光纤管道泄漏检测系统PGC解调电路设计及实验测试*

王　影，刘　麒

（吉林化工学院信控学院，吉林吉林132022）

光纤管道泄漏检测系统PGC解调电路设计及实验测试*

王影*，刘麒

（吉林化工学院信控学院，吉林吉林132022）

针对传统PGC解调使用模拟电路制作有电路老化、定位飘移等现象，基于数字化平台来架构干涉式光纤传感器PGC解调，采用相位扰频器改进了PGC解调电路，并对各系统功能模块进行测试分析，最后对PGC解调电路的解调效果进行了试验模拟，模拟结果显示，改进后的PGC电路解调性能良好，经过相位扰频的信号与待测信号的相关系数超过96%，谐波的失真度小于2%，同时相位扰频器能够有效改善PGC解调输出不稳定及失真。

光纤传感器；干涉式；PGC解调技术；相位扰频器

光纤传感器（Fiber Optic Sensors），是利用光纤来侦测待测物理量变化的仪器，它被广泛地用于感测声音、磁场、温度等数十种物理量。以光纤做为测量组件具有几项优点，如：灵敏度高、不腐蚀、布放容易、低传输损耗、高数据传输率等优点，因此通过光纤传感器来测量管道泄漏成为目前管理监测领域的研究热点。干涉式光纤传感器具有动态范围大、线性度佳、具有多任务功能等多项优点，是目前应用最多的一种光纤传感器，干涉式光纤传感器的输出信号，必须采用适当的信号解调线路，来线性解调传感器信号［1-3］。

常用的解调方式为PGC-DCM（the Differential and Cross Multiplying Approach）微分及交叉相乘处理技术以及PGC-arctan处理技术。其中最常用的为被动式相位载波解调，简称为PGC解调。传统PGC解调使用模拟电路制作有电路老化、准位飘移等现象，易引起PGC解调失真等问题，也无法作准确及完整的灵敏度归一化控制，国内外学者针对传统的PGC解调中出现的问题，进行了改进，包括加入直流滤波器，抗混叠滤波器等电子器件，但信号调解的效果并不理想［4-6］，因此有必要发展智能型数字化信号处理，使其具有高侦测率及低误报率的侦测功能。通过可编程逻辑门阵列数字信号的处理效能与逻辑运算动力，来完成具有自动补偿功能的数字化PGC解调。

为此，本文在上述研究的基础上，基于数字化平台来架构干涉式光纤传感器PGC解调，采用相位扰频器，降低了光强度调变引起的不稳定及失真问题，改进了PGC解调电路，并对各系统功能模块进行测试分析，最后对PCG解调电路的解调效果进行了试验模拟，验证了PCG解调电路的改进效果。

1　光纤传感检测系统

本文的干涉式光纤传感器选择Mach-Zehnder和Sagnac混合型干涉仪架构［7］，采用耦合器和光纤组合成光处理单元，用法拉第旋转镜和光纤来当感测单元，检光器、频谱分析仪、相位调制器和解调电路组合成信号处理单元，当泄漏声源为白噪声时，测量光纤受到声音物理场的作用而产生应变，走两道光路的光信号在2×2耦合器的第3端接收端重合，产生干涉信号，通过检光器及信号处理单元，最后在频谱分析仪上显示，并分析其感测到的信号，来进行泄漏点位置的探测。光纤传感器的系统架构图如1所示，下面对该系统的组件单元进行介绍，PCG相位解调系统在后面会详细讨论，这里不再赘述。

图1　干涉式光纤传感器系统架构图

1.1光源

由于本实验将光源改用比SRD（Short Range Device）功率更强的ASE（Amplified Spontaneous Emission）光源，其频谱和SRD类似［8］。ASE的工作原理，是利用一个半导体激光器，把能量泵入掺铒光纤中，由于光纤掺铒之后，形成一个可以激励光子的能级跃进。经能产生光子的能量进入掺铒光纤之后，可以将低能级的电子提高能量激发到高能级，此种方式称之为激发。持续这个动作一段时间之后，可以得到在高能级的电子数量多于低能级上应有的电子，形成粒子数反转电子向下跳动产生光子。当光子被激发之后，会形成两个同方向、同频率的光子，产生能量。由于光能量只有继续行进，并没有任何反射镜，产生来回共振的现象。因此，带宽会变的较宽，而形成光源的同调长度变得很短，随后接上光隔离器（Isolator），隔离掉杂散的光，避免影响光源的稳定度和安全性。

