准分布式光纤振动传感系统信号增益均衡及稳定技术*

黄新锐，侍海峰，王广祯，王　烁，李明铭，潘　超，孙小菡

（东南大学电子科学与工程学院，南京210096）

准分布式光纤振动传感系统信号增益均衡及稳定技术*

黄新锐，侍海峰，王广祯，王烁，李明铭，潘超，孙小菡*

（东南大学电子科学与工程学院，南京210096）

针对准分布式光纤振动传感系统的各传感通道的增益差异，提出一种基于PI算法的多路信号增益均衡及稳定技术。通过合理设置算法的调节时间，确保传感系统正常工作的同时，消除了因光波偏振、相位等参数缓慢变化引起的增益变化。实验结果表明，四通道的复用系统，不同通道的最大增益差是1.6 V；每个通道增益波动幅度最大是2.3 V，波动周期是0.23 h。选取合适的PI控制器参数KP=0.01，KI=0.1，此时，PI算法的调节时间大约为4 s，增益波动幅度小于0.2 V。

准分布式光纤振动传感系统；增益均衡；PI算法；时分复用

准分布式光纤振动传感系统是以光纤传感器作为敏感单元，通过采用一定的复用方式级联在一起，通过后端的光信号解调、分析与处理，实现入侵事件的判断、定位、报警和入侵目标的识别［1-3］。与传统的分布式光纤振动传感系统相比，具有结构简单、易复用、成本较低，误报率低，定位简单等优势，在安防领域有着重要的应用前景，也是将来智能安防检测的主流发展方向［4-6］。

传统的准分布式光纤传感系统通常采用波分复用技术和光纤光栅作为传感单元［7-9］。例如，厦门大学董小鹏［10］等人提出的一种基于波分复用的光纤多防区周界传感系统，采用FBG作为每个防区的传感单元，结构简单，但区域数目受光源带宽限制，而且需要采用波分复用器件和多个接收机，成本较高。华中科技大学刘德明［11］等人提出的一种基于混合时分/波分复用传感无源光网络的光纤周界安防系统，采用混合时分/波分复用系统，使区域数目不受光源带宽限制，但需要采用波分复用器件和多个光接收机，成本也较高。复旦大学肖倩［12］等人提出的一种基于相位载波复用的光纤周界安防系统，采用多路信号复用同一白光干涉系统，大大降低了准分布式光纤振动传感系统因分区所需的干涉系统的数量，但需要串接不同频率的相位调制器以区分不同防区，采用相位解调技术，算法复杂度相对较高。

项目来源：江苏省高校品牌专业建设工程项目

收稿日期：2015-06-13修改日期：2015-08-07

考虑到传感器的所处位置不同，光传至每个传感器传输距离不同，造成系统接收到的代表不同传感器的光脉冲功率存在差别，而且每个传感器工作点存在差别，光在不同通道传输时的衰减情况存在差别，这些因素在系统实际实现过程中，不可避免会导致回送的光脉冲信号功率大小不一致的情况。在实验过程中，我们发现，由于光波偏振、相位等参数的缓慢变化，每一路回送的光脉冲信号功率随着时间推移，存在缓变现象。针对以上不足，本文提出一种基于PI算法的多路信号的增益均衡及稳定技术。

1　系统原理及性能分析

1.1系统工作原理

准分布式光纤振动传感系统由终端机、通信/传感光缆及延时光纤3部分组成，如图1所示。终端机内部由上位机、光源、主控单元、光信号接收与处理模块、光纤分路器组成。每一路延时光纤的长度不同，根据脉冲宽度、脉冲重复周期、采样频率确定每一路延时光纤的长度，保证能够在时域上区分代表各传感器的光脉冲信号。通信光纤与传感光纤可采用同一根光缆。

图1　准分布式光纤振动传感系统框架

终端机内部的主控单元控制光源产生一个光脉冲，发送到光纤分路器，在光纤分路器中产生N个光脉冲，这些光脉冲经过通信光纤和延时光纤传播到传感光纤中，从传感光纤中返回的N个光脉冲信号，再次通过延时光纤到达光纤分路器合成一列光脉冲信号，采用时分复用的方式输出到光信号接收与处理模块。光信号接收与处理模块将光脉冲信号转换成电信号并做进一步处理。主控单元通过采集光信号接收与处理模块输出的数据信号，并根据这些信号的幅度设定阈值，来判断是否有告警。

