基于生產(chǎn)者-消費者程序結(jié)構(gòu)的振動傳感系統(tǒng)

盛維濤, 曾祥豹，張文君，袁宇鵬，張祖?zhèn)?/p>

(1.四川省裝備制造業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)工程實驗室，四川 德陽 618000；2.中電科技集團 重慶聲光電有限公司，重慶 401332； 3.中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶 400060；4.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000)

0 引 言

隨著光纖通信技術(shù)的進步和低損耗零色散光纖的出現(xiàn)，光纖傳感技術(shù)有著迅猛的發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的電法傳感系統(tǒng)，光纖傳感系統(tǒng)有著本征無源安全、抗電磁干擾、測量精度高等突出優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測、海嘯預(yù)警、水聽聲吶等國防安全和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域[1-3]。在海底地震監(jiān)測及海嘯預(yù)警方面，傳統(tǒng)的電法地震傳感器存在著供電困難，組網(wǎng)效率低等弊端，而采用光纖振動傳感器可實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的振動傳感，對地質(zhì)災(zāi)害等低頻信號的探測精度和信號傳輸距離都能得到保障，全光纖振動傳感系統(tǒng)的研究和應(yīng)用將是未來振動傳感系統(tǒng)的發(fā)展方向。

光纖振動傳感系統(tǒng)中多采用光纖干涉的手段，通過波長細(xì)分的方式干涉測量的精度可達(dá)到10-6rad，因此，干涉測量手段被廣泛應(yīng)用于高精度測量和大動態(tài)范圍的應(yīng)用場合[4]。對于干涉光信號的處理多采用相位生成載波的解調(diào)方式，其本質(zhì)是對干涉信號的調(diào)制解調(diào)和提取還原。干涉信號為調(diào)相信號的形式，將被測振動信號的頻譜進行展寬，為有效解調(diào)和還原出相應(yīng)的被測振動信號，需要在信號采集端匹配高采樣率來進行對干涉信號的采集。S.Binu等[5]提出采用強度調(diào)制原理研制光纖振動傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)對75～275 Hz振動信號的有效探測。P.Bagnoli等[6]應(yīng)用摻鉺光纖激光器的深海水聽器實現(xiàn)對20～100 kHz信號的高精度探測。但現(xiàn)有的光纖檢測系統(tǒng)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號解調(diào)方面的制約，系統(tǒng)頻響特性均在1 Hz以上，暫未發(fā)現(xiàn)可達(dá)到0.01 Hz振動響應(yīng)的報告。但在地震探測的實際應(yīng)用之中，地震波成分中低頻分量的占比很高，因此，對于低頻振動的探測有著重要的意義。同時，在進行低頻振動信號的解調(diào)還原時，數(shù)據(jù)處理的周期長，很難保證解調(diào)輸出結(jié)果的實時性。

為有效解決信號解調(diào)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)處理量過大、信號解調(diào)實時性不高的弊端，信號解調(diào)處理單元采用生產(chǎn)者-消費者的程序結(jié)構(gòu)模式。生產(chǎn)者-消費者程序結(jié)構(gòu)模式是NI公司提出的一種程序設(shè)計理念，其核心在于將高速數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元和低速的數(shù)據(jù)處理單元分離，并通過隊列的形式完成數(shù)據(jù)生產(chǎn)單元和數(shù)據(jù)處理單元之間數(shù)據(jù)的流動和處理[7-8]。本文重點研究將生產(chǎn)者-消費者的程序結(jié)構(gòu)模式應(yīng)用于光纖相位振動傳感系統(tǒng)的相位解調(diào)環(huán)節(jié)，完成關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計及程序編寫，并對超低頻振動信號進行了實際測試與驗證。

