分布式光纖振動傳感系統大傳感數據流時間周期壓縮與傳送技術*

黃新銳，王廣禎，侍海峰，王 爍，葉紅亮，潘 超，孫小菡

（東南大學電子科學與工程學院，南京210096）

分布式光纖振動傳感系統大傳感數據流時間周期壓縮與傳送技術*

黃新銳，王廣禎，侍海峰，王 爍，葉紅亮，潘 超，孫小菡*

（東南大學電子科學與工程學院，南京210096）

針對分布式光纖振動傳感系統的大傳感數據流，提出一種時間周期壓縮與傳送技術，采用擾動脈沖特征值提取模塊對擾動脈沖特征值進行同步提取，并將無關數據剔除，大大壓縮了數據量；同時為了便于數據區分，采用復用的方法對特征值進行編碼與成幀。實驗結果表明，本文提出的數據壓縮與傳送方法能夠有效的獲取外界擾動事件的位置和強度信息，且當同一時間僅有一處擾動事件發生的情況下，本文的數據壓縮率僅為0.96‰。相比于傳統的數據傳送方法，本文大大減少了傳輸的數據量，減輕了通信接口和上位機軟件的負擔，系統的傳感靈敏度和響應速度都得到顯著提高。

分布式光纖振動傳感；數據壓縮；數據編碼與成幀；現場可編程門陣列

分布式光纖振動傳感技術克服了點式傳感器的不足，具有連續傳感、損耗低、體積小、抗輻射、耐腐蝕等眾多優點，已廣泛用于周界安防、石油管道檢測等工程領域［1-3］。工程技術領域對分布式光纖振動傳感系統的傳感靈敏度、響應速度、定位精度和漏報率等技術指標的要求越來越高，導致系統的傳感數據流越來越龐大，而大數據流的壓縮與傳送技術對整個系統的性能都起著關鍵作用［4-6］。

目前，分布式光纖振動傳感系統大傳感數據流傳送技術大都比較單一，多采用下位機數據采集、上位機信號處理串行工作的方式，即處理器對傳感信號進行采樣和存儲，接著將采集的數字信號通過高速接口傳送至上位機，由上位機對傳感數據進行信號處理。這種數據傳送方式雖滿足系統的一般需求，在性能要求不高的場合得到廣泛采用。但它具有系統掃描頻率低、傳感效率低和上位機數據處理負擔重等缺點，導致系統傳感靈敏度低、響應時間長和容易漏報警，大大影響了系統的性能，滿足不了工程現場的要求。在此基礎上，有文獻提出了雙緩存乒乓操作的方法［7-9］，即處理器預先開辟兩個緩存區域，先對傳感信號進行采樣，并將采集的數據存放在第一個緩存中，存滿之后將其中的數據通過高速接口傳送至上位機進行信號處理；與此同時，啟動新一輪的數據采樣，并將其存放在第二個緩存中。當上位機處理完第一個緩存傳送來的數據且第二個緩存的數據采滿后，上位機開始讀取第二個緩存的數據，同時啟動下一輪的數據采樣，并將其存放在第一個緩存內如此循環往復。該方法雖然提高了系統的傳感效率，對系統的傳感靈敏度有所改善，但仍然需要向上位機傳送大量數據，加重數據傳送接口和上位機數據處理的負擔。

上述兩種數據傳送方式已不能滿足工程現場對光纖傳感系統提出的傳感靈敏度高、響應速度快、低的漏報率等性能要求，系統亟需一種簡潔高效的數據傳送技術。

本文在充分研究分布式光纖振動傳感系統數據特征的基礎上，提出了一種基于數據壓縮的大傳感數據流的傳送方法。通過擾動脈沖特征值提取模塊對多個觸發周期內采集的背向散射信號作同步特征值提取，并將無效的數據剔除，實現了數據壓縮的目的。提取到的擾動信號特征值能夠反映傳感光纜沿線外界擾動事件的基本特性，包括擾動發生的位置和擾動的強度等。接著采用復用的技術把壓縮后的擾動特征值進行數據編碼與成幀，并傳輸至上位機，由上位機作進一步數據處理與分析。與傳統的方法相比，本文提出的數據壓縮與傳送方法大大減少了傳輸的數據量，減輕了通信接口的負擔，同時節約了上位機信號處理的時間，具有傳感靈敏度高和響應速度快的優點，且為上位機提供了豐富的有效數據，為模式識別算法的研究提供了保障。

