分布式光纤振动传感系统大传感数据流时间周期压缩与传送技术*

黄新锐，王广祯，侍海峰，王 烁，叶红亮，潘 超，孙小菡

（东南大学电子科学与工程学院，南京210096）

分布式光纤振动传感系统大传感数据流时间周期压缩与传送技术*

黄新锐，王广祯，侍海峰，王 烁，叶红亮，潘 超，孙小菡*

（东南大学电子科学与工程学院，南京210096）

针对分布式光纤振动传感系统的大传感数据流，提出一种时间周期压缩与传送技术，采用扰动脉冲特征值提取模块对扰动脉冲特征值进行同步提取，并将无关数据剔除，大大压缩了数据量；同时为了便于数据区分，采用复用的方法对特征值进行编码与成帧。实验结果表明，本文提出的数据压缩与传送方法能够有效的获取外界扰动事件的位置和强度信息，且当同一时间仅有一处扰动事件发生的情况下，本文的数据压缩率仅为0.96‰。相比于传统的数据传送方法，本文大大减少了传输的数据量，减轻了通信接口和上位机软件的负担，系统的传感灵敏度和响应速度都得到显著提高。

分布式光纤振动传感；数据压缩；数据编码与成帧；现场可编程门阵列

分布式光纤振动传感技术克服了点式传感器的不足，具有连续传感、损耗低、体积小、抗辐射、耐腐蚀等众多优点，已广泛用于周界安防、石油管道检测等工程领域［1-3］。工程技术领域对分布式光纤振动传感系统的传感灵敏度、响应速度、定位精度和漏报率等技术指标的要求越来越高，导致系统的传感数据流越来越庞大，而大数据流的压缩与传送技术对整个系统的性能都起着关键作用［4-6］。

目前，分布式光纤振动传感系统大传感数据流传送技术大都比较单一，多采用下位机数据采集、上位机信号处理串行工作的方式，即处理器对传感信号进行采样和存储，接着将采集的数字信号通过高速接口传送至上位机，由上位机对传感数据进行信号处理。这种数据传送方式虽满足系统的一般需求，在性能要求不高的场合得到广泛采用。但它具有系统扫描频率低、传感效率低和上位机数据处理负担重等缺点，导致系统传感灵敏度低、响应时间长和容易漏报警，大大影响了系统的性能，满足不了工程现场的要求。在此基础上，有文献提出了双缓存乒乓操作的方法［7-9］，即处理器预先开辟两个缓存区域，先对传感信号进行采样，并将采集的数据存放在第一个缓存中，存满之后将其中的数据通过高速接口传送至上位机进行信号处理；与此同时，启动新一轮的数据采样，并将其存放在第二个缓存中。当上位机处理完第一个缓存传送来的数据且第二个缓存的数据采满后，上位机开始读取第二个缓存的数据，同时启动下一轮的数据采样，并将其存放在第一个缓存内如此循环往复。该方法虽然提高了系统的传感效率，对系统的传感灵敏度有所改善，但仍然需要向上位机传送大量数据，加重数据传送接口和上位机数据处理的负担。

上述两种数据传送方式已不能满足工程现场对光纤传感系统提出的传感灵敏度高、响应速度快、低的漏报率等性能要求，系统亟需一种简洁高效的数据传送技术。

本文在充分研究分布式光纤振动传感系统数据特征的基础上，提出了一种基于数据压缩的大传感数据流的传送方法。通过扰动脉冲特征值提取模块对多个触发周期内采集的背向散射信号作同步特征值提取，并将无效的数据剔除，实现了数据压缩的目的。提取到的扰动信号特征值能够反映传感光缆沿线外界扰动事件的基本特性，包括扰动发生的位置和扰动的强度等。接着采用复用的技术把压缩后的扰动特征值进行数据编码与成帧，并传输至上位机，由上位机作进一步数据处理与分析。与传统的方法相比，本文提出的数据压缩与传送方法大大减少了传输的数据量，减轻了通信接口的负担，同时节约了上位机信号处理的时间，具有传感灵敏度高和响应速度快的优点，且为上位机提供了丰富的有效数据，为模式识别算法的研究提供了保障。