1.2系统光功率分配性能分析

由于系统利用不同长度的延时光纤来实现光时分复用技术，而光功率随着光传播距离的增大存在衰减情况，所以，我们不难想象，准分布式光纤振动传感系统中，代表不同区域的脉冲幅度存在大小差别，而且理想情况下，延时光纤长度越长的传感区域光功率衰减越大，脉冲幅度越小。以16路系统为例，查阅资料可知，G 652光纤在1 550 nm窗口的平均损耗约为0.25 dB/km，2×2耦合器的分光比为50∶50，2×16光纤分束器的插入损耗为14.2 dB，由此可以计算得知，理想情况下系统光信号接收与处理模块接收到的16路光脉冲光功率衰减如图2所示。

图2　16路系统回光功率衰减理想图

从图2，我们可以看到，光信号接收与处理模块接收到的光脉冲序列光功率存在依次衰减的情况，第一个脉冲和后续脉冲幅度的差别越来越大，对于系统设置的一个报警阈值，这个问题将给系统对入侵事件的判断、报警带来困难。为了解决这个问题，下文提出了一种信号增益均衡方法来实时控制每一个脉冲幅度，将所有脉冲幅度统一达到给定的参考值，消除脉冲幅度存在差别的情况。

2　信号增益控制技术

2.1信号增益控制技术实现原理

信号增益控制技术实现框图如图3所示，虚线框内为图1中所示的主控单元内部模块，其余部分为图1中所示的光信号接收与处理模块中相关部分。

系统正常工作前，我们需要得到传感区域所在的位置信息，即每一个传感区域对应脉冲的时间基准信息。得到时间基准后，主控单元按照一定频率发出控制信号至光源，触发光源按照一定频率发出光脉冲，光源发出的每一个光脉冲，对应于返回至光信号接收与处理模块的经时分复用的N路光脉冲信号。

图3　信号增益控制技术实现框图

经过传感光路，携带有各区域扰动信息的N路光脉冲信号，以时分复用的方式返回至系统端机，首先进入图1中的光信号接收与处理模块，进行前端信号处理。光脉冲信号经过光电转换模块，将光脉冲信号转化为电脉冲信号Vin，然后进入可变增益放大器分别进行放大，不同传感区域的脉冲信号对应的放大倍数由主控单元来控制。

经可变增益放大器放大后的脉冲信号进入主控单元中的特征提取模块，对每一路的脉冲信号进行特征提取。特征提取模块在每一路脉冲的时间基准，将每一路脉冲提取为一个数据点Dout，以一个数据点来代表此脉冲进行下一步数据处理。将得到的Dout与参考值Dref进行比较运算，求出误差e，然后输出至PI控制器。在每一个脉冲的时间基准，经PI控制器进行PI运算后，得到数据DPI暂存至寄存器内，在下一组N路脉冲信号到来之时，经D/A转换后输出至可变增益放大器，输出时间由时间基准模块控制，进而改变对应区域脉冲信号的增益大小，使每一个区域的脉冲信号的特征值尽可能接近于参考值，从而避免了每一个区域脉冲信号的的缓变，使各个区域的脉冲信号的幅度尽可能一致接近于参考值，从而有利于通过设定一个阈值，来判断不同区域是否有的扰动信息。

2.2多路PI控制算法

在我们的实验中，可变增益放大器模块是基于AD8336芯片实现的。AD8336是AD公司生产的一种低噪声、单端型、线性衰减的通用可变增益放大器芯片。这款芯片的放大倍数可由控制电压按照比例控制。AD8336芯片的放大倍数和控制电压比例关系如图4所示。

图4　AD8336放大倍数和控制电压关系图

将经过特征提取后的脉冲特征值Dout（k）与参考值Dref比较，得到偏差信号e（k），即：

这里使用的是数字增量式PI控制算法。它的计算式：

式中：KP是比例系数，通常随着KP值的加大，系统响应速度加快，但是当KP增加到一定程度，系统会变得很不稳定；Ki是积分系数，调节系统的稳态误差，但是当KP不变的情况下，Ki增加到一定程度，系统会出现不稳定现象。通过实验可以选择合适的KP和Ki，以达到最好的调节效果。

本系统是通过FPGA来实现数字PI算法，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。采用Verilog HDL语言进行FPGA编程，其基本思想是通过设计状态机，在不同阶段采用乘法器或者加法器进行不同的逻辑运算。内部算法实现流程如图5所示。

图5　程序流程图

3　实验结果及分析

3.1实验结果

根据图1，在实验室我们搭建了4路传感通道的准分布式光纤振动传感系统，实物图如图6所示。实验装置包括：DFB光源（波长为1 550 nm，功率＞10 mW）、PIN-FET、2×2光纤耦合器（分光比为1：1）、200 m延时光纤盘。实时观测信号波形，发现代表4路传感通道的4个光脉冲信号幅度存在大小不一致问题，信号波形如图7所示。