1 光纖振動系統(tǒng)原理組成及設(shè)計

光纖振動傳感系統(tǒng)是采用光纖干涉的方式進行外界振動傳感測量的，傳感的核心單元為振動傳感檢波器。振動傳感檢波器是光纖順變柱體結(jié)構(gòu)的傳感換能原件，其可將外界振動轉(zhuǎn)換成為對傳感光纖長度的拉伸，光纖長度的變化引起光程差的變化，輸出干涉條紋就會相應(yīng)改變，進一步對光纖干涉信號進行相位解調(diào)可還原出相應(yīng)的被測振動信號。系統(tǒng)所采用的是激光器內(nèi)調(diào)制的調(diào)制方案，不會引入附加的光電模塊可實現(xiàn)全光纖網(wǎng)絡(luò)的組建和鋪設(shè)。在調(diào)諧分布反饋式半導(dǎo)體激光器光頻時，驅(qū)動電流的改變會引起激光器諧振腔載流子濃度的變化，進一步導(dǎo)致輸出光功率的變化而產(chǎn)生伴生調(diào)幅現(xiàn)象，即在調(diào)整光頻的同時輸出光功率也會產(chǎn)生變化[9]。為消除伴生調(diào)幅影響，系統(tǒng)采用干涉光波信號和激光器輸出信號做比相消的方式去除影響。

光纖振動解調(diào)系統(tǒng)原理如圖1，分布反饋式半導(dǎo)體激光器(distributed feedback laser diodes，DFB-LD)輸出的激光經(jīng)過3 dB耦合器分成2路：一路為內(nèi)調(diào)制輸出的光強信號，用于消除內(nèi)調(diào)制伴生調(diào)幅的影響；另外一路激光通過環(huán)形器b端口和耦合器1輸入到順變柱體傳感檢波器中，順變柱體為傳感換能原件，可將外界的振動動能轉(zhuǎn)換成為光纖拉伸的彈性勢能[10]。順變柱體由2個硅膠柱體和1個質(zhì)量塊組成，硅膠柱體上緊密纏繞著光纖，光纖的末端接有法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，入射光于旋轉(zhuǎn)鏡上反射后沿原光路返回，并在耦合器2與原光線發(fā)生干涉，因為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡有偏振無關(guān)的特性可有效避免偏振衰落現(xiàn)象的產(chǎn)生[11-12]。反射回的激光會在耦合器中產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，形成邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，干涉光波經(jīng)由環(huán)形器c端口輸出。當(dāng)存在振動信號時，順變柱體慣性質(zhì)量塊的振動會對上下硅膠柱體產(chǎn)生擠壓和拉伸作用使得硅膠柱體徑向直徑改變，直徑的改變會作用在光纖上導(dǎo)致長度的拉伸，輸出干涉光相位會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。順變柱體傳感檢波器及光纖邁克爾遜干涉儀光路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對振動信號的傳感和干涉光信號的轉(zhuǎn)化。對于被測振動信號的提取還原及相位解調(diào)是上位機的程序處理的相關(guān)工作。

