基于电力系统监测的光纤光栅传感器采集装置研究

吴卫东，杜蔚然，谢加荣

(1.安徽响水涧抽水蓄能有限公司，安徽 芜湖 241083； 2.南京南瑞水利水电科技有限公司，江苏 南京 211106；3.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211106)

电力系统状态监测的目的是采用有效的检测手段和分析诊断技术，及时、准确地掌握设备运行状态，保证设备的安全、可靠和经济运行。为保证电力系统的安全运行，需对系统的重要设备的运行状态进行的监视与检测。监测目的是及时发现设备的各种劣化过程的发展，以求在可能出现故障或性能下降到影响正常工作之前，及时维修、更换，避免发生危及安全的事故。

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)传感器具有体积小、灵敏度高、不受电磁干扰、可靠性高、成本低、易于集成等优点，被广泛应用于水利、电力、交通等领域[1-3]。随着光纤光栅传感技术的发展与日趋成熟，其凭借很多传统监测技术所不具备的优点而被认为是动态监测首选的传感形式，目前已成为工程结构动态监测研究的热点[4]。在电力行业中，光纤光栅传感技术在发电机定子测温、水电站大坝安全监测、输电铁塔结构状态监测等领域都有非常重要的作用。

为使用光纤光栅传感器对相应的物理量(温度、摆度、压力、流量等)进行测量，需要对传感器反射波长进行解调。光纤光栅传感解调技术主要是对传感器反射波长信号进行分析，从而得到相应的物理量及其变化量。一个完整的解调系统方案对于光纤光栅传感技术在工程上的应用非常重要，目前主要的解调方法：匹配光栅法、边缘滤波解调法、光谱仪解调法和可调谐F-P滤波器解调法等[5-14]。本文采用了可调谐F-P滤波器解调法，将其用于光纤光栅传感器采集装置的研制。

1 光纤光栅解调的原理和解调方案对比

1.1 解调原理

ASE宽带光源入射到光纤布拉格光栅上，入射波长满足布拉格条件：

λB=2neff∧

(1)

式中，λB为光纤光栅反射光中心波长；neff为光纤光栅的有效折射率；∧为光栅的周期。

满足上述布拉格条件的光将被反射，不满足的光则发生透射。

当相应的物理量(温度、摆度、压力、流量等)发生变化时，neff和∧会随之改变，从而会导致光纤光栅中心反射波长发生变化，变化量ΔλB为：

ΔλB=2Δneff∧+2neffΔ∧

(2)

式中，ΔλB为布拉格波长的变化量；Δneff为光纤光栅的弹光效应引起的变化；Δ∧为光纤光栅的弹性形变伸缩量，这是由外界应力作用引发的。由该式可知，Δneff和Δ∧与待测物理量之间呈线性关系。

因此，光纤光栅解调的基本原理是通过测量和解调反射波中心波长的大小和改变量，推导计算出外界物理量的变化。

1.2 典型解调方案对比

1.2.1 光谱仪解调法

光谱仪解调法即使用光谱仪等光学仪器直接测量光纤布拉格光栅反射光谱的波形，进而检测出中心波长，其原理如图1所示。

图1 光谱仪解调法Fig.1 Spectrometer demodulation method

宽带光源的入射光通过环形器入射至光纤光栅中，其反射光通过环形器进入光谱仪，通过光谱仪直接显示光纤布拉格光栅反射光谱的波形，检测出中心波长。该解调方案简单、精度高，但是成本高，检测速度太慢，无法满足工程高速解调需求。

1.2.2 匹配光栅解调法

匹配光栅解调法主要使用一个参考光栅进行匹配，参考光栅与光纤光栅特性完全一致，只有在特定波长范围内的反射光信号才能通过参考光栅反射。匹配光栅解调法分为透射式和反射式2种，其原理如图2所示。

匹配光栅解调法结构简单，精度高，但是需要匹配光栅与传感光栅对应匹配，在大量使用光纤光栅传感器的实际工程中，必须使用多个匹配光栅，其驱动电压也不相同，会导致精度和解调速度显著下降。

1.2.3 边缘滤波解调法

边缘滤波解调法的原理主要是检测入射光和反射光的功率强弱变化，如图3所示。

图3 边缘滤波解调法Fig.3 Edge filter demodulation method

宽带光源的入射光通过环形器入射至光纤光栅中，其反射光通过环形器进入光耦合器后，一路进入边缘滤波器后，再进入光电探测器，另一路直接进入光电探测器。两路信号相除，得到中心波长的变化量。该解调方案计算速度较快，使用成本较低，但受外界环境因素和边缘滤波器稳定性影响较大，会产生较大误差。

