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      混合干涉型分布式光纖傳感器PGC信號(hào)解調(diào)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

      2015-06-27 12:02:44谷小紅楊其華
      應(yīng)用光學(xué) 2015年4期
      關(guān)鍵詞:低通濾波器載波分布式

      朱 俊,王 強(qiáng),谷小紅,楊其華

      引言

      光纖傳感技術(shù)[1]是近年來發(fā)展起來的尖端監(jiān)測技術(shù),具有(準(zhǔn))分布式、長距離、實(shí)時(shí)性、耐腐蝕、抗電磁、輕便靈巧等優(yōu)點(diǎn),因而已引起管道泄漏及結(jié)構(gòu)監(jiān)測界的廣泛重視,成為管道監(jiān)測領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)[2]。在干涉型光纖傳感管道泄漏檢測系統(tǒng)中,信號(hào)解調(diào)技術(shù)是關(guān)系分布式光纖傳感器泄漏定位準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵技術(shù)之一。

      干涉型光纖傳感器調(diào)制解調(diào)方法有零差解調(diào)和外差解調(diào)。零差解調(diào)又包括有源零差正交解調(diào)法、無源零差正交解調(diào)法、相位載波零差法[3]、基于3×3光纖耦合器的零差解調(diào)法[4-5]等。相位載波(PGC)解調(diào)法是一種無源解調(diào)技術(shù),是一種應(yīng)用于干涉型分布式光纖傳感器的零差解調(diào)技術(shù),具有動(dòng)態(tài)范圍大、穩(wěn)定性好、線性度好等優(yōu)點(diǎn),并用于消除相位漂移引起的干涉輸出,降低了對(duì)光源相干性和相位噪聲的要求。其中,張愛玲等[6]人通過引入直流濾波器,濾除了直流成分的影響,使得改進(jìn)后的算法克服了基頻混頻相位生成載波解調(diào)方法只適用于小信號(hào)的局限性,通過引入抗混疊濾波器,保留了有用頻譜成分,進(jìn)一步降低了采樣頻率;柏林厚等[7]人提出了基于干涉型光纖傳感器的相位生成載波解調(diào)方法(PGC)的改進(jìn)方法,通過算法上的改進(jìn)和增加抗混疊濾波器,有效地改善了解調(diào)結(jié)果;王利威等[8]人對(duì)干涉型光纖傳感器的相位生成載波解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了研究,對(duì)PGC算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)和仿真計(jì)算,對(duì)數(shù)字低通濾波器進(jìn)行了詳細(xì)分析,給出了其影響PGC解調(diào)性能的原因及數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法;吳斌等[9]人論述了相位生成載波PGC解調(diào)技術(shù)的算法,并將基于PGC解調(diào)技術(shù)的硬件系統(tǒng)應(yīng)用Sagnac干涉型管道泄漏定位系統(tǒng)中,解調(diào)出干涉信號(hào)相位;馬林等[10]人提出了當(dāng)混頻基頻信號(hào)的頻率與載波頻率存在微小頻差時(shí),解調(diào)結(jié)果將出現(xiàn)低頻調(diào)制,嚴(yán)重影響解調(diào)效果。

      本文在對(duì)混合型干涉分布式光纖管道泄漏檢測系統(tǒng)的PGC解調(diào)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,引入了DDS波形產(chǎn)生電路,改進(jìn)了PGC解調(diào)電路。對(duì)PGC解調(diào)電路進(jìn)行了改進(jìn)分析,對(duì)各硬件系統(tǒng)中的各功能模塊進(jìn)行了測試與分析,在天然氣管道泄漏檢測系統(tǒng)中對(duì)硬件系統(tǒng)解調(diào)效果和泄漏檢測定位系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

      1 光纖傳感檢測系統(tǒng)

