0 引言

    光纖傳感器可探測光纖鋪設(shè)沿線任意點(diǎn)的振動(dòng)信息，其中干涉型傳感器光纖中光功率損耗小，適用于復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測、周界安防等^[1]。基于雙馬赫-曾德爾干涉結(jié)構(gòu)的分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)具有檢測距離長、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)^[2]。很多研究者對此技術(shù)進(jìn)行開發(fā)并已取得一定成果，但仍存在檢測慢、誤差較大等問題^[3]。多數(shù)研究者在采集數(shù)據(jù)后算法部分由上位機(jī)完成，這樣將大大增加一個(gè)計(jì)算過程的時(shí)長。而FPGA運(yùn)行速度高，有很高的靈活性，在處理數(shù)據(jù)吞吐量大、速度高等問題上具有明顯優(yōu)勢^[4]。基于這些優(yōu)點(diǎn)，本文以FPGA為平臺，設(shè)計(jì)了一種基于馬赫-曾德爾干涉技術(shù)的光纖振動(dòng)定位安防系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 定位原理

    系統(tǒng)中光路模型如圖1所示。

    圖中L₁、L₂分別為振動(dòng)臂和參考臂，L₃為導(dǎo)引光纖，C1、C4、C5為光耦合器，C2、C3為光環(huán)形器。光路模型以雙馬赫-曾德爾光纖干涉技術(shù)為基礎(chǔ)，假設(shè)振動(dòng)臂上距離C4 R處發(fā)生一入侵行為，振動(dòng)位置為^[5]：

式中c為光速，n為光纖的折射率，L₁、L₃為固定值，因此只需測兩路信號到達(dá)兩探測器的時(shí)間差t_Δ即可求得入侵位置R。

    系統(tǒng)精度可由相鄰兩采樣點(diǎn)之間的時(shí)長即采樣周期時(shí)長求得，即：

1.2 振動(dòng)信號分析

    實(shí)際應(yīng)用中外部因素會(huì)影響信號質(zhì)量，需首先對信號進(jìn)行分析以得到振動(dòng)信號的特征以保證算法可行性。本文使用FPGA結(jié)合高速ADC對振動(dòng)信號和底噪進(jìn)行采集，使用MATLAB對所采集信號進(jìn)行頻譜分析。經(jīng)多次采集分析得振動(dòng)信號的頻率范圍主要分布在200 Hz到10 kHz，且振動(dòng)信號的幅度遠(yuǎn)大于噪聲幅度。據(jù)此可設(shè)計(jì)對應(yīng)的濾波器濾除噪聲而只保留振動(dòng)信號。圖2和圖3分別表示某次入侵振動(dòng)信號波形和頻譜。

1.3 定位算法設(shè)計(jì)

    經(jīng)濾波處理的兩路波形形狀仍相似度很高且信號時(shí)間延遲不變，故可采用互相關(guān)算法處理該信號求得兩路信號時(shí)間差。互相關(guān)公式如式(7)所示：

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及程序框圖

2.1 系統(tǒng)框圖

    基于以上分析，可設(shè)計(jì)出如圖4所示系統(tǒng)。

    光路中振動(dòng)發(fā)生后的干涉光信號轉(zhuǎn)換為電信號后經(jīng)調(diào)理電路，由FPGA高速采集板采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行算法處理，可由上位機(jī)顯示檢測結(jié)果。

2.2 主要算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

    FPGA程序框圖如圖5所示。

    為定位振動(dòng)位置，首先要判斷哪段信號為振動(dòng)信號。光纖在靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致所采集數(shù)據(jù)的離散程度增大，因此可使用方差算法得到振動(dòng)的起始點(diǎn)。設(shè)計(jì)中持續(xù)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差計(jì)算，并設(shè)置方差閾值，若連續(xù)多次計(jì)算結(jié)果均大于該閾值，則判斷振動(dòng)發(fā)生，之后所采集到的一段數(shù)據(jù)即為振動(dòng)數(shù)據(jù)，每次振動(dòng)時(shí)長為500 ms以上，若按10 MS/s采樣率計(jì)算，每次可采集最少5 000 000個(gè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可滿足互相關(guān)模塊進(jìn)行多次運(yùn)算。因此在FPGA中設(shè)計(jì)方差程序?qū)φ駝?dòng)進(jìn)行判斷。圖6為設(shè)計(jì)的FPGA程序中方差的結(jié)構(gòu)圖，圖7為Quartus II中設(shè)計(jì)的方差模塊頂層圖。

    判斷振動(dòng)發(fā)生后將此后經(jīng)過濾波的信號送到互相關(guān)運(yùn)算模塊。本文設(shè)計(jì)了一種并行計(jì)算的互相關(guān)結(jié)構(gòu)，不需存儲且可實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算。由于主要振動(dòng)信號低頻約為200 Hz，需至少對信號進(jìn)行一個(gè)周期即50 ms的采集，若采用10 MS/s采樣率，該結(jié)構(gòu)即可在50 ms內(nèi)對500 000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理完成一次互相關(guān)計(jì)算，則一次振動(dòng)可進(jìn)行約10次互相關(guān)計(jì)算。圖8為設(shè)計(jì)的FPGA程序中互相關(guān)的結(jié)構(gòu)圖，圖9為Quartus II中互相關(guān)模塊頂層圖。