2 生產(chǎn)者-消費者程序結(jié)構(gòu)模式及程序設(shè)計

LabVIEW與計算機技術(shù)結(jié)合可快速、準(zhǔn)確實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與信號處理，在工程中具有廣泛的應(yīng)用[13]，其采用圖形化的編程語言和數(shù)據(jù)流編程方式，數(shù)據(jù)的流向決定著程序執(zhí)行的順序。在多數(shù)采集系統(tǒng)的編程之中采用順序結(jié)構(gòu)的單循環(huán)模式，程序按照數(shù)據(jù)流流動的方向順序執(zhí)行，此種單循環(huán)的方式程序執(zhí)行效率較低[14]。而生產(chǎn)者-消費者是一種并行程序結(jié)構(gòu)模式，此種程序結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元和數(shù)據(jù)處理單元是通過隊列進行耦合聯(lián)系的，圖2為生產(chǎn)者-消費者的程序結(jié)構(gòu)模式框圖。其中，生產(chǎn)者循環(huán)是干涉信號采集程序部分即為數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元，消費者循環(huán)是干涉信號相位解調(diào)算法程序部分即為數(shù)據(jù)處理單元，2個循環(huán)之間通過先入先出的傳輸隊列(first input first output，F(xiàn)IFO)進行數(shù)據(jù)流連接和控制，傳輸隊列不僅保證程序數(shù)據(jù)流的流動還有效避免了數(shù)據(jù)間的競爭狀態(tài)[15]。緩存監(jiān)控循環(huán)可實時對傳輸隊列數(shù)據(jù)量大小進行監(jiān)控，當(dāng)緩存數(shù)據(jù)量出現(xiàn)異常時可反饋和停止程序運行。對低頻振動信號進行解調(diào)運算時，消費循環(huán)信號處理數(shù)據(jù)量大、處理周期長，未處理的數(shù)據(jù)會緩存至隊列之中；當(dāng)解調(diào)算法程序的處理速度高于數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)速度時，消費者循環(huán)對隊列中最先傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理，傳輸隊列有效起到數(shù)據(jù)緩沖的作用并完成循環(huán)間的數(shù)據(jù)通信。此種程序結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提高了不同速率循環(huán)間的數(shù)據(jù)共享能力，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和解調(diào)算法并行同步運算。生產(chǎn)者-消費者程序結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有效緩解低頻信號采集處理時對上位機帶來的內(nèi)存壓力，極大提高了程序執(zhí)行效率，保證低頻振動信號輸出結(jié)果實時性和連續(xù)性。

光纖振動傳感系統(tǒng)采用相位生成載波(phase generated carrier，PGC)的解調(diào)方式，此種解調(diào)方式的核心在于首先將調(diào)制后的干涉信號頻譜搬移至基頻附近，再通過微分交差相乘算法將被測振動信號從相位中解調(diào)出來。處理流程如圖3。

圖3 振動信號提取流程圖Fig.3 Schematic of vibration signal acquisition

干涉信號經(jīng)過一倍頻與二倍頻混頻處理后，頻譜被搬移至基頻頻帶，同時形成兩路相互正交的基頻信號。兩路正交信號通過微分交差相乘算法可將被測振動信號從干涉信號的相位中提取和還原出來，通過高通濾波器可有效濾除低頻擾動和低頻噪聲的影響。圖4為光纖振動系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及相位解調(diào)程序框圖。上位機程序中數(shù)據(jù)模式采用動態(tài)數(shù)據(jù)的形式；生產(chǎn)者循環(huán)中是數(shù)據(jù)采集程序，可以將干涉信號采集進入上位機；消費者循環(huán)中是相位生成載波解調(diào)算法程序，此為信號處理的核心單元；解調(diào)算法程序中低通濾波器、微分計算模塊、高通濾波器等控件由可處理動態(tài)數(shù)據(jù)的Express VI控件組成，確保解調(diào)輸出波形實時運算和顯示。應(yīng)用生產(chǎn)者-消費者程序結(jié)構(gòu)模式極大提高解調(diào)算法的運行效率，同時有效避免高速數(shù)據(jù)采集和低速解調(diào)運算之間不匹配的問題。

圖4 數(shù)據(jù)采集和相位解調(diào)程序框圖Fig.4 Schematic ofacquisition and phase demodulation

3 光纖振動傳感系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試

采用生產(chǎn)者-消費者的程序結(jié)構(gòu)模式的光纖振動傳感系統(tǒng)，主要需針對低頻振動信號的傳感和探測，為驗證光纖振動傳感系統(tǒng)設(shè)計光路正確和解調(diào)算法程序執(zhí)行有效，對系統(tǒng)進行整體聯(lián)調(diào)測試。振動系統(tǒng)的激光光源采用RIO0073-3-100-3型超窄線寬DFB-LD，激光器的輸出中心波長為1 550 nm，所提供輸出激光相干長度可達(dá)到5 km，確保了非平衡干涉臂的臂長差需求。光電轉(zhuǎn)換二極管采用LSIPD-LD-50型光電二極管進行光電轉(zhuǎn)換，其光電轉(zhuǎn)換靈敏度達(dá)到0.9 mA/mW，滿足高精度光電轉(zhuǎn)換的需求。標(biāo)準(zhǔn)低頻振動信號由超低頻振動平臺(型號為CTS-1，頻帶為 0.008 3～50 Hz，靈敏度為 2 000 V/ms-1)提供，振動平臺的激勵信號由外接信號源提供，平臺輸出的振動頻率及振動幅值大小均由信號源進行控制。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司PCI-6133采集卡，可進行8路實時模擬信號的采集，采樣頻率為2.5 MS/s，分辨率為14 bit，滿足對干涉光波信號的采集需求。光纖振動傳感系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)測試的原理圖如圖5。