      Mach-Zehnder和Sagnac混合型干涉儀原理的分布式光纖測量架構(gòu)[11]主要由ASE光源(寬帶增益平坦光源)、光環(huán)形器、2×2光耦合器、延遲光纖、相位調(diào)制器、偏振控制器、1×2光耦合器、測量光纖、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和光電探測器組成,其中L1、L2光纖隨管道直線布量,檢測管道泄漏信號(hào)。系統(tǒng)先將光源通過單模光纖進(jìn)入測量系統(tǒng),再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換將光信號(hào)變電信號(hào),最后經(jīng)過解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)出理想的信號(hào)輸出,其中將載波信號(hào)加到相位調(diào)制器上。改進(jìn)后的光路測量架構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、光纖布放方便,傳感信號(hào)損耗度小,對(duì)于微弱傳感信號(hào)的感測能力強(qiáng),提升了檢測系統(tǒng)的整體性能,解調(diào)架構(gòu)如圖1所示。

      圖1 混合分布式光纖傳感信號(hào)解調(diào)架構(gòu)Fig.1 Hybrid distributed optical fiber sensing signal demodulation architecture

      由ASE光源發(fā)出的光經(jīng)過光環(huán)形器,然后經(jīng)過耦合器1被分成兩路光強(qiáng)相等的光信號(hào),沿路徑1傳播的光經(jīng)過相位調(diào)制器,再經(jīng)過泄漏點(diǎn),由于法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的反射作用,再次經(jīng)過泄漏點(diǎn),因此會(huì)被泄漏場調(diào)制2次;沿路徑2傳播的光先經(jīng)過泄漏點(diǎn),然后被泄漏場調(diào)制2次后,最后再經(jīng)過相位調(diào)制器。

      因此,只有沿路徑1和路徑2傳播的光滿足零光程差條件(如圖2)[11],由干涉原理可知,最終只有路徑1和路徑2這2條光路的光在耦合器1處發(fā)生干涉。干涉項(xiàng)的表達(dá)式經(jīng)過一系列變換,得到泄漏點(diǎn)定位公式[12]:

      式中:LS為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡與泄漏點(diǎn)之間的距離;fs為零點(diǎn)頻率值;c為光速;n為光纖纖芯折射率。最終通過頻譜圖中的第一個(gè)零點(diǎn)頻率值,計(jì)算出泄漏點(diǎn)位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位。

      圖2 光傳播路徑Fig.2 Optical propagation paths

      在干涉型分布式光纖傳感管道泄漏檢測系統(tǒng)中,要從干涉信號(hào)中恢復(fù)出被測的高壓管道泄漏產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào),需要專門的信號(hào)解調(diào)技術(shù)。而信號(hào)解調(diào)能否實(shí)現(xiàn)主要依賴于其采用的解調(diào)方法,干涉型光纖傳感器具有很高的靈敏度,但外界環(huán)境干擾會(huì)使其存在各種隨機(jī)相位漂移,導(dǎo)致信號(hào)衰落嚴(yán)重,所以在選擇解調(diào)方法時(shí)還要考慮抗衰落檢測問題。PGC解調(diào)技術(shù)由于具有動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高、線性度好,無源解調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn),成為干涉型分布式光纖傳感檢測技術(shù)中最為廣泛的技術(shù)之一。

      2 PGC解調(diào)電路設(shè)計(jì)與分析

      2.1 PGC解調(diào)電路原理

      針對(duì)天然氣管道泄漏檢測的混合干涉型分布式光纖傳感泄漏信號(hào)解調(diào)要求泄漏源擾動(dòng)信號(hào)為0~50kHz,所設(shè)計(jì)的PGC解調(diào)原理圖如圖3所示[13],其原理流程為先通過DDS產(chǎn)生高頻載波通過放大產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)Gcosωmt,而通過倍頻器產(chǎn)生倍頻信號(hào)Hcos 2ωmt,經(jīng)過乘法器、低通濾波器、微分器、減法器、積分器處理之后輸出。式中G為載波基頻幅值,H為二倍頻幅值,ωm為調(diào)制信號(hào)頻率,t為調(diào)制時(shí)間。根據(jù)此框圖結(jié)構(gòu),對(duì)PGC解調(diào)系統(tǒng)各個(gè)模擬單元運(yùn)算電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

      圖3 PGC電路解調(diào)原理圖Fig.3 Principle diagram of PGC demodulation circuit

      2.2 PGC解調(diào)模型

      根據(jù)圖2的PGC解調(diào)技術(shù)原理,先將干涉信號(hào)分別利用乘法器和一倍頻信號(hào) 和二倍頻信號(hào)相乘,根據(jù)貝塞爾函數(shù)所得如公式(2)及公式(3)所示[13]:

      式中:G為載波基頻幅值;H 為二倍頻幅值;φm為調(diào)制信號(hào)幅度;ωm為調(diào)制信號(hào)頻率;φx(t)為未知項(xiàng);t′為信號(hào)調(diào)制時(shí)間;J0、J1和J2分別是零階、一階、二階Bessel函數(shù);Y1為與一倍頻信號(hào)的混頻信號(hào),Y2為與二倍頻信號(hào)的混頻信號(hào)。再分別將(2)式和(3)式所含的高頻載波信號(hào)通過低通濾波器濾除,即將含有ωm項(xiàng)濾掉后可得:

      對(duì)(4)式和(5)式的信號(hào)進(jìn)行微分得

      然后將(4)式、(5)式分別與(6)式、(7)式交叉相乘,得到Y(jié)2Y′1、Y1Y′2分別作為減法器的輸入端,減法器的輸出為

      最后將(8)式做積分運(yùn)算,可得到輸出相位信號(hào)為

      因此,由(9)式可以得到解調(diào)后的相位信號(hào)φx(t),φx(t)中包含泄漏點(diǎn)位置信息 。

      2.3 PGC解調(diào)電路設(shè)計(jì)

      在PGC解調(diào)電路中,共由8部分組成,分別為電源電路、DDS電路(直接數(shù)字式頻率合成器)、運(yùn)算放大器電路、乘法器電路、低通濾波器電路、微分器電路、減法器電路以及積分器電路。其中需要使用高頻載波信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制,為了避免以往使用信號(hào)發(fā)生器提供高頻載波信號(hào)造成檢測系統(tǒng)架構(gòu)更復(fù)雜、載波信號(hào)不穩(wěn)定等影響,DDS電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的改進(jìn)環(huán)節(jié)。需要將載波信號(hào)與待測信號(hào)分別進(jìn)行倍頻以及混頻,乘法器電路的設(shè)計(jì)又是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。而為了消除乘法器輸出的高頻載波信號(hào)、倍頻信號(hào)以及調(diào)制信號(hào),需要使用低通濾波器進(jìn)行信號(hào)濾波,低通濾波器電路的設(shè)計(jì)又是解調(diào)電路中重要的部分,其電路圖如圖5(a)所示。

      圖4 DDS電路Fig.4 DDS circuit

      2.3.1 DDS電路

      在PGC解調(diào)中,DDS波形產(chǎn)生模塊作為高頻載波信號(hào),DDS模塊由單片機(jī)控制,AD9834和AD5620芯片共同產(chǎn)生高性能的正弦波和三角波輸出。通過程序設(shè)計(jì),在泄漏源擾動(dòng)信號(hào)頻率為0~50kHz范圍內(nèi),DDS模塊給分布式光纖泄漏定位檢測系統(tǒng)提供的載波信號(hào)為300kHz的高頻信號(hào),DDS電路如圖4所示。

      2.3.2 低通濾波電路

      目標(biāo)信號(hào)為0~50kHz,而加入的信號(hào)為300 kHz,一倍頻二倍頻分別300kHz和600kHz,為了消除乘法器輸出的高頻載波及其倍頻信號(hào),選用低通濾波器進(jìn)行信號(hào)濾波。因信號(hào)頻寬在50 kHz內(nèi),考慮到信號(hào)頻寬及載波頻率,所設(shè)計(jì)的低通濾波器的截止頻率約為50kHz。圖5(b)為Filterlab濾波仿真器[14]曲線圖。由圖可知當(dāng)信號(hào)頻率大于50kHz時(shí),信號(hào)衰減的非常快,說明低通濾波器濾波效果非常好,且不會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)造成影響。