1.2耦合器

本系统利用两个2×2光纤耦合器组合成。在这里的耦合器当成分光器与光路径的分配，其架构如图1所示。在理想的情况下，我们需要分光为1∶1的光纤耦合器，而且由于耦合器的特性，输出的两束光之相角差距为90°。在本光处理单元中，光从光源出来之后，经过每个耦合器平均分光，之后，由感测单元反射回来的光，也再次经过耦合器分光，最后由检光器作检光的动作。

1.3光纤

光纤具有易弯曲、质量轻、抗腐蚀和绝缘性等特性，因此，利用光纤来当感测光纤和延迟光纤。在当测量光纤时，使用的是单模裸光纤 SMF（Single Mode Fiber），由于其价格便宜，所以更适合长距离的布放。若是在当延迟光纤时，使用小口径光缆（Optical Cable），由于光缆是将单模裸光纤包在更多的外皮之内，让环境的影响减到最低［9］。

1.4法拉第旋转镜

法拉第旋转镜的结构如图2所示，其结构包含透镜、法拉第旋转器和反射镜等主要元素。

图2　法拉第旋转镜的结构图

法拉第旋转镜的功能，可以将入射光的偏振状态与出射光的偏振状态的相差调整为90°。其原理说明如下：当入射光经由光纤或其他路径进入法拉第旋转镜的透镜，再由透镜聚光，在光的行径过程中经过法拉第旋转器，偏振状态慢慢偏转至反射镜前，偏振状态刚好与入射时相差45°。光经反射镜反射，从原路径再经过法拉第旋转器，因为法拉第效应是为非互易效应，使偏振状态再继续旋转45°，因此，法拉第旋转镜可以将光的偏振状态旋转90°。法拉第旋转镜的等效琼斯矩阵可以写成：

式中：tT：法拉第旋转镜的损耗以及与反射镜特性有关的参数。

现在若有一束光入射至法拉第旋转镜，整个光路的琼斯矩阵如下：

式中：K为常数

由上式可以发现，F′是一个常数矩阵，表示入射光与反射光的偏振状态，和光纤的双折射现象无关，代表因为有了法拉第旋转镜，把光纤双折射特性产生的偏振改变补偿，让由偏振效应引起的讯号褪变的问题消失。所以本架构采用一个法拉第旋转镜来补偿感测光纤的偏振状态，这样可以保证我们量测到是相位差所造成的干涉结果，而非偏振影响讯号的现象。

2　PGC解调电路设计与分析

2.1PGC解调电路原理

根据本文选择的Mach-Zehnder和Sagnac混合型干涉仪对光纤传感泄露信号的解调要求［10］，对PCG解调电路进行如下设计及改进，解调电路设计图，如图3所示。

图3PCG解调电路设计图

2.2低通滤波器

由于我们量测的讯号带宽大约为20 kHz，所以，设计的低通滤波器，将要使量测带宽通过，而调制频率为100 kHz，要求低通滤波器把它滤除。而以前使用PGC电路，均使用在低频部分（＜1 kHz），所以，要使用以前的PGC电路，需要重新设计滤波器的带宽。而滤波器的设计，是使用BURR-BROWN公司所生产的IC（UAF-42），此IC具有高输入阻抗与低输出阻抗的特性，容易串接设计成高阶的滤波器，从而符合我们要求。

2.3调制信号的放大器

因为以前设计的电路中，调制信号是使用在20 kHz，共振电压比较小。而现在的调制信号要提升至100 kHz，造成共振电压提高。利用AD841做放大器，调整调制信号的大小值，使其动态范围提升。

2.4相位扰频器

所谓的相位扰频器就是将相位信号加上相位扰动而得，这个功能和在Mach-Zehnder干涉仪的一个干涉臂上使用偏振扰频器（Polarization Scrambler）加上偏振扰动，以消除偏振褪变的功能类似，因此把以上功能称为相位扰频器。但在实际应用上，角频率2.405 rad/s的电压是加到激光调变里的信号之一，因此和激光的特性、系统光程差有密切的关系，光程差越小相位噪声越小，但是激光调变引起的光强度调变就会越大，会大幅度的升高系统的干扰噪声值，因此2.405 rad已不适用，需要改为使用1 rad，1 rad既有相位扰频器功用也能用来做灵敏度归一化，跟2.405 rad相比更可以大幅度降低系统的干扰噪声。

2.5PGC解调模型数学分析

根据图3所示的PGC解调电路设计技术框图，通过数学建模方法，对PGC解调电路进行建模，完整解调出相位信号。利用PGC解调电路中的乘法器与低通滤波器，可得以下方程：

