhuǎn)換效率與采樣精度,以滿足振動(dòng)信號監(jiān)測的實(shí)時(shí)性與精確性要求。為保證Φ-OTDR系統(tǒng)具有較好的檢測精度,當(dāng)A/D的轉(zhuǎn)換速率在50 MS/s以上,轉(zhuǎn)換位數(shù)在10位以上時(shí),此時(shí)采樣間隔為2 m,從而能夠較好地檢測出外界振動(dòng)信號。因此,選用采樣精度為12位、轉(zhuǎn)換速率為65 MS/s的AD9226芯片。

由于AD9226的芯片ADIN端口電壓為1 V～3 V,而ADIN輸入端的實(shí)際電壓Vin為-5 V～+5 V,因而需要設(shè)計(jì)衰減電路進(jìn)行電壓匹配,如圖4所示為采集模塊衰減電路。

圖4 采集模塊衰減電路

圖4中VREF端輸入的電壓為2 V,根據(jù)電壓跟隨和放大原理,可得NREF的電壓VN為-2 V。因而輸出電壓為Vout為:

VA=Vin×(R10/R11)

(7)

Vout=VA+R9×(VA+VN)/R8

(8)

(9)

即當(dāng)輸入Vin為-5 V～+5 V時(shí),輸出電壓Vout為1 V～3 V。AD9226時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 AD9926芯片時(shí)序圖

邏輯輸入端口外接模擬信號,時(shí)鐘端口通過監(jiān)測信號上升沿來觸發(fā)數(shù)據(jù)采集,再經(jīng)數(shù)據(jù)輸出端口還原出接入系統(tǒng)的模擬信號波形。A/D采樣率越高,對應(yīng)波形采集的點(diǎn)越多,信號還原度越高。由圖5中時(shí)序圖可知,通過FPGA控制時(shí)鐘信號即可實(shí)現(xiàn)A/D芯片的信號采集。

2.2 USB傳輸電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇通過USB芯片將A/D采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸。設(shè)計(jì)電路采用集成RS232-USB轉(zhuǎn)換器的PL2303芯片,將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式,并與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。PL2303芯片的外圍電路如圖6所示。

圖6中VDD1為USB端口的5 V供電電源,VDD2為RS232的3.3 V供電電源,OSC1和OSC2產(chǎn)生12 M的晶振,DP和DM端口分別與USB端口的D+和D-進(jìn)行通訊,TXD和RXD進(jìn)行串口的數(shù)據(jù)輸出和輸入。

圖8 整體系統(tǒng)RTL視圖

圖6 PL2303芯片外圍電路示意圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要分為A/D采樣和串口數(shù)據(jù)傳輸兩部分,通過Verilog HDL語言編寫上述模塊,生成的兩個(gè)主要RTL視圖如圖7(a)～(b)所示。

圖7(a)是采集模塊的RTL封裝視圖,圖7(b)是傳輸模塊的RTL封裝視圖。采集模塊的輸入信號為:使能信號En_Count用于控制采集的開始、數(shù)據(jù)輸入ad1_port[11..0]為AD9226的12位數(shù)據(jù)線、輸入時(shí)鐘clk_50M為FPGA的晶振時(shí)鐘、復(fù)位信號rst_n用于整個(gè)模塊復(fù)位,低電平有效,以及選取采樣點(diǎn)的計(jì)數(shù)輸入count_num[13..0],用來控制選取振動(dòng)采樣數(shù)目。

圖7 采集模塊和傳輸模塊RTL視圖

傳輸模塊的輸入信號為:傳輸數(shù)據(jù)輸入TX_Data[7..0]為串口發(fā)送的數(shù)據(jù)、傳輸使能信號Tx_En_Sig控制串口發(fā)送數(shù)據(jù)、時(shí)鐘控制輸入clk_50M為串口波特率時(shí)鐘、復(fù)位信號rst_n用于復(fù)位整個(gè)傳輸模塊。

整體系統(tǒng)RTL視圖如圖8所示。采集模塊Phase_OTDR_CountModule將采集到的數(shù)值輸出至數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換模塊Phase_OTDR_Value_Module,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口傳輸模塊的輸入信號,進(jìn)而通過串口傳輸模塊tx_module將數(shù)據(jù)輸出至上位機(jī)。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

利用SignalTap Ⅱ觀測FPGA的內(nèi)部信號,輸入信號為50 Hz正弦波,設(shè)置采樣深度為2 k、采樣時(shí)鐘頻率8 kHz,測到的輸入數(shù)據(jù)和各A/D端口的輸出如圖9 所示。

由圖9可知,隨著輸入正弦信號幅值周期性的變化,A/D輸出的12位端口的數(shù)據(jù)也發(fā)生對應(yīng)的周期性變化,從而證明該采集系統(tǒng)工作滿足要求。