      3 實(shí)驗(yàn)研究

      3.1 相位載波解調(diào)模塊測試

      為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,利用程序設(shè)計(jì)對(duì)DDS波形產(chǎn)生模塊進(jìn)行了測試,圖6(a)中1和2分別輸出頻率為300kHz的正弦信號(hào),兩路輸出正弦信號(hào)相位差為180°,一路可調(diào)的正弦波形用于相位解調(diào)器的調(diào)制,另一路用于PGC電路的信號(hào)混頻;然后根據(jù)圖2中PGC解調(diào)電路原理圖中對(duì)其低通濾波器部分進(jìn)行了測試,在低通濾波器的測試電路中,圖6(b)中1為給低通濾波器輸入80kHz的正弦信號(hào),圖6(b)中2為低通濾波器輸出的正弦信號(hào),由測試波形圖可以看出超過50 kHz時(shí)輸出信號(hào)衰減的非常嚴(yán)重,說明低通濾波器效果良好。

      圖5 低通濾波器仿真圖Fig.5 Simulation diagram of low-pass filter

      圖6 測試波形圖Fig.6 Test waveform figure

      3.2 解調(diào)效果測試

      解調(diào)系統(tǒng)測試時(shí),利用相位調(diào)制器模擬泄漏擾動(dòng)聲場,相位調(diào)制器的外徑為2.50cm,內(nèi)徑為2.10cm,高 度 為 2.5cm,最 高 調(diào) 制 頻 率 為1MHz,光纖的折射率為1.458,延遲光纖長度為2km,纏繞在調(diào)制器上的光纖長度為1m,通過信號(hào)發(fā)生器輸入到相位調(diào)制器的信號(hào)頻率為40 kHz,其干涉信號(hào)波形與信號(hào)頻譜如圖7(a)所示。采用了所設(shè)計(jì)的相位載波(PGC)解調(diào)系統(tǒng)對(duì)光路輸出進(jìn)行了解調(diào)測試,當(dāng)利用相位調(diào)制模擬一頻率為40kHz的泄漏聲場信號(hào)時(shí),解調(diào)后頻譜如圖7(b)所示,相比較可得PGC解調(diào)系統(tǒng)能夠解調(diào)出該泄漏信號(hào)且說明PGC解調(diào)電路工作正常,解調(diào)性能良好,移相后與待測信號(hào)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95。對(duì)解調(diào)輸出進(jìn)行頻譜分析,諧波失真小于3%。

      圖7 解調(diào)效果圖Fig.7 Demodulation result

      PGC解調(diào)后將采集到的泄漏源擾動(dòng)信號(hào)引入到分布式光纖管道泄漏定位檢測系統(tǒng)中。當(dāng)在管道內(nèi)氣體壓力P=0.5Mpa,測量光纖總長度10 km的空氣環(huán)境下,根據(jù)圖1所示L2=7.865km處重復(fù)進(jìn)行了20次實(shí)驗(yàn),典型零點(diǎn)頻譜如圖(8)所示,可以得出零點(diǎn)頻率為fs=6.350kHz,由定位公式(1),延遲光纖長度為2km時(shí),可以算出泄漏位置為L2=8.1km,而實(shí)際泄漏位置L2=7.865 km,因此絕對(duì)定位誤差為235m,相對(duì)定位誤差為2.35%。

      圖8 解調(diào)后零點(diǎn)頻譜圖Fig.8 Null frequency spectrum after demodulation

      4 結(jié)論

      在測試系統(tǒng)時(shí),通過相位調(diào)制器模擬泄漏信號(hào),用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入頻率為40kHz的信號(hào)到相位調(diào)制器中。測試表明,分布式光纖檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量到泄漏信號(hào)。在PGC解調(diào)電路中用DDS電路代替了信號(hào)發(fā)生器,測試表明,DDS產(chǎn)生的高頻載波信號(hào)具有高穩(wěn)定性。對(duì)比分析光纖干涉信號(hào)解調(diào)技術(shù),設(shè)計(jì)制作用于解調(diào)光纖感測信號(hào)的PGC相位生成載波解調(diào)電路系統(tǒng)。測試表明,解調(diào)性能良好,移相后與待測信號(hào)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95,解調(diào)輸出頻譜分析諧波失真小于3%。PGC解調(diào)后引入到分布式光纖管道泄漏定位檢測系統(tǒng)中,實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出絕對(duì)定位誤差為235 m,相對(duì)定位誤差為2.35%,能夠有效的從分布式光纖管道泄漏定位檢測系統(tǒng)的輸出信號(hào)中解調(diào)出相應(yīng)的相位信息,完成信號(hào)解調(diào)。

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