1.2.4 可调谐F-P滤波器解调法

可调谐F-P滤波器解调法又称可调谐Fabry-Perot滤波器解调法，所需设备体积较小，成本相对较低，计算速度快，范围宽，精度较高，适用于工程应用。

2 可调谐F-P滤波器解调系统方案

此方案利用可调谐F-P滤波器法来获得光纤光栅的中心波长。可调谐F-P滤波器解调原理如图4所示，ASE宽带光源输入可调谐窄带光纤F-P滤波器，通过锯齿扫描电压控制压电陶瓷改变滤波器中F-P的腔长，从而改变F-P滤波器的导通频带，实现窄带扫频光输出[11]。F-P滤波器输出的窄带光对光纤光栅的整个自由光谱范围(FSR)进行扫描。波长与光纤光栅的中心波长接近的窄带光会被反射回F-P滤波器，其他的窄带光都会被透射。反射回F-P滤波器的光进入光电转换电路被转换成电信号。由于光纤F-P滤波器的导通频带很窄，当光纤F-P滤波器的导通中心波长与某一光栅的布拉格波长一致时，这个信号为最强。信号的峰顶对应于从这一光纤光栅反射回的波长[15]。光电转换信号经过数据采集系统后，由计算机进行寻峰和波长计算。

图4 可调谐F-P滤波器解调原理Fig.4 Demodulation principle of tunable F-P filter

一般情况下，理论上可以近似认为，透射波长与加在可调谐F-P滤波器上的锯齿扫描电压成线性关系。但是在实际应用中，由于可调谐F-P滤波器自身的特点，比如F-P腔的温度漂移性，压电陶瓷(PZT)的蠕动性和迟滞性，造成在相同锯齿波电压控制下，每一个扫描周期内，透射波长均会发生漂移，中心波长变化曲线会改变，无法得到特定锯齿波电压下F-P滤波器输出光的中心波长，造成系统误差[16]。本解调系统采用具有稳定且已知反射波长的F-P标准具作为参考，对解调系统进行校正，以减少上述原因造成的误差，提高波长检测的精度。宽带光源输出的光经过F-P滤波器，输出窄带光，通过耦合器一分为二，一路进入光纤光栅传感器，另外一路进入标准具，经过解调得到确定波长的一系列光峰值，将其作为参考标准值。

光纤光栅反射波长在解调时，用上述参考标准值进行插值，便得到了一系列的光纤光栅反射波长的峰值。

3 解调算法实现

3.1 寻峰算法选择

为提高光纤光栅波长解调精度、扩大FBG应用领域，优化的高精度寻峰算法是研究中的重要手段，寻峰算法的性能直接对系统的检测精度造成影响。直接数字滤波对波动较大的情况，如峰值点附近功率大幅度跳变、峰值附近有较多噪声等的FBG反射谱处理效果较差，这种情况下，如果直接将滤波后的FBG反射谱最大点作为待求峰值点，会造成较大误差。因此，需要采用精度更高的寻峰算法对数据进行处理。

在数据处理过程中，整个FBG反射谱数据拟合点数多、计算量大，如果直接对其进行寻峰，会降低处理效率，在大容量FBG检测中甚至会造成部分数据的丢失。为了减少资源浪费、提高解调速度，可以选择反射谱各个峰值点附近部分数据进行处理，即如图5所示的阈值。

图5 寻峰算法阈值的选择Fig.5 Selection of threshold value of peak searching algorithm

图5中，选择峰值点附近部分数据，即A与B、C与D之间的数据进行寻峰计算。

离散数据常见的寻峰算法有直接比较法、质心法、多项式拟合法、高斯拟合法等[13-14]。

3.1.1 直接比较法

直接比较法是一种简单直接的寻峰算法，其核心是通过逐次比较的思想来获得信号曲线的最大值。首先如图5选择一个阈值范围，设定一个初始峰值，并将其存放在设定的寄存器之中。初始值设定完成后，将采集到的数据与初始预设值相比较，若采集得到的数据大于初始峰值，则将采集到的数据设为峰值，作为下一次用来比较的峰值，依次循环，假设对于每个光栅的反射信号，A/D芯片总共采集了N组数据，那么将N组数据依次做完比较之后，最终可以得到反射信号的最大值，也就是峰值。

在实际应用中，光栅反射信号会有不同程度的噪声，在峰值附近会有畸变，对直接比较法的精度有很大影响，且直接比较法是一个循环计算的过程，会受到A/D采样精度及采样速率等因素的影响。因此，直接比较法的测量精度低、稳定度差，最终得到的峰值误差较大，不适合在对精度要求很高的工程中应用，仅可用在对精度要求较低的场合。