圖9 SignalTab Ⅱ觀測到的采集波形

將程序?qū)懭敫咚俨杉到y(tǒng)的FPGA內(nèi)核。實(shí)驗(yàn)測試首先采用規(guī)律性拍擊信號作用于傳感光纖,光纖對應(yīng)于振動(dòng)位置處單點(diǎn)振動(dòng)信號的監(jiān)測結(jié)果如圖10所示,證明系統(tǒng)能實(shí)時(shí)響應(yīng)拍擊所施加的振動(dòng)信號。

圖10 規(guī)律性拍擊時(shí)域信號圖

圖11 方波激勵(lì)時(shí)的探測信號

隨后,用壓電陶瓷模擬外界振動(dòng),振動(dòng)激勵(lì)信號為幅值±10 V、頻率20 Hz的方波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示,其中虛線為實(shí)時(shí)采集到的振動(dòng)信號波形,實(shí)線為擬合后的振動(dòng)信號波形。結(jié)果顯示,在20 Hz方波信號的激勵(lì)下,通過對時(shí)域信號擬合,還原出的振動(dòng)信號為頻率f=1/ΔT=20 Hz的方波信號,與振動(dòng)源波形一致。

將振動(dòng)源激勵(lì)信號改變?yōu)榉怠?0 V、頻率200 Hz的正弦波,同樣將采集的單點(diǎn)振動(dòng)時(shí)域信號進(jìn)行擬合運(yùn)算,還原出振動(dòng)信號的波形,擬合后的波形如圖12所示。

圖12 正弦波激勵(lì)時(shí)的信號

結(jié)果顯示,還原出的振動(dòng)波形信號的頻率為f=1/ΔT=200 Hz,準(zhǔn)確還原出了振動(dòng)源的振動(dòng)信息。雖然采集過程中的環(huán)境噪聲和振動(dòng)傳感系統(tǒng)本身存在的漂移問題導(dǎo)致擬合出的振動(dòng)信號存在小范圍的抖動(dòng),但并不影響提取出的振動(dòng)信息有效性。

為了驗(yàn)證外界擾動(dòng)信號振動(dòng)頻率與監(jiān)測到的振動(dòng)頻率間的關(guān)系,在100 Hz到1 000 Hz的頻率范圍內(nèi),以100 Hz為步進(jìn)來改變驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的激勵(lì)信號,作為輸入信號的頻率,同時(shí)分析10組高速采集系統(tǒng)探測到的數(shù)據(jù),以判斷系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。

圖13所示的系統(tǒng)探測頻率y與實(shí)際驅(qū)動(dòng)信號的振動(dòng)頻率x的擬合線性關(guān)系式為y=0.992 5x-4.614,擬合的線性度為0.995 07,由此可知外界振動(dòng)信號的頻率與系統(tǒng)監(jiān)測到的頻率基本保持一致。

圖13 頻率線性擬合

隨著光纖距離的增加,后向瑞利散射光越來越微弱,因此,越后端的振動(dòng)信號檢測難度越大。分別在10 km、12 km附近施加振動(dòng)信號,定位結(jié)果如圖14所示。從圖14可以看到在10.07 km處有明顯的尖峰,在12.01 km處雖然信噪比較低,但仍然可以觀測到振動(dòng)發(fā)生,證明系統(tǒng)傳感距離可達(dá)12 km。

圖14 振動(dòng)定位結(jié)果

圖15 4 663 m處定位誤差測試圖

為了測試系統(tǒng)定位誤差,選取了兩個(gè)振動(dòng)測試位置,分別在4 663 m和10 022 m。在同一位置處重復(fù)進(jìn)行50次人員觸碰檢測,圖15和圖16所示為定位的結(jié)果。圖中紅色虛線為實(shí)際振動(dòng)位置,黑色散點(diǎn)為定位結(jié)果。從圖中可以看到,綜合定位誤差范圍為-7 m～+11 m。

圖16 10 022 m處定位誤差測試圖

5 結(jié)論

本文通過利用基于Φ-OTDR技術(shù)的振動(dòng)提取原理,FPGA硬件采集系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì),構(gòu)建出高速采集的Φ-OTDR振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)選取規(guī)律性拍擊信號、20 Hz方波與200 Hz正弦波來模擬外界振動(dòng)信號,測試結(jié)果表明該方法可以提取出外界振動(dòng)信號的波形及頻率信息。同時(shí),經(jīng)驗(yàn)證系統(tǒng)對1 kHz以下振動(dòng)信號具有良好的頻率響應(yīng)特性,可實(shí)現(xiàn)12 km范圍內(nèi)振動(dòng)精確定位,綜合定位誤差范圍為-7 m～+11 m。提出的基于光纖傳感檢測的礦井人員定位方法,可在災(zāi)害發(fā)生后的惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無電情況下人員的準(zhǔn)確定位,從而為井下通信中斷時(shí)快速確定受困人員位置提供一種新的解決方案。