将公式简化，再进行微分可得：

根据图3所示的PGC解调电路，每一个信号经过微分与另一原始信号相乘，再将两个输出信号相减，形成Z=S2S1′-S1S2′，则

将Z作积分，则就可以得到相位信号φs（t）：

我们可以发现，由式（8）可以发现，φs（t）信号被完整解调出来，φs（t）中包含泄漏点位置信息。

3　实验研究

3.1相位载波解调模块测试

根据PGC相位载波解调的功能模块要求，为了完成相位补偿功能，需要由激光调变仿真一个高于PGC解调最大频率不易受环境噪声影响的感应相位信号，如10 kHz。如果PGC解调带宽较小及载波频率较低，例如只有30 kHz。因此10 kHz的两倍频必须降低到小于PGC解调的低通滤波器频带的3 dB带宽之内，作为调整基频与二倍频载波相位的依据。

但受限于PGC解调低通滤波器的频带，高频信号振幅必须小于0.36 V才能使高频感应相位信号能线性解调。依据第一类的Bessel函数值在0.36 rad以内时，高频讯号在干涉讯号中其3倍频（正比于J3（φ））及更高频率分量都以可以忽略，因此PGC解调的低通滤波器带宽只要超过2倍谐频分量便可对此高频感应相位信号作线性解调。而为了分离测量信号与10 kHz补偿讯号，在PGC解调输出再设计3 dB为7 kHz的低通滤波器，如图4所示，以及1个通带为9 K到11 kHz的带通滤波器，如图5所示。

图4　低通滤波器波形

图5　带通滤波器波形

3.2解调效果测试

解调系统测试时，利用相位调制器模拟泄漏扰动声场，由干涉式光纤传感器产生的干涉信号经过相位扰频器的校正，进入PGC数字解调系统中处理，解调后的频谱如图6所示。

图6　解调效果图

从图6可以发现，干涉信号经过解调后能够真实还原原始信号，解调性能良好，经过相位扰频的信号与待测信号的相关系数超过96%，谐波的失真度小于2%，从另一个侧面也反映了使用相位扰频器（1 rad），能有效改善PGC解调输出不稳定及失真。

4　结论

管线泄漏会造成资源流失、环境污染等重大损失，因此如何实时找到泄漏点的位置，以便进行修护补救，成为目前亟待解决的问题。光纤传感器（Fiber Optic Sensors）具有灵敏度高、不腐蚀、布放容易、低传输损耗、高数据传输率等优点成为目前管理监测领域的研究热点。本文基于数字化平台来架构干涉式光纤传感器PGC解调，采用相位扰频器，降低了光强度调变引起的不稳定及失真问题，改进了PGC解调电路，并对各系统功能模块进行测试分析，最后对PCG解调电路的解调效果进行了试验模拟，模拟结果显示，干涉信号经过解调后能够真实还原原始信号，解调性能良好，经过相位扰频的信号与待测信号的相关系数超过96%，谐波的失真度小于2%，能够有效的从感测系统的输出信号中解调出相应的相位信息完成信号解调，同时相位扰频器能够有效改善PGC解调输出不稳定及失真。

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王影（1979-），女，吉林省人，汉族，硕士，吉林化工学院信控学院副教授，研究方向为传感器、检测电路、PLC、单片机；

刘麒（1980-），男，吉林省人，汉族，硕士，吉林化工学院信控学院讲师，研究方向为传感器、检测电路、PLC、单片机。

Mixed Interferometric Distributed Fiber Optic Sensor PGC Demodulation Module Design and Experimental Data Analysis*

WANG Ying*，LIU Qi
（College of communication and control engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022，China）

In conventional PGC（Phase Generated Carrier）dulation using analog circuit circuit aging，positioning the phenomenon such as drift，to architecture based on the digital platform of PGC demodulation interferometric fiber optic sensor，using phase scrambler improved the PGC demodulation circuit，and testing the system function module analysis，finally the effect of the PCG demodulation circuit demodulation experiment simulation，simulation results show that the improved circuit of PGC demodulation performance good，after a phase perturbation frequency signal and the correlation coefficient of more than 96%of the signal under test，the harmonic distortion is less than 2%，at the same time phase scrambler can effectively improve the PGC demodulation output is not stable and the distortion.

optical fiber sensor；interference type；PGC demodulation technology；phase scrambler

X931

A

1005-9490（2016）05-1161-05

项目来源：基于光纤传感器技术的管道泄漏检测及定位方法研究（吉化院合字2016第82号）

2015-10-08修改日期：2016-02-24

EEACC:7230E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.028