分布式光纤传感系统在水库渗漏监测中的应用

尤泽杭，马晓明，高慧敏，孟繁韬

(天津中德应用技术大学 天津300350)

1 系统设计背景及意义

随着我国水资源开发与利用的发展，大坝安全性问题日益突显，大坝安全性检测技术就显得尤为重要。我国水库大多建于 20世纪 50至 70年代，由于当时的经济社会条件制约，普遍存在工程质量问题，加之长期维修管理不够，其中约 50%水库为病险水库，不仅不能正常发挥效益，而且存在较高的溃坝风险，严重威胁人民安全与社会的可持续发展。因此，定期对水库大坝进行安全监控，了解大坝安全状况，以便有针对性地对裂缝点采取措施，对于确保大坝安全和公共安全意义重大。渗漏是水利工程中最为常见的隐患，水库渗漏若未得到及时修复不仅是对于水资源的浪费，也会给下游人们带来极大的生命和财产威胁。因此，实时监控和反馈基础设备的当前状态极为重要。

2 硬件系统设计

硬件系统设计架构如图 1所示。该硬件系统主要由三大部分组成：光纤传感系统、FPGA芯片以及PC主机。通过光纤传感系统采集光信号，FPGA芯片对光信号进行模数转换，MFC对采集的信号进行高精度的数据分析和实时显示。

图1 硬件系统设计架构图Fig.1 Hardware system design architecture diagram

光纤传感系统由激光器发射出激光，光源经由光纤传递到调制器，由于受到外界环境的影响，使得传输的光信号的参数发生了变化，通过 FPGA对光信号的转换，传输到 MFC中对信号进行分析处理，得到了对应变化的外界测量参数。

2.1 光纤传感系统的构成

光纤传感系统主要由窄线宽激光器、声光调制器、函数发生器、掺铒放大器(EDFA)、环形器波光复用器以及光纤组成。

①超窄线宽激光器：发射大功率、频率稳定的激光。

②声光调制器：激光经过声光调制器后，在函数发生器的作用下变为光脉冲，调制器调制脉冲间隔保证一个脉冲沿传感光纤的散射光完全传输回接收端后再发射出下一个脉冲。

③掺铒光纤放大器(EDFA)：脉冲通过掺铒光纤放大器将发射和被传输回来的信号增强，实现远距离探测。

④环形器：可将输出和传回的光信号隔离开，互不影响。

⑤波光复用器(WDM)：输入的光信号通过WDM 到光纤中扩散。在扩散过程中，脉冲不停地与光纤中的微粒发生瑞利散射，形成散射光。

⑥光电探测器(PD)：光电探测器将散射光接收，经过光电探测仪后进行数据采集和信号分析

分布式光纤传感系统的主要原理是通过实时连续地对光纤附近的外界参量进行测量，在此过程中，将传输回来的数据进行时域、空间域和频域的分析。分布式光纤传感系统主要可分为全分布式和准分布式两类。在准分布式光纤传感中，光纤不能实现传感的功能，只能执行传光的功能。准分布式光纤传感器通过耦合器将多个独立光纤传感器串联或并联到一根光纤[1]，并借助计算机技术以及对应的光电探测器对解调信号进行处理并分析，由此来得到光纤探测范围内的参量。准分布式光纤传感器，具备较强的准确性，可以对所测量范围内不同的分布空间的参量进行测量，但在具体探测当中还存在着一定的盲区，往往需要进行多个传感器间的相互耦合，因此存在投资成本相对较高，结构繁复等缺点[2]。

全分布式传感器与准分布式传感器恰恰相反，它是将整个系统集中到一个光纤之上。所以，全分布式光纤传感器相较于准分布式光纤传感器来说，不存在所谓的检测盲区，监测范围更广，并且兼具传感功能，同时其自身结构并不是太复杂。

光纤在传输光的过程中，会产生光的散射，其产生主要的3种散射分别是布里渊散射、拉曼散射以及瑞利散射[3]。布里渊散射与晶体中的自旋波有关。拉曼散射的谱线仅与晶体结构有关，即只与振动和转动能级有关，与入射光频率无关，因此可以使用拉曼散射进行物质的鉴定和分析。瑞利散射是一种弹性散射，来自激发源的光子从溶液中的分子反弹出来，之后它们在许多方向上散射而不损失能量，其中一些散射又重复进入信号接收器，更重要的是瑞利散射通常出现在与当前完全相同的激发波段上。

2.2 FPGA芯片

采用以 FPGA芯片为核心的硬件平台，编写光信号触发采集驱动程序，实现高采样率的数据采集、数据传输和数模转换。数据采样频率为 250MHz，距离分辨率为0.4m，满足监测水库泄漏状况的需求。

2.3 ADS42LB69模数转换器

ADS42LB69为双路 16位 250Msps模数转换器，支持DDR和QDR LVDS接口。已缓冲模拟输入在大幅减少采样保持毛刺脉冲能量的同时，在宽频率范围内提供统一的输入阻抗。采样时钟时分频器可实现更灵活的系统时钟架构设计。ADS42LB69以低功耗在宽输入频率范围可提供出色的无杂散动态范围(SFDR)。

3 软件系统设计

上位机程序基于C++编程语言的MFC框架进行开发，主要完成对采集信号的处理，分析变化波形特征，并对干扰位置处进行时域、空间域和频域分析，最后将整理分析的数据通过可视化界面展示出来。

4 结 语

本文设计一种基于分布式光纤传感系统的水库渗漏监测系统。该系统以 FPGA为控制核心，使用光纤传感系统采集实时变化的光信号，使用 MFC开发上位机软件用于对数据高精度的分析和波形的显示。其频域分析结果精度高，探测范围广，数据采集效率高。通过实验验证发现，该系统的稳定性十分高，能够为水库渗漏提供一种高精度、范围广、效率高的监测方法。