基于分布式光纤传感器的管涌监测系统

崔光磊，衣文索，牛卫丛，张叶浩

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

我国是淡水资源相对匮乏的国家，且呈现明显的区域性和季节性，这导致我国不仅要建设大型水利工程实行跨流域调水解决缺水问题，还需要在汛期进行河堤巡视排除安全隐患。鉴于水渠与河堤距离长并且蓄意的盗挖土石、建筑施工误刨、年久失修、结构老化等造成堤内管涌或渗漏，这不仅是浪费水利资源，更容易引发生态污染，甚至决堤危机生命财产安全。因此迫切需要设计堤内管涌安防监测系统，以最大程度的减少决堤等重大事故的发生。传统的河堤安防方案实时性差，定位精度不高，堤坝一旦发生管涌，无法做出快速的预警及定位，发现渗漏点时往往已对堤坝造成一定程度的危害，使后期维护总处于被动阶段[1］。利用Mach-Zehnder干涉（以下简称M-Z干涉）光纤全分布式感知系统可对管涌及堤坝结构变化导致的纤芯微小应变进行探测；基于FPGA的数字信号处理系统采用高速双路AD模块及大容量高速SDRAM，滤波、解调采用并行运算，极大地提高了系统的实时性及定位精度，对灾害预警及事后抢修有着极其重要的指导意义。

1 系统原理

1.1 管涌渗漏形成原理

管涌渗漏的形成与水位深度和地质结构有关，随着水位的增加，堤防及河道所承受的压力也会增加，原始河道地质结构复杂，在黏土与砂砾为主的区段，由于颗粒孔隙不同造成透水程度不同，堤坝外侧部分区域承受的压力自然也就不同，如图1所示为管涌渗漏形成过程图。

图1 管涌渗漏形成图

如图1所示，水面高度A超过土层与砂层的交界面且土层覆盖较薄的点B时，B点承受的压力随水面A的升高而增加，当此压力超过黏土覆盖压力时，B点会出现渗水现象，渗水导致黏土孔隙增大进而使渗水更严重。如果不能及时控制渗漏，水会带出泥沙甚至导致决堤。

由以上分析可知，管涌的形成要经过一个渐变的过程，在这个过程中会使埋于C点的传感光缆所承受的压力发生变化。当管涌形成以后，湍急的水流引起的振动及地质结构的变化都将使光缆产生更明显的应变。

1.2 应变检测原理

相移型的分布式光纤应变监测系统是光纤在被测能量场的作用下，光纤内传输的相干光产生相移，然后利用相干干涉的方法将连续的相移转变为干涉条纹的疏密变化，也就是干涉光强弱的变化，最后由光电探测器将光信号转换为带有待测量的电信号，通过分析此电信号监测待测信息。基于M-Z干涉的光纤堤坝管涌监测系统是相移型中的一种，有应力作用于光纤时光纤长度、纤芯半径、折射率等参数将发生变化，这些改变将导致经过应变点的载波相位被调制产生相位差 Δφ[2，3］，应变对光纤结构及光相位的调制原理，如图2所示。

图2 光纤结构变化及光相位调制图

对于图2系统中铠装光缆，当其入射光波振幅为E0，频率为ω，初始相位差为φ0时，理想状态下纤芯无应变产生时，输出载波Eout将表达式为：

铠装光缆Z点在应变引起的扰动波S(t)作用时，传感光纤产生的形变将导致其局部参数发生连续变化。载波沿传感光纤通过应变点时相位被调制，产生相位延迟，由于相位φ=β×L，则载波在S(t)作用下产生的相位差Δφ表达式为：

式中，L是探测光路距离、r是光纤半径、n为折射率，β为载波在单模光纤轴心径向的传输常数，此常数由光纤折射率与纤芯半径共同决定。上式中第一部分是光隙效应导致折射效率改变引发的相移；第二部分是泊松效应引发单模光纤的纤径改变产生相移；第三部分是应变效应导致光纤长度改变引起的相移[4，5］。