这与前文的光功率性能分析的结果存在一些差别，这是因为每个传感器工作点存在差别，光在不同通道传输时的衰减情况存在差别，还有环境对系统的影响，在系统实际实现过程中，这些因素不可避免会导致光脉冲信号幅度和理想的逐个递减情况有所差别。实验结果表明，不同通道的最大增益差大约是1.6 V。

图6　四路传感通道的准分布式光纤振动传感系统

图7　不同通道的脉冲信号幅度存在大小差别

运行一段时间后，我们还发现4个脉冲自身幅度随着时间的推移，存在缓变现象，我们记录了前2路脉冲幅度在16 h内，每一小时脉冲的幅度值，并画出幅度缓变曲线，如图8所示。这是由于光波偏振、相位等参数的缓慢变化所致。实验结果表明，同一通道脉冲增益波动幅度最大是2.3 V，波动周期大约为0.23 h。

综合理论分析和实验观察得到的问题，上文提出的基于PI算法的增益控制技术，可以有效解决这些脉冲幅度不一致、存在缓变等问题。

图8　各通道脉冲信号幅度存在缓变现象

3.2PI算法参数的选择

在仿真过程中选取PI算法的参数，参数选取过程中，先将调节器设置成比例调节器，然后调节系统的临界试验。将比例系数KP由小逐渐变大，确定不同的KP值对应的调节时间，然后确定比例系数KP，调节积分系数Ki，由小逐渐变大，当调节系统出现等幅振荡时，即为积分系数的临界值。根据此方法可以方便地得出PI控制器的参数。

选取几组不同的PI控制器参数KP和 KI，以3.5 V为参考电压值，记录实验过程中PI调节后脉冲的特征值的大小，画出调节过程的数据图如图9所示。从图中我们可以看出调节的不同参数对应的调节时间和调节效果。图9（a）和9（b）为相同KP情况下，不同Ki值对应的调节效果。Ki=0.2比Ki=0.1调节达到参考值的时间更短。从图9（c）中，可以看出，当KI=0.3时，调节过程出现等幅振荡。

图9　不同PI参数对应的脉冲幅度的调节波形图

我们最终选取具有合适调节时间的PI控制器参数：KP=0.01，KI=0.1，此时，PI算法的调节时间大约为4 s，增益波动幅度小于0.2 V。在实验室搭建的4路准分布式光纤振动传感系统设定好PI控制器参数后，调节不同的参考电压，观察4路脉冲波形。图10（a）为均衡之前的4路脉冲波形图；图10（b）为参考电压为1 V的时候，4路脉冲的波形图；图10（c）为参考电压为2 V时候，4路脉冲的波形图。通过图10（a）～图10（c）的对比，我们可以看出，原来幅度不一致的4路脉冲基本都达到设定的参考电压的幅值。

图10　四路脉冲波形图

4　总结

本文针对准分布式光纤振动传感系统采用时分复用技术以及在实际应用中，出现的脉冲增益存在差异及幅度缓变问题，提出了一种基于PI算法的增益均衡及稳定技术，通过FPGA控制可变增益放大器，合理设置算法的调节时间，在确保传感系统正常检测振动事件的同时，有效均衡了各传感通道的增益差异，而且消除了因光波偏振、相位等参数缓慢变化引起的幅度缓变。这种算法已经成功应用于准分布式光纤振动传感系统。实验结果表明，

选取合适的PI控制器参数KP=0.01，KI=0.1，PI算法的调节时间大约为4 s，增益波动幅度小于0.2 V。

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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，xhsun@seu.edu.cn。

Gains Equalization and Stabilizing among Different Channels for Quasi-Distributed Optical Fiber Vibration Sensor System*

HUANG Xinrui，SHI Haifeng，WANG Guangzhen，WANG Shuo，LI Mingming，PAN Chao，SUN Xiaohan*
（School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Aiming at the difference of gains among the different channels for the quasi-distributed optic fiber vibration sensor system，a method of gains equalization and stabilizing among different channels is purposed and implemented based on the PI arithmetic.Through figuring out a reasonable adjust time for the arithmetic，this method could eliminate the shift of the signal gain due to the slow fluctuation of the light polarization，phase，and other parameters with no influence of the vibration detection.Experimental results demonstrate that，the maximum gain difference of different channels is 1.6 V，the highest fluctuation of each channel is 2.3 V with the period of fluctuation is 0.23 hour.Figuring out a reasonable parameter for the PI controller with KP=0.01，KI=0.1，as a result，the adjust time of PI arithmetic is about 4 s with the fluctuation of the amplitude less than 0.2 V.

quasi-distributed optic fiber vibration sensor system；gain control；PI arithmetic；time division multiplexing

TN913.7

A

1005-9490（2016）03-0558-06

EEACC：7230；7230E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.012