分布式光纤传感数据采集系统设计

南钢洋，王启武，孙继华，郭锐，张振振，巨阳

(山东省科学院激光研究所，山东 济南 250103)

【光纤与光子传感技术】

分布式光纤传感数据采集系统设计

南钢洋，王启武，孙继华，郭锐，张振振，巨阳

(山东省科学院激光研究所，山东 济南 250103)

基于拉曼散射温度效应和光时域反射技术，设计了100 MHz高速数据采集系统SDLaser_DAQ600，实现对空间环境温度场测量。在数据采集系统中利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，采用实时累加平均算法对原始光纤传感信号进行累加平均，支持10 km光纤实时采样，空间分辨率达到1 m。实验结果表明，65 536次数据累加平均可以得到平滑的斯托克斯和反斯托克斯曲线，使光纤传感信号的信噪比提高到90 dB以上，能够为分布式温度测量提供良好的数据支持。

光纤传感；数据采集；拉曼散射

在分布式光纤传感系统中，光纤不仅充当传感器，而且还实时传输有效测量信号。光纤测温基于光时域反射(optical time-domain reflect，OTOR)原理测量光纤周围温度，是分布式连续功能型光纤传感系统的典型应用[1-3]。其具体原理是采用后向拉曼散射温度效应实时测量光纤温度场，当光纤分子接收并吸收激光脉冲后，会再次发射出光子，如果有一部分光能转换为热能，那么将发出比原来波长更长的光，称为斯托克斯光；相反一部分热能转换为光能，则发出比原来波长短的光，称为反斯托克斯光[4-6]。拉曼散射光由这两种不同波长的光组成，其波长偏移是由光纤组成元素固有属性决定的，由于散射光中夹杂着其他散射光和干扰光，所以需对两路光信号进行带通滤波，这两路光信号经过雪崩光电二极管转换后再输入到后续数据采集系统进行处理[5-8]。

分布式光纤传感系统不仅需要对光纤解调信号快速采集处理，还需要庞大的处理器资源和数据存储空间，以及利用复杂算法对采集数据并行处理。目前国内外相关研究大多是基于工控机平台的数据采集系统，且大部分是基于外部设备互连总线(peripheral component interconnect，PCI)技术方案，如美国NI公司的数据采集卡以及国内凌华、研华的高速信号采集卡，此外一些单位还使用PC104总线协议的数据采集卡。这两种技术方案虽然可行，但由于工控机平台体积较大，功耗较高，一般在50 W以上，不易升级换代，且不适合在功耗要求严苛的场合应用[9-11]。为解决此问题，本文采用高性能可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)结合先进精简指令集处理器(advanced RISC machines，ARM)设计出功耗低至5 W的100 MHz高速数据采集系统。

采集系统利用有限状态机控制模拟数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)进行信号采集，实现对光纤传感信号的实时累加平均，将采集数据上传到计算机处理后，获得实时的斯托克斯和反斯托克斯曲线。经过测试，该分布式光纤传感数据采集系统可以应用在油田、矿山、结构健康检测等特殊场合，为分析这些场合的温度场提供数据支持。

1 设计要求

在光纤测温系统中，反斯托克斯光和斯托克斯光信号转换成电信号后，经过放大输入到数据采集系统中，在利用光纤测量环境温度场时，需要提高空间分辨率和测温精度。为提高空间分辨率，必须提高数据采集系统ADC的采样速率。当测温距离为10 km时，为满足1 m的空间分辨率，需要采集10 000个点。

光信号射入光纤中后沿着光纤向前传播，当传播到光纤尾端时，会发生反射，反射信号再传播到射入端被光电探测器接收，整个过程光信号行进距离是20 km，光纤中光速约为2×108m/s，则光在光纤中的传输时间为100 μs，因此，数据采集系统需要在100 μs的时间内采集10 000个点的光纤信号，其采样周期是10 ns，即采样频率为100 MHz。

提高测温精度不仅要增加采集系统采样位数，还需要设计合适的电压扇出方案和前端模拟调整电路。由于实际测量中温度信号淹没在噪声之中，因此信号采集系统需要对输入信号进行滤波处理。考虑到光纤传感信号有效带宽通常在50 MHz以内，故系统前端模拟调整电路采用低通滤波电路对光纤传感信号进行滤波，低通滤波电路截止频率为50 MHz。为了提高测温精度，ADC位数不低于10位，同时采用FPGA作为主处理器对数据并行处理，ARM作为辅处理器将处理后的数据传输给远程计算机进行分析处理。

2 数据采集系统设计

针对上述应用需求，设计了百兆高速数据采集系统SDLaser_DAQ600(简称DAQ600)。该系统采用“ARM+FPGA+ADC”架构，为分布式光纤传感提供数据采集分析、状态监测及控制支持。其中，FPGA采用高性能Cyclone IV系列EP4CE115F29芯片作为主处理器，ARM采用型号为S3C6410的芯片作为辅助处理器，ADC采用AD9268、分辨率为16位流水线采样技术的芯片作为模拟数字转换器，其最高采样速率可达125 MHz。