圖5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試架構(gòu)圖Fig.5 Schematic of the verification system

圖5中,在進行光纖振動傳感系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)時，將順變柱體傳感檢波器緊固在低頻振動平臺上，保證低頻振動平臺與順變柱體傳感探頭有相同的加速度響應(yīng)輸出，低頻振動平臺的輸出由外接信號源進行控制。順變柱體傳感探頭在振動平臺的激勵下輸出相應(yīng)的干涉光波信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊將轉(zhuǎn)換后的電信號進行數(shù)據(jù)采集和相位解調(diào)運算。為有效緩解上位機內(nèi)存壓力和提高低頻振動信號輸出的實時性，解調(diào)算法采用生產(chǎn)者-消費者程序結(jié)構(gòu)模式。

光纖振動傳感系統(tǒng)的實驗室布置情況如圖6。其中，檢波器緊固安裝在振動平臺中進行測試，系統(tǒng)中的光源部分、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡等核心部件則安裝主機中，系統(tǒng)的測量結(jié)果通過在顯示器的顯示界面中展示，原始記錄數(shù)據(jù)存儲于本地硬盤中，可用于歷史回溯與分析。

圖6 光纖振動傳感系統(tǒng)的實驗現(xiàn)場Fig.6 Fiber-optic vibration sensing system for experiment

光纖振動傳感系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)低頻振動信號的測試結(jié)果如圖7。實驗結(jié)果表明，光纖振動傳感系統(tǒng)對0.01～1 Hz的標(biāo)準(zhǔn)振動信號進行傳感輸出，在進行解調(diào)程序運算和輸出波形實時顯示時，程序運行流暢實時性高。

圖7 低頻振動信號測試輸出結(jié)果圖Fig.7 Measurement curves of the fiber-optic vibration sensing system

通過對系統(tǒng)輸出對比分析可知，振動輸出結(jié)果有較高的信噪比，但輸出結(jié)果中存在一定程度低頻漂移噪聲的影響，其主要原因來源于DFB-LD在低頻段的相位噪聲，同時超低頻振動平臺采用零差正交干涉的方式對振動平臺的輸出進行反饋控制，而在低頻段反饋時間增長控制難度增大，使得標(biāo)準(zhǔn)振動信號易受到外界環(huán)境的干擾導(dǎo)致輸出的不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，針對更低頻率振動信號的傳感驗證，在不斷提升光纖振動系統(tǒng)整體性能的同時也依賴于激光器技術(shù)及超低頻振動平臺校準(zhǔn)輸出技術(shù)的發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

光纖振動傳感系統(tǒng)采用光纖干涉的手段，應(yīng)用順變柱體結(jié)構(gòu)作為核心換能元件。在干涉信號的數(shù)據(jù)采集和處理方面，創(chuàng)新地應(yīng)用了生產(chǎn)者-消費者的程序結(jié)構(gòu)模式。將生產(chǎn)者-消費者程序結(jié)構(gòu)原理思想與LabVIEW數(shù)據(jù)采集相互結(jié)合，極大提高系統(tǒng)在低頻頻段的程序運行效率和實時性。通過系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)驗證系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到低頻振動測量的需求，同時驗證生產(chǎn)者-消費者程序結(jié)構(gòu)在多任務(wù)大數(shù)據(jù)量的處理運算上有著突出優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景。