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)
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。
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。
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
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)。
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
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。
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。
佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年1期