图1所示是DAQ600系统架构，该系统架构采用±5 V双电源供电，拥有独立双通道，模拟输入通道的量程为±2.5 V，同时DAQ600支持内外触发模式，利用以太网络将数据传给远程计算机进行温度场图谱显示，其中以太网络最大传输速度可达100 Mb/s。

FPGA通过运行内部状态机控制ADC芯片采集光纤传感信号，同时将采集数据进行滤波、累加平均处理，然后将处理结果通过同步只读存储器控制总线读取到ARM内存中进行运算处理。这里FPGA和ARM都能进行数据运算，二者主要区别如下：(1)FPGA利用内部逻辑和存储资源将实时采集数据进行处理，属于纯硬件运算，因此执行速度快、效率高，用于复杂的时序控制及实时性要求较高的应用。(2)ARM是根据程序指令的先后顺序执行数据算法，效率相对较低，主要用于数据上传及人机交互控制。本设计充分考虑二者特点，进行优势互补，使数据处理和传输效率大大提高。

图1 DAQ600系统架构Fig.1 Architecture of DAQ600 system

2.1 供电方案设计

DAQ600是模拟数字混合结构，主电源采用±5 V双电源供电，其中+5 V是系统正电源的扇出源，-5 V是系统负电源的扇出源，二者经过LC滤波后输出给DAQ600使用。由于FPGA及ARM需要+3.3、+2.5、+1.8、+1.2 V供电，利用低压差线性稳压器(low drop out，LDO)线性电源调整芯片LTC3026来扇出这些正电压。具体是由+5 V扇出+3.3 V电压，再由+3.3 V扇出+2.5 V电压，再由+2.5 V扇出+1.8 V电压，最后再由+1.8 V扇出+1.2 V电压。图2所示是由+2.5 V转换成+1.8 V的电路示意图。

图2 利用LDO扇出电压原理图Fig.2 Schematic of fan-out voltage using LDO

由于LTC3026具有低至0.06%的线性调整率和0.09%的负载调整率，该芯片具有很强的抑制负载干扰能力，同时该芯片支持输出1.5 A电流，其纹波电压在3 mV左右，满足DAQ600的供电需求。

2.2 前端模拟信号调整电路设计

图3所示是前端模拟信号调整电路，该电路采用电压负反馈连接，利用低噪声放大器ADA4938-1对信号放大，其压摆率为4 700 V/μs，输入偏置电压为1 mV，由±5 V供电。

图3 前端模拟信号调整电路Fig.3 Adjusting circuit for front-end analog signal

前端模拟信号调整采用电压负反馈电路，该电路不仅实现输入信号从单端形式转换成差分形式，还能克服由于共模信号而引起的转换误差，满足ADC的差分输入要求。同时ADA4938-1共模参考电压AMP_VOCM信号由ADC共模输出电压经过缓冲放大后输入，其中ADC共模输出电压值为0.9 V，该电压加载到ADA4938-1的两个输出端，即放大器输出端有个0.9 V的共模偏置电压，满足ADC输入端的电压特性要求。

2.3 数据采集系统架构内部通信设计

DAQ600采用“FPGA+ARM”架构并通过网络控制器芯片DM9000A与远程计算机通信。如图4所示，FPGA和ARM之间数据传输是由ARM同步只读存储器控制总线来完成，同步只读存储器控制总线具有16位数据和地址总线，FPGA与ARM以及DM9000A共用这一总线。同时将FPGA和DM9000A作为ARM处理器的两个外设，并将两者的物理地址映射到ARM的BANK0和BANK1上，其中BANK0和BANK1是ARM按照物理地址高低来划分的存储区域。

图4 ARM与FPGA、DM9000A接口示意图Fig.4 Schematic of ARM interface between FPGA and DM9000A

在数据通信时，通过ARM片选控制信号nCS0、nCS1选中FPGA和DM9000A工作。由于FPGA和DM9000A是共用数据总线，因此不支持FPGA和DM9000A同时读写数据，当其中一个工作时，连接到另一个芯片的数据总线需要置于高阻状态。

EINT9是FPGA的中断信号，当FPGA与ARM需要通信时发送该中断信号，ARM响应中断信号后通过nCS0选中FPGA读写数据。IRQ_LAN是DM9000A连接到ARM的中断请求信号，当二者需要数据通信时，DM9000A发送IRQ_LAN信号给ARM，ARM响应中断后通过nCS1选中DM9000A读写数据。

2.4 DAQ600采集处理流程设计

对分布式光纤传感信号采集时，通道1和通道2分别连接斯托克斯和反斯托克斯信号，当FPGA被触发后，其内部状态机开始运行，并对ADC进行时序控制和数据读取。其中，状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，是数据采集处理的中枢，其工作原理是根据控制信号的变化跳转到预先设定的状态。图5是DAQ600的状态机设计流程图。