1 分布式光纖振動傳感系統原理

分布式光纖振動傳感系統能夠有效地感知傳感光纖沿線外界擾動事件的位置與強度信息，并能實現多點同時檢測，其功能框圖如圖1所示。系統主要由光源、光纖光路、電域信號處理、模數轉換器、數字信號處理（FPGA）和上位機等模塊組成［10-11］。

FPGA依次連續產生同步觸發信號至光源模塊，同步觸發信號的周期為T，其與光纖光路的長度L滿足如下關系：

其中vg表示光在纖芯中的傳播速度。光源模塊接收到同步觸發信號后產生一個光脈沖信號，光脈沖通過微分相干光時域散射型傳感光路傳播至傳感光纖，傳感光路輸出一條背向散射光信號并傳輸至電域信號處理模塊，電域信號處理模塊對背向散射光信號進行光電轉換、放大、微分和跡線補償等一系列信號處理后輸出一條模擬背向散射信號并傳輸至模數轉換器，模數轉換器對其進行模數轉換，產生一列數字背向散射信號，并輸出至數字信號處理模塊（FPGA）中。其中，一列數字背向散射信號的長度為D，其與模數轉換器的采樣周期Ts滿足：

FPGA對數字背向散射信號作系列數字信號處理后，將數據通過USB2.0高速接口傳送至上位機，由上位機作進一步數據處理和告警顯示等操作。

圖1 分布式光纖振動傳感系統框圖

2 數據壓縮與傳送技術原理和分析

分布式光纖振動傳感系統大傳感數據流時間周期壓縮與傳送方法主要包括擾動脈沖特征值提取和數據編碼與成幀兩個步驟，方法框圖如圖2所示。首先，擾動脈沖特征值提取模塊對接收的數字背向散射信號進行脈沖特征值的同步提取，并將無關數據剔除；接著，擾動脈沖特征值提取模塊將脈沖特征值傳輸至數據編碼與成幀模塊進行數據編碼和成幀，再由數據編碼與成幀模塊將成幀后的數據傳送至FIFO緩存中。

圖2 數據壓縮與傳送方法框圖

觸發信號計數器對同步觸發信號作計數操作，統計同步觸發信號的個數，當計數值達到N時，計數器控制FIFO緩存將數據通過USB2.0接口傳送至上位機，由上位機做進一步的數據處理與結果顯示。

2.1 擾動信號提取原理

分布式光纖振動傳感系統中模數轉換器輸出的數字背向散射信號中的擾動脈沖表征了傳感光纖沿線外界的擾動事件，其余數據均為無效數據，如圖3所示。在同步觸發信號的驅動下，擾動脈沖特征值提取模塊根據閾值信號發生模塊輸出的閾值信號Th，對接收到的由N個同步觸發信號產生的N列數字背向散射信號進行脈沖特征值的提取，并將無效的數據剔除，實現數據壓縮的目的。具體過程是，擾動脈沖特征值提取模塊接收到同步觸發信號后，其內部計數器開始計數，計數周期為采樣周期Ts，根據數字背向散射信號與閾值信號Th的大小關系，提取各擾動脈沖的上升沿計數值Nr、峰值計數值Np和下降沿計數值Nf，并計算出脈沖的峰值Ap，擾動脈沖特征值提取模塊提取完一列數字背向散射信號的全部特征值后將內部的計數器清零。