1 分布式光纤振动传感系统原理

分布式光纤振动传感系统能够有效地感知传感光纤沿线外界扰动事件的位置与强度信息，并能实现多点同时检测，其功能框图如图1所示。系统主要由光源、光纤光路、电域信号处理、模数转换器、数字信号处理（FPGA）和上位机等模块组成［10-11］。

FPGA依次连续产生同步触发信号至光源模块，同步触发信号的周期为T，其与光纤光路的长度L满足如下关系：

其中vg表示光在纤芯中的传播速度。光源模块接收到同步触发信号后产生一个光脉冲信号，光脉冲通过微分相干光时域散射型传感光路传播至传感光纤，传感光路输出一条背向散射光信号并传输至电域信号处理模块，电域信号处理模块对背向散射光信号进行光电转换、放大、微分和迹线补偿等一系列信号处理后输出一条模拟背向散射信号并传输至模数转换器，模数转换器对其进行模数转换，产生一列数字背向散射信号，并输出至数字信号处理模块（FPGA）中。其中，一列数字背向散射信号的长度为D，其与模数转换器的采样周期Ts满足：

FPGA对数字背向散射信号作系列数字信号处理后，将数据通过USB2.0高速接口传送至上位机，由上位机作进一步数据处理和告警显示等操作。

图1 分布式光纤振动传感系统框图

2 数据压缩与传送技术原理和分析

分布式光纤振动传感系统大传感数据流时间周期压缩与传送方法主要包括扰动脉冲特征值提取和数据编码与成帧两个步骤，方法框图如图2所示。首先，扰动脉冲特征值提取模块对接收的数字背向散射信号进行脉冲特征值的同步提取，并将无关数据剔除；接着，扰动脉冲特征值提取模块将脉冲特征值传输至数据编码与成帧模块进行数据编码和成帧，再由数据编码与成帧模块将成帧后的数据传送至FIFO缓存中。

图2 数据压缩与传送方法框图

触发信号计数器对同步触发信号作计数操作，统计同步触发信号的个数，当计数值达到N时，计数器控制FIFO缓存将数据通过USB2.0接口传送至上位机，由上位机做进一步的数据处理与结果显示。

2.1 扰动信号提取原理

分布式光纤振动传感系统中模数转换器输出的数字背向散射信号中的扰动脉冲表征了传感光纤沿线外界的扰动事件，其余数据均为无效数据，如图3所示。在同步触发信号的驱动下，扰动脉冲特征值提取模块根据阈值信号发生模块输出的阈值信号Th，对接收到的由N个同步触发信号产生的N列数字背向散射信号进行脉冲特征值的提取，并将无效的数据剔除，实现数据压缩的目的。具体过程是，扰动脉冲特征值提取模块接收到同步触发信号后，其内部计数器开始计数，计数周期为采样周期Ts，根据数字背向散射信号与阈值信号Th的大小关系，提取各扰动脉冲的上升沿计数值Nr、峰值计数值Np和下降沿计数值Nf，并计算出脉冲的峰值Ap，扰动脉冲特征值提取模块提取完一列数字背向散射信号的全部特征值后将内部的计数器清零。