理想状态下，当光纤受到应力作用时，产生相位差Δφ，则出射光波Eout表达式为：

M-Z光纤干涉系统的感知光路由探测与对比两个光路组成，其中传输的两相干光分别称为传感光与对比光，两束光的初始相位差为π/2。通过以上分析可知传感光经过应变点产生相位差Δφ时，则两相干光的相位差变为Δφ+π/2。当前对于相位差Δφ无法通过光学仪器直接测量，只能通过干涉法间接测量。理想状态下无应变时相移为π/2的传感光和对比光的干涉强度最大，实验中传感光受环境噪声和应力影响产生时刻变化的相位差Δφ，这也导致干涉光强度的连续变化，故可通过分析传感光与对比光干涉的强弱变化得到相位差的变化。

1.3 定位原理

标定应变点是管涌监测效果好坏的重要指标，参考单路M-Z干涉搭建的光纤全分布式应变监测系统虽然可以感知管涌发生却无法确定管涌点，仅适用于小范围的安防监测。该系统设计了改进型双M-Z干涉光纤管涌监测系统包含顺时针方向与逆时针方向两路M-Z干涉系统可以实现感知和定位[6，7］。总体设计中光学部分可拆解为等效的两路M-Z干涉系统，如图3所示。

图3 双M-Z干涉系统等效光路图

如上图所示，λ为1550nm的窄带连续光源发出的光束经3dB耦合器O1按1∶1分成相位差为π/2的两束载波，一路沿顺时针方向通过C1、L1、O3和传感光纤后在O2处产生干涉，另一路沿相反方向经过C2、O2和传感光纤后在O3处产生干涉。当应力S(t)作用于传感光纤上Z点时，载波相位在Z点被调制，调制光波沿顺时针方向传输时在O2处产生干涉，干涉信号通过C2后经PIN光电探测器P1产生光生载流子，假设应变点Z到O2距离是x，元件之间均通过0.5m光纤跳线连接可以忽略不计，则顺时针方向调制光波到P1的光程是x，传输时间是t1。调制光波沿相反方向传播时在O3处产生干涉，干涉信号通过L1和C1后进入光电二极管P2，则逆时针方向调制光波到P2的光程为L2-x+L1，传输时间为t2，其中L1、L2、L3相等都计为L[8］。

通过以上分析可知调制光波沿顺、逆两个方向到达探测器的光程不同，其光程差ΔL表达式为：

同理探测器接收到应变信号也存在时间延迟Δt，其表达式为：Δt=t2-t1

因此可通过探测器接收时间差计算出光程差ΔL=Δt×c/n，进而通过式（7）确定扰动点到O2的距离实现定位。

1.4 信号分选原理

探测器干涉信号的规律与应变的变化特征相同，当应变以特定的振幅、频率变化时，干涉信号呈现明显的相似性。干涉信号当前没有合适的仪器能对其直接进行分析，由于光电探测器的输出电流信号与干涉光强存在线性关系，干涉信号可通过光电探测间接测量，经调理后得到的电信号为一定频率范围、振幅有限的正弦信号。管涌渗漏导致的电信号实际是不同频率正弦信号的互相调制，因此可通过频率分选机制将管涌导致的不同程度渗漏分离出来。

走过、踩踏及敲击能产生三种不同的振动信号，且能造成光纤不同应变程度，实验中先通过以上三种信号验证该频率分选系统是否合理。图4中（a）、（b）、（c）为以上三类信号产生应变后经干涉、光电转换、调理及频率分选后得到的波形。