3.1.2 多项式拟合法

一个复杂的多项式可以“过拟合”任意数据，是多项式函数可以接近于任何函数。多项式拟合法是用连续曲线逼近光栅反射信号的一种数据处理方法，光栅反射信号的波峰曲线符合多项式曲线的特征，因此可以用多项式进行拟合：

fn(x)=a0+a1x+…+anxn

(3)

光栅反射信号光谱除了可以用多项式拟合进行逼近，也可以进行高斯曲线拟合，通过求解相应的高斯函数即可得到光栅反射信号所有波峰的位置，光栅反射信号光谱曲线可以用如下高斯函数表示：

(4)

式中，f0为反射信号光谱的强度；λm为反射谱峰值波长；Δλ为反射谱的3 dB带宽值。将上式两边取对数，可以得到反射谱所有的峰值点。

3.1.4 质心法

质心法又称功率加权法，A/D采集到传感器的功率值后，通常数值大的点接近峰值位置，而数值小的点远离峰值位置。假定A/D采集到的这些离散点是有质量的，其数值代表质量大小，那么可以将离散采样点构成波形的“质心”的横坐标认为是波形的峰值位置。算法实现是将FBG反射光的功率作为加权系数来计算波长的加权平均值，这样就得到反射光功率在波长方向的质心位置(反射谱的中心波长值)。设Pi为光纤光栅反射光功率采样值，Ni为当前窄带光序列号，N为波形质心的点序号，其计算公式为：

(5)

3.2 算法仿真

在Matlab中编写算法，对同一个光栅反射信号光谱曲线，先取一个峰值点附近部分数据，借助Matlab中的Curve Fitting Tool工具，分别使用多项式拟合法、高斯拟合法和质心法进行仿真，观察拟合的曲线特征，仿真结果如图6所示。

图6 拟合曲线Fig.6 Fitting curve

由图6可以得到，对于一个峰值点附近部分数据，高斯拟合法和质心法的拟合曲线光滑，拟合度好，而多项式拟合法相对拟合度较差。因此，多项式拟合法不适用于本装置的寻峰算法。下一步选择完整的光栅反射信号光谱，分别使用质心法和高斯拟合法进行寻峰。

在Matlab中分别编写质心法和高斯拟合法寻峰算法程序，对完整的光栅反射信号光谱进行寻峰，由图7所示，总体来看，反射信号曲线比较平滑，放大观看有少量畸变，此时高斯拟合法可以通过拟合将畸变消除，形成极为光滑的曲线。

图7 仿真结果Fig.7 Simulation results

与质心法相比，高斯拟合的曲线相对更为平滑，而且噪声引起的波形畸变对其寻峰算法影响相对更小，但是在仿真过程中，由于高斯拟合法需要对每一个峰进行曲线拟合，而光栅反射信号光谱有50个左右的峰值，一次寻峰需要同时对这些曲线进行拟合，然后再计算出峰值，计算量极大，这就导致了每一次寻峰计算所需的时间多，在Matlab仿真中发现，每一次对光栅反射信号光谱的寻峰需要2～3 min才能全部计算完毕，这就意味着在高速动态光纤光栅解调中，高斯拟合法无法得到良好应用。而质心法虽然受噪声的影响略大，但是计算速度快，经过Matlab计算可以得到，其精度也与高斯拟合法接近。

柳红不响。苏秋琴说：“你担心什么呢？白天明敢在城里找野女人，我就敢给他戴绿帽子；再说在城里你只要掰掰大腿就是钱，钱来得不要太容易呵。”

综合上述比较，在本装置中选择质心法作为寻峰算法。

3.3 FPGA解调系统实现

本光纤光栅传感器采集装置在实际工程应用中，需要满足16通道同时采样，测点量大、计算较复杂。此外，可调谐F-P滤波器解调要求对不同光纤光栅传感器网络进行高速扫描、采样和分析，数据量大，IO接口数量多，常见的处理器等难以满足。FPGA(现场可编程门阵列)具有并行处理、高速运行、IO资源丰富的特点[12]，因而在本装置中得到应用。

光纤光栅传感器采集装置系统结构如图8所示。FPGA主要完成FP滤波器驱动控制、ADC采样控制、UART通信、开出控制、IRIG-B解码等功能。其中，FP滤波器驱动控制是通过DAC和驱动电路实现的，驱动电路输出锯齿波扫描电压，驱动F-P滤波器，得到窄带扫频光源，窄带光一路进入标准具，另一路进入16路传感器通道，得到标准具通道的透射光和传感器通道的反射光，然后再经过光电二极管转换为电信号。ADC采样控制是通过直接对ADC采样的数据进行处理实现的。光电转换输出的信号经过放大、滤波等信号调理，进入ADC进行采样，FPGA对采样数据进行计算处理。CPU负责系统配置和通信，计算后的数据通过CPU转换成相应的物理量，由CPU与上位机通信进行读取。