图5 DAQ600状态机设计流程图Fig.5 Flow chart of DAQ600 state machines design

当状态机处于空闲状态时，第一个触发脉冲到来后，状态机启动ADC初始化流程并发送相关命令给ADC芯片。ADC芯片初始化后开始采集输入信号，并将采集数据存储到FPGA片内RAM中，其中RAM1和RAM2分别存放通道1和通道2的数据。由于ADC芯片采用流水线技术采样，其有效数据输出比实际信号输入延后6.5个时钟周期，故状态机需要对ADC采集数据进行时序补偿。

经过时序补偿后数据再累加存储，当FPGA完成65 536次累加平均后，RAM1和RAM2的数据存放的是累加平均结果，此时将发送中断信号给ARM，然后ARM通过其同步只读存储器控制总线读取该累加结果。当RAM1和RAM2中的数据读取完毕后，ARM再将数据通过网络以100 Mb/s的速度上传至PC机。

3 实验结果

根据实验要求，搭建分布式光纤传感温度测试系统，验证DAQ600系统指标及其状态机设计是否符合实验需要。为方便验证，利用光时域反射原理对长度为80 m的光纤进行实验，DAQ600采样速率为100 MHz，按照1 m光纤采集1个点计算，一次采集80 m光纤需要800 ns，则重复65 536次采集并进行累加平均需要52.4288 ms。

图6 DAQ600系统光纤温度场采集实验Fig.6 DAQ600 system based optical fiber data acquisition

为了验证DAQ600系统的稳定性，采用两套DAQ600同时对光纤传感信号进行采集，如图6所示。由于二者采集结果是一致的，图7所示是其中一套DAQ600系统获得的斯托克斯和反斯托克斯曲线。从图中可看出，反斯托克斯曲线在尾端0.78 μs处明显有个突起信号峰，这是由于在实验中将光纤末端(约78 m处)放进热水中，此处光纤外界温度高，反映到测试曲线上就是在反斯托克斯曲线末端有个信号峰。而斯托克斯曲线突起不明显，这是由于光纤产生的斯托克斯光对温度不敏感，两者的测试结果符合光纤测温原理。通过测试，验证了DAQ600的数据处理流程及状态机设计符合要求，采集系统稳定、可靠运行100 d。

图7 经过65 536次累加平均的斯托克斯和反斯托克斯曲线Fig.7 Stokes and anti-Stokes curves after 65 536 times cumulative averaging

通过对图7中的斯托克斯和反斯托克斯曲线相关参数进行分析计算，可以解析出温度与反斯托克斯曲线突起峰值的关系。经测试，DAQ600可以精确地恢复检测被噪声背景淹没的微弱信号，通过实时累加平均后，光纤传感信号的信噪比提高到90 dB以上，适用于分布式光纤传感系统。

4 结论

分布式光纤传感系统支持实时、快速、多点测量，通过设计高速数据采集系统，能够实现对空间温度场的测量。本文设计的DAQ600数据采集系统在可编程逻辑阵列上实现实时累加平均算法，支持100 MHz的信号采样速率，实现对原始光纤传感信号多达65 536次累加平均，使光纤传感信号的信噪比提高到90 dB以上，为分布式温度测量提供了良好的数据支撑。

目前存在的问题是信号采样点数受限于FPGA片上存储空间，尤其是当信号采样频率提高到125 MHz时，将占用更多的存储资源。当采样点数增加到一定数量后，FPGA会降低并行处理效率，且增加内部布局布线复杂度，最终会导致时序亚稳态，系统不能正常工作。今后系统需要在以下两个方面改进，一是增加FPGA片上内部存储空间，采用更大片上内部存储容量的处理器；二是改进总线传输机制，使DM9000A具有独立的数据、地址总线，提高数据传输效率。

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Designofdataacquisitionsystemfordistributedopticalfibersensor

NANGang-yang,WANQi-wu,SUNJi-hua，GUORui,ZHANGZhen-zhen,JUYang

(LaserResearchInstitute，ShandongAcademyofSciences,Jinan250103,China)

∶Based on the Raman scattering temperature effect and the optical time domain reflection technology, a 100 MHz high-speed data acquisition system SDLaser_DAQ600 was developed to measure the temperature field of space environment. In the data acquisition system, using real time averaging algorithm in the FPGA, DAQ600 has realized 65 536 times cumulative averaging for original fiber sensor signals, which supported real-time sampling of 10 km length fiber with 1 m spatial resolution.The experimental results show that, signal-to-noise ratio for optical fiber sensing can be increased to more than 90 dB through the 65 536 times cumulative averaging. Finally, smooth curves of Stokes and anti-Stokes have been obtained, which could provide proper data support for distributed temperature system measurement.

∶optical fiber sensor; data acquisition; Raman scattering

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.011

2017-06-12

山东省自然科学基金(ZR2016FB26)；山东省重点研发计划(2016GGX101026)

南钢洋(1984—)，男，助理研究员，研究方向为信号处理技术。

TP274+.2

A

1002-4026(2017)06-0065-06