0 引言

    光纖傳感器可探測光纖鋪設(shè)沿線任意點的振動信息，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]?；陔p馬赫-曾德爾干涉結(jié)構(gòu)的分布式光纖振動定位系統(tǒng)具有檢測距離長、不受電磁干擾等優(yōu)點^[2]。很多研究者對此技術(shù)進行開發(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完成，這樣將大大增加一個計算過程的時長。而FPGA運行速度高，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，本文以FPGA為平臺，設(shè)計了一種基于馬赫-曾德爾干涉技術(shù)的光纖振動定位安防系統(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)振動臂上距離C4 R處發(fā)生一入侵行為，振動位置為^[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兩探測器的時間差t_Δ即可求得入侵位置R。

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

1.2 振動信號分析

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

1.3 定位算法設(shè)計

    經(jīng)濾波處理的兩路波形形狀仍相似度很高且信號時間延遲不變，故可采用互相關(guān)算法處理該信號求得兩路信號時間差?；ハ嚓P(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)計出如圖4所示系統(tǒng)。

    光路中振動發(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)并進行算法處理，可由上位機顯示檢測結(jié)果。

2.2 主要算法的FPGA實現(xiàn)

    FPGA程序框圖如圖5所示。

    為定位振動位置，首先要判斷哪段信號為振動信號。光纖在靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生振動會導(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的起始點。設(shè)計中持續(xù)對采集到的數(shù)據(jù)進行方差計算，并設(shè)置方差閾值，若連續(xù)多次計算結(jié)果均大于該閾值，則判斷振動發(fā)生，之后所采集到的一段數(shù)據(jù)即為振動數(shù)據(jù)，每次振動時長為500 ms以上，若按10 MS/s采樣率計算，每次可采集最少5 000 000個數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可滿足互相關(guān)模塊進行多次運算。因此在FPGA中設(shè)計方差程序?qū)φ駝舆M行判斷。圖6為設(shè)計的FPGA程序中方差的結(jié)構(gòu)圖，圖7為Quartus II中設(shè)計的方差模塊頂層圖。

    判斷振動發(fā)生后將此后經(jīng)過濾波的信號送到互相關(guān)運算模塊。本文設(shè)計了一種并行計算的互相關(guān)結(jié)構(gòu)，不需存儲且可實時進行計算。由于主要振動信號低頻約為200 Hz，需至少對信號進行一個周期即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個數(shù)據(jù)進行處理完成一次互相關(guān)計算，則一次振動可進行約10次互相關(guān)計算。圖8為設(shè)計的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。

    一次計算結(jié)果不足以證明該位置發(fā)生了振動，刮風(fēng)下雨等情況可能導(dǎo)致整個振動臂發(fā)生振動，為排除這種情況影響，對連續(xù)10次互相關(guān)結(jié)果進行記錄，共耗時約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)計算結(jié)果為兩路數(shù)據(jù)延遲的點數(shù)，因此需根據(jù)采樣率、光纖折射率、光速等值將延遲點數(shù)轉(zhuǎn)換為實際的振動位置。

3 實驗結(jié)果

    根據(jù)以上分析和設(shè)計，制作了一套實驗裝置。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)電路部分置于實驗室內(nèi)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用ADI公司高速ADC AD9643，雙路采樣時每路采樣率最高125 MS/s，測試中設(shè)置ADC采樣率為100 MS/s，對采樣數(shù)據(jù)進行下抽，使數(shù)據(jù)速率即實際采樣率為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芯片價格低廉，引腳多，邏輯資源豐富，可滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。開發(fā)軟件使用Altera公司的Quartus II 。通過JTAG將程序下載進FPGA，用signalTapII對各模塊關(guān)鍵信號進行抓取驗證。圖11為方差模塊信號波形，圖12為采集到的振動波形及互相關(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)觀察抓取的信號進行調(diào)整，使FPGA工作時序與設(shè)計相符。之后進行整體功能測試。整體測試中以小區(qū)大門為0起點，對鋪設(shè)的光纖每隔10 m一個點進行多次測試，測試時采用手握或敲擊光纖等方式來模擬入侵動作。圖13為使用MATLAB繪制70 m處某次互相關(guān)計算的結(jié)果。

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

    由于使用的光纜外層較硬，測試時測試點的振動會帶動附近一段光纖振動，會導(dǎo)致出現(xiàn)定位偏差，因此需對每個點進行大量測試觀察實際的定位偏差。表1為其中3個測試點測試得到的定位結(jié)果，每個點進行了100次測試。

    由上測試結(jié)果可看出該系統(tǒng)具有較穩(wěn)定的報警，誤報漏報率小，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)計了一種可實時定位的分布式光纖振動定位系統(tǒng)，算法處理在硬件中完成，防區(qū)上發(fā)生振動時系統(tǒng)能在500 ms左右做出響應(yīng)并給出定位，而入侵動作為秒級，因此幾乎在振動的瞬間即可做出反應(yīng)。根據(jù)實際需求，上位機可有可無，因此節(jié)省了成本，提高了裝置便攜性。實測結(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。

參考文獻

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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）