通过以上实验验证该频率分选系统可以对不同振动程度引起的应变进行检测与分离。

图4 频率分选波形

图5 管涌模拟实验

依据管涌形成过程中流过渗漏点的流量不同设计模拟实验，将用海绵包裹的传感光缆固定于水池底部，在距离传感光缆1米处从水池底部向上喷水，如图5所示，（d）（e）（f）为逐步增大的喷管流速模拟管涌的初、中、后三个阶段，通过图中数据可以发现不同流速所造成的振动信号的振幅及频率不同，因此该信号处理方法可应用于管涌检测系统。

2 系统结构与程序框图

2.1 系统方案

本系统采用参考双M-Z干涉的光纤全分布式应变感知结构，该光学结构将应变调制成干涉信号输出；经同侧正、逆两方向探测器转换为电信号；再由调理及频率分选后利用高速AD采样模块将模拟信号转换为数字信号，之后进行数据存储与解调；最终通过千兆以太网传输解调信息至PC端进行定位信息输出及声光报警。系统如图6所示。

图6 系统整体结构图

2.2 信号调理及频率分选系统电路图

信号分选系统由光电转换、跨阻放大、信号跟随、高通和低通滤波及幅值放大组成。PIN光电探测器是加入I本征半导体的反向偏置PN结，无需偏置电压快速产生以高漂移速率运动的载流子形成光电流，光生载流子经由运放搭建的跨阻放大器后转变为可处理的电压信号。稳定状态下无应变产生时，上述电信号为频率十分低的正弦信号，应变与地噪声导致的高频信号调制到低频正弦信号上。应变剧烈程度不同所导致的对应高频分量频率各异，通过高低通滤波器设置不同的频率上下门限实现信号分选。信号调理及频率筛选系统部分电路原理图，如图7所示。

图7 信号调理及频率分选系统电路

2.3FPGA系统框图

Xilinx与Altera是FPGA主要生产商，本系统选用后者高性价比Cyclone V系列EP4CE15完成解调。由两片12位位宽，采样频率为50MHz的AD9226完成模数转换，之后该系统通过DDR2接口挂载1G的SDRAM用于数据的存储以备解调调用，最后通过千兆以太网将解调信息发送至上位机完成管涌点标定及声光报警[9］。其结构如图8所示。

图8FPGA系统框图

3 系统误差分析与数据处理

本系统所用λ为1550nm的连续载波于单模光纤内的传输速率V=C/n，C为光在真空环境内的传输速率，n为单模光纤的折射率，本系统所选用非保偏单模光纤折射率n≈1.5，则V≈2×108m/s。由于选用非保偏单模光纤，所以影响干涉信号的因素除应变导致的相位偏移外，还有双折射导致偏振衰落。

信号分选电路部分均选用同参数同批次器件，由于工艺及焊接问题两路信号存在一个基本固定的时间差，这部分导致的误差可通过定点标定解决，故不将其列入最终误差。

模数转换及数字信号处理阶段可能存在时间延时导致的误差，由于高速AD采样存在固定的采集频率50MHz，即20ns的转换周期，在20ns内载波在光纤中的传输距离约为4m，故AD采样导致的单点偏移误差为4m。

FPGA是现场可编程门阵列的简称，不存在机器周期，而是通过逻辑语言实现硬件电路设计。该架构通过DDR2接口挂载SDRAM的读写速率均高于100MHz，故FPGA数据存储及解调部分不存在延时误差[10］。

若忽略铠装光缆所标距离与实际距离的差距，根据以上分析可得，该系统仅存在由偏振引起的偏移误差。在常温条件下，2公里光缆长度，通过三种接触方式模拟不同程度管涌导致的应变干涉信号，实验结果如图9所示。

图9 实验数据波形

4 结论

采用1550nm波长的连续激光器作为光源，通过双M-Z干涉分布式光纤应变检测系统感知应变，并利用FPGA完成数据存储与相关解调，定位事故点。通过实验数据分析可以得出：该系统可对不同应变信息加以分析，由于管涌初期应变程度较小，类似于走过光缆导致，因此此系统可实现管涌监测及定位，误差约为±8米。

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