    一次計(jì)算結(jié)果不足以證明該位置發(fā)生了振動(dòng)，刮風(fēng)下雨等情況可能導(dǎo)致整個(gè)振動(dòng)臂發(fā)生振動(dòng)，為排除這種情況影響，對連續(xù)10次互相關(guān)結(jié)果進(jìn)行記錄，共耗時(shí)約500 ms。若10次中有超過5次結(jié)果一樣則判定該位置發(fā)生了入侵行為。這種簡單的處理有效地避免了很多非入侵情況造成的誤觸發(fā)。圖10為Quartus II中互相關(guān)結(jié)果處理模塊頂層圖。

    互相關(guān)計(jì)算結(jié)果為兩路數(shù)據(jù)延遲的點(diǎn)數(shù)，因此需根據(jù)采樣率、光纖折射率、光速等值將延遲點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的振動(dòng)位置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    根據(jù)以上分析和設(shè)計(jì)，制作了一套實(shí)驗(yàn)裝置。裝置系統(tǒng)中光路部分使用市面上普通8芯光纜，鋪設(shè)于小區(qū)圍欄之上，振動(dòng)臂總長約160 m。光電轉(zhuǎn)換部分使用PIN激光管。這種激光管相較于大多系統(tǒng)使用的PINFET光電探測器具有更高的抗噪性，且成本更低。耦合器和光環(huán)形器收納于尾纖盒中以免受外界干擾和破壞。

    系統(tǒng)電路部分置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用ADI公司高速ADC AD9643，雙路采樣時(shí)每路采樣率最高125 MS/s，測試中設(shè)置ADC采樣率為100 MS/s，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行下抽，使數(shù)據(jù)速率即實(shí)際采樣率為f=10 MS/s，則系統(tǒng)定位精度為：

    FPGA使用Altera公司CycloneIV系列產(chǎn)品EP4CE115F23I，這款FPGA芯片價(jià)格低廉，引腳多，邏輯資源豐富，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。開發(fā)軟件使用Altera公司的Quartus II 。通過JTAG將程序下載進(jìn)FPGA，用signalTapII對各模塊關(guān)鍵信號進(jìn)行抓取驗(yàn)證。圖11為方差模塊信號波形，圖12為采集到的振動(dòng)波形及互相關(guān)信號波形圖，可看出兩路波形相似，有很高的相關(guān)性。

    經(jīng)觀察抓取的信號進(jìn)行調(diào)整，使FPGA工作時(shí)序與設(shè)計(jì)相符。之后進(jìn)行整體功能測試。整體測試中以小區(qū)大門為0起點(diǎn)，對鋪設(shè)的光纖每隔10 m一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行多次測試，測試時(shí)采用手握或敲擊光纖等方式來模擬入侵動(dòng)作。圖13為使用MATLAB繪制70 m處某次互相關(guān)計(jì)算的結(jié)果。

    為方便觀察，將定位結(jié)果上傳到上位機(jī)，每次測試可直觀地觀察定位結(jié)果。圖14為某次100 m處振動(dòng)測試的結(jié)果的上位機(jī)顯示。

    由于使用的光纜外層較硬，測試時(shí)測試點(diǎn)的振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)附近一段光纖振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)定位偏差，因此需對每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行大量測試觀察實(shí)際的定位偏差。表1為其中3個(gè)測試點(diǎn)測試得到的定位結(jié)果，每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了100次測試。

    由上測試結(jié)果可看出該系統(tǒng)具有較穩(wěn)定的報(bào)警，誤報(bào)漏報(bào)率小，系統(tǒng)定位誤差穩(wěn)定在入侵位置左右10 m之間，滿足長距離安防需求。

4 結(jié)論

    本文以FPGA為平臺，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)時(shí)定位的分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)，算法處理在硬件中完成，防區(qū)上發(fā)生振動(dòng)時(shí)系統(tǒng)能在500 ms左右做出響應(yīng)并給出定位，而入侵動(dòng)作為秒級，因此幾乎在振動(dòng)的瞬間即可做出反應(yīng)。根據(jù)實(shí)際需求，上位機(jī)可有可無，因此節(jié)省了成本，提高了裝置便攜性。實(shí)測結(jié)果表明，設(shè)置采樣率為10 MHz，系統(tǒng)精度為±10 m，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)采樣率。但實(shí)際環(huán)境常常較為復(fù)雜，可能導(dǎo)致不確定性觸發(fā)，故后期可增加其他算法排除此類情況。

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作者信息:

羅義軍，方  理

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢430072）