图8 光纤光栅传感器采集装置结构Fig.8 Structure of FBG sensor collection device

ADC采样控制逻辑如图9所示。FPGA读取ADC采集到的数据，FPGA将采样值存入FIFO中，根据FIFO中的采样值，检测波形的上升沿和下降沿，然后将采集到的信号进行阈值的截取，得到如图7所示的质心法计算的范围。然后再根据式(3)分别计算出各个峰的峰值点序列值。

图9 ADC采样控制逻辑图Fig.9 Sampling control logic diagram of ADC

得到峰值点序列值以后，需要使用标准具的参考标准值对其进行插值计算，才能转换得到峰值点序列对应的实际波长值。

假设峰值点(N，λ)位于参考标准峰值点(N1，λ1)和(N2，λ2)之间，由于参考标准峰值点的波长λ1和λ2已知，可以使用插值法求得λ的值。这样就可以得到峰值点序列对应的全部波长值。

4 装置设计

4.1 总体设计

光纤光栅传感器采集装置的总体设计如图10所示。光纤光栅传感器串接成链路后，通过通信光缆接入光纤光栅传感器采集装置，该装置采集处理数据后通过以太网上传至上位机进行分析，然后通过有线或者无线网络传输进入远程管理计算机。

图10 总体设计Fig.10 General design diagram

装置中的光学检测模块负责对通过光纤接口接入的光纤光栅传感器进行光学检测。主控模块对光学检测模块提供FP滤波器驱动、光电转换、数据采样、分析处理和显示。

4.2 硬件设计

主控制模块用于控制光学检测系统，读取检测数据，分析处理检测数据，与上位机进行通信，与人机交互模块进行通信等。该模块接收来自人机交互模块的指令，控制光学检测系统工作，待测量完成后，读取测量数据并传输给人机交互模块，主控制模块如图11所示。

图11 硬件设计Fig.11 Hardware design diagram

4.3 软件设计

4.3.1 软件主要功能

(1)参数设置功能。装置参数(如扫描频率、通道数量及传感器校准等)可根据需求进行设置，该功能在“停止”模式下进行。

(2)数据测量与计算功能。首先读取FGPA的采集数据，并进行数据分析、计算与后续处理。

(3)数据及图形显示功能。测量与采集数据可通过串口屏进行显示或上送上位机显示与后续处理。

(4)数据通信处理功能。装置具有Modbus与MMS通信接口，以方便进行远程数据监测与数据查看。

4.3.2 软件架构

嵌入式软件采用多进程多线程的软件结构方式(图12)，分为主进程、串口屏通信进程、Modbus通信进程及MMS通信进程。各进程通过共享内存与信号量的方式进行数据交互、资源共享与同步。

图12 软件架构Fig.12 Software architecture diagram

5 实验测试结果

完成光纤光栅传感器采集装置的样机研制之后，对装置进行如下测试，测试结果显示在装置的液晶触摸屏和上位机软件上。

5.1 波长测量范围测试

使用标定波长范围为1 525～1 565 nm的F-P标准具分别连接至装置的各个通道上，验证装置的波长测量范围。在装置的液晶触摸屏上可以得到F-P标准具谱(图13)，波长为1 525～1 565 nm，完全满足工程需求。

图13 光谱显示Fig.13 Spectrum display diagram

5.2 波长精度测试

为测试装置精度，在25 ℃下，使用Si255光纤光栅解调仪和光纤光栅传感器采集装置同时对F-P标准具进行不间断多次测量，每个通道记录200次测量结果，计算平均值、摆动幅度和标准差，并进行对比，得到装置各通道的波长精度，统计结果见表1(限于篇幅，本文仅取其中一个通道的部分数据)。

表1 测量数据记录Tab.1 Record of measurement data

由表1可以得到，该装置测量平均值(表1中的平均值)与Si255光纤光栅解调仪测量平均值(表1中的标准值)非常接近，最大仅有0.5 pm的差距，各通道各波段测量结果的标准差均在0.5～0.8 pm，这证明该装置有很好的工作稳定性。另外，本装置测值数据的摆动幅度均不超过4 pm，测量精度较好，满足电力系统监测测量精度在5 pm以内的要求。

6 工程现场应用和结论

本装置研发完成后，已经在华能澜沧江水电股份有限公司乌弄龙水电站得到工程应用，该装置是全国首套基于光纤光栅传感原理应用于发电机定子测温的装置。目前已在乌弄龙水电站现场运行1年多时间，运行状态良好。

本文根据可调谐F-P滤波器解调系统方案，结合FPGA资源丰富、高速处理的特点，采用质心法寻峰计算，研制了光纤光栅传感器采集装置，该装置实现了16通道高速解调，性能稳定，测量精度高，完全满足工程应用的需要。