图3 扰动脉冲特征值提取原理图

根据模数转换器的采样周期Ts以及光在纤芯中的传播速度vg，计算出扰动脉冲的上升沿位置Lr、峰值位置Lp、下降沿位置Lf为：

传感光纤沿线外界扰动事件发生的位置Y与数字背向散射信号扰动脉冲的上升沿位置Lr、峰值位置Lp、下降沿位置Lf有关，可表示为：

传感光缆沿线外界扰动信号的强度I与数字背向散射信号扰动脉冲的幅度Ap相关［12］，表示为：

2.2 数据编码与成帧

扰动脉冲特征值提取模块需要提取数字背向散射信号中扰动脉冲的上升沿位置数据、下降沿位置数据、峰值位置数据和峰值幅度数据，且一次数据传输需提取N列数字背向散射信号中的全部扰动脉冲特征值。为了对不同类型的数据进行清晰的区分和表征，数据编码与成帧模块对扰动脉冲特征值进行数据编码和成帧处理。帧格式及各类型数据格式的定义如图4所示。每一帧数据表示从一列数字背向散射信号中提取的扰动脉冲特征值，一列数字背向散射信号中的扰动脉冲个数为M，M取值0，1，2，…。帧格式中的数据位数均为16，采用复用的方法来区分帧头、位置数据、幅度数据、脉冲结束标志和帧尾，复用方法如表1所示。帧头的Trig Count为同步触发信号的计数值，取值范围是0至N-1，N需小于等于4096。位置数据格式的Position Data为扰动脉冲特征值提取模块输出的对应于脉冲上升沿、下降沿和峰值时的内部计数值Nr、Nf和Np，其取值为0至16383。峰值幅度数据格式的Amplitude Data表示峰值的幅度Ap，其取值为0至4 095。脉冲结束标志和帧尾的数据格式分别如图4（e）和图4（f）所示。

图4 帧格式及各类型数据格式定义

表1 数据编码与成帧复用方式

2.3 数据压缩率

本文提出的数据压缩与传送方法在一个同步触发周期内产生的最大数据量Qn与传感光纤沿线外界同时发生的扰动事件的个数M有关，而与光纤的长度无关，Qn与M的关系表示为：

而传统方法在一个触发周期内产生的数据量Qt与传感光纤的长度L、模数转换器的采样周期Ts有关，与同一时刻传感光纤沿线外界发生的扰动事件的数目无关，如下式所示：

本文提出的数据压缩方法和数据采集过程完全同步，不占用额外的压缩时间。数据压缩率η与光纤长度L、模数转换器的采样周期Ts以及同一时刻传感光纤沿线外界发生的扰动事件的数目M有关，表示为

图5给出了本文方法与传统方法在一个同步触发周期内的数据量随光纤长度变化关系，从图中可以看出本文给出的方法大大降低了系统的数据量，且随着光纤长度增加，数据量减少的越显著。

图6给出了数据压缩率随光纤长度、扰动数目和采样周期的变化关系，其中数据压缩率定义为压缩后的数据量与压缩前之比，从图中可以看出数据压缩率随着光纤长度的增加和采样周期的减小而逐渐减小。

图5 本文和传统方法数据量对比图

图6 数据压缩率随光纤长度和采样率的关系

3 实验与结果

3.1 基于FPGA的算法实现

本文在中心自主研发的微分相干光时域散射型分布式光纤振动传感系统中开展实验，对上述方法进行验证。如图7所示，传感系统由分布式光纤振动传感控制端机、传感光纤和上位机软件组成。它能够实时检测传感光纤沿线的外界扰动信号，并进行精确定位，已成功应用于周界安防和石油管道监测等工程领域。

图7 实验系统实物图

本文方法中的同步信号发生模块、扰动脉冲特征值提取模块、数据编码与成帧模块、FIFO缓存、触发信号计数器以及阈值信号发生模块均在FPGA中实现。中心自主设计的FPGA控制板卡如图8所示，其主要由高速模数转换电路、FPGA及配置电路、USB2.0通信接口以及电源管理电路构成，能够实现高速的数据采集、灵活的数据处理以及和上位机高速通信等功能。其中，高速模数转换芯片采用美国AD公司的AD9236，采样率可达80 M，分辨率为12位；FPGA芯片采用Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX100T-2FGG900，它采用45 nm工艺技术，具有速度快、容量高、功耗和成本低等优点；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、功能丰富，用户可编程等优点。

图8 FPGA控制板卡

利用Xilinx公司提供的集成开发环境ISE12.3进行FPGA程序设计，并充分利用FPGA运算速度快、可并行执行的特点，本文实现了数字背向散射信号的采集和扰动脉冲特征值的同步提取以及数据成帧的功能，FPGA程序流程图如图9所示。

图9 FPGA流程图

3.2 结果与分析

在本文的分布式光纤振动传感实验系统中，同步信号发生模块输出的同步触发信号的周期T为100μs，模数转换器的采样周期Ts为20 ns，光纤光路的长度L为10 km，在一个同步触发周期T内的采样长度D为5 000，阈值信号Th为2 048，采样周期数N为500。

实验中，在光纤光路6 470 m处施加扰动，图10给出了光电探测器输出的模拟背向散射信号与同步触发信号在一个同步触发周期T内随时间变化的波形图，图11给出了模数转换器输出的数字背向散射信号与阈值信号随光纤长度的变化关系图。表2给出了数据编码与成帧模块输出的一帧数据以及转换后的扰动脉冲的位置数据和幅度数据。在一个同步触发周期内只有一个扰动事件发生时（即M=1），由式（8）知，本文方法的数据压缩率η仅为0.96‰。从中可以看出，本文提出的数据压缩与传送技术能够有效地用于对传感光纤沿线外界扰动事件引起的扰动脉冲进行定位与幅度提取，并以此来确定扰动事件发生的位置与扰动事件的类型。

图10 同步触发信号与模拟背向散射信号波形图

图11 扰动脉冲与阈值信号的关系图

4 总结

本文提出一种分布式光纤振动传感系统大传感数据流时间周期压缩与传送技术，通过扰动脉冲特征值提取模块对传感光纤沿线外界扰动事件引起的扰动脉冲的特征值的同步提取，并将无关数据剔除，大大压缩了数据量；同时为了便于数据区分，采用复用的方法对扰动脉冲特征值进行数据编码与成帧。实验结果表明，本文提出的数据压缩与传送方法能够有效地获取传感光纤沿线外界扰动事件的位置和强度信息，且在一个同步触发周期内只有一个扰动事件发生时（即M=1），本文方法的数据压缩率仅为0.96‰。相比于传统的数据传送方法，本文提出的方法大大减少了传输的数据量，减轻了通信接口和上位机软件的负担，提高了系统的传感效率，使得系统的传感灵敏度和响应速度都得到显著提高。

［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］罗巧梅.分布式光纤振动传感器及其在安防领域的应用［J］.中国安防，2014，8：029.

［5］喻骁芒，罗光明，朱珍民，等.分布式光纤传感器周界安防入侵信号的多目标识别［J］.光电工程，2014，41（1）：36-41.

［6］赵浩，林宗强，肖恺，等.分布式光纤振动传感技术研究［J］.电子设计工程，2014，22（19）：18-20.

［7］魏然，何冠男，任欣.高速光纤总线系统中乒乓缓存的设计与实现［J］.光通信技术，2009，33（6）：57-59.

［8］邵林，黄芝平，唐贵林，等.并行缓存结构在高速海量数据记录系统中的应用［J］.计算机测量与控制，2008，16（4）：527-530.

［9］马灵，杨俊峰，宋克柱.地震数据采集中基于FPGA的多DDR SDRAM控制器设计［J］.中国科学技术大学学报，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.

黄新锐（1994-），男，汉族，安徽省桐城人，东南大学电子科学与工程学院本科在读，专业为新能源材料与器件，2536356551@qq.com；

孙小菡（1955-），女，汉族，东南大学电子与科学学院教授，主要研究方向为光波电子学与光纤通信技术领域，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

项目来源：江苏省政策引导性计划——前瞻性联合研究项目支持

2015-06-13 修改日期：2015-08-28