圖3 擾動脈沖特征值提取原理圖

根據模數轉換器的采樣周期Ts以及光在纖芯中的傳播速度vg，計算出擾動脈沖的上升沿位置Lr、峰值位置Lp、下降沿位置Lf為：

傳感光纖沿線外界擾動事件發生的位置Y與數字背向散射信號擾動脈沖的上升沿位置Lr、峰值位置Lp、下降沿位置Lf有關，可表示為：

傳感光纜沿線外界擾動信號的強度I與數字背向散射信號擾動脈沖的幅度Ap相關［12］，表示為：

2.2 數據編碼與成幀

擾動脈沖特征值提取模塊需要提取數字背向散射信號中擾動脈沖的上升沿位置數據、下降沿位置數據、峰值位置數據和峰值幅度數據，且一次數據傳輸需提取N列數字背向散射信號中的全部擾動脈沖特征值。為了對不同類型的數據進行清晰的區分和表征，數據編碼與成幀模塊對擾動脈沖特征值進行數據編碼和成幀處理。幀格式及各類型數據格式的定義如圖4所示。每一幀數據表示從一列數字背向散射信號中提取的擾動脈沖特征值，一列數字背向散射信號中的擾動脈沖個數為M，M取值0，1，2，…。幀格式中的數據位數均為16，采用復用的方法來區分幀頭、位置數據、幅度數據、脈沖結束標志和幀尾，復用方法如表1所示。幀頭的Trig Count為同步觸發信號的計數值，取值范圍是0至N-1，N需小于等于4096。位置數據格式的Position Data為擾動脈沖特征值提取模塊輸出的對應于脈沖上升沿、下降沿和峰值時的內部計數值Nr、Nf和Np，其取值為0至16383。峰值幅度數據格式的Amplitude Data表示峰值的幅度Ap，其取值為0至4 095。脈沖結束標志和幀尾的數據格式分別如圖4（e）和圖4（f）所示。

圖4 幀格式及各類型數據格式定義

表1 數據編碼與成幀復用方式

2.3 數據壓縮率

本文提出的數據壓縮與傳送方法在一個同步觸發周期內產生的最大數據量Qn與傳感光纖沿線外界同時發生的擾動事件的個數M有關，而與光纖的長度無關，Qn與M的關系表示為：

而傳統方法在一個觸發周期內產生的數據量Qt與傳感光纖的長度L、模數轉換器的采樣周期Ts有關，與同一時刻傳感光纖沿線外界發生的擾動事件的數目無關，如下式所示：

本文提出的數據壓縮方法和數據采集過程完全同步，不占用額外的壓縮時間。數據壓縮率η與光纖長度L、模數轉換器的采樣周期Ts以及同一時刻傳感光纖沿線外界發生的擾動事件的數目M有關，表示為

圖5給出了本文方法與傳統方法在一個同步觸發周期內的數據量隨光纖長度變化關系，從圖中可以看出本文給出的方法大大降低了系統的數據量，且隨著光纖長度增加，數據量減少的越顯著。

圖6給出了數據壓縮率隨光纖長度、擾動數目和采樣周期的變化關系，其中數據壓縮率定義為壓縮后的數據量與壓縮前之比，從圖中可以看出數據壓縮率隨著光纖長度的增加和采樣周期的減小而逐漸減小。

圖5 本文和傳統方法數據量對比圖

圖6 數據壓縮率隨光纖長度和采樣率的關系

3 實驗與結果

3.1 基于FPGA的算法實現

本文在中心自主研發的微分相干光時域散射型分布式光纖振動傳感系統中開展實驗，對上述方法進行驗證。如圖7所示，傳感系統由分布式光纖振動傳感控制端機、傳感光纖和上位機軟件組成。它能夠實時檢測傳感光纖沿線的外界擾動信號，并進行精確定位，已成功應用于周界安防和石油管道監測等工程領域。

圖7 實驗系統實物圖

本文方法中的同步信號發生模塊、擾動脈沖特征值提取模塊、數據編碼與成幀模塊、FIFO緩存、觸發信號計數器以及閾值信號發生模塊均在FPGA中實現。中心自主設計的FPGA控制板卡如圖8所示，其主要由高速模數轉換電路、FPGA及配置電路、USB2.0通信接口以及電源管理電路構成，能夠實現高速的數據采集、靈活的數據處理以及和上位機高速通信等功能。其中，高速模數轉換芯片采用美國AD公司的AD9236，采樣率可達80 M，分辨率為12位；FPGA芯片采用Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX100T-2FGG900，它采用45 nm工藝技術，具有速度快、容量高、功耗和成本低等優點；USB2.0接口控制器采用Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列的CY7C68013A，它具有功耗低、功能豐富，用戶可編程等優點。

圖8 FPGA控制板卡

利用Xilinx公司提供的集成開發環境ISE12.3進行FPGA程序設計，并充分利用FPGA運算速度快、可并行執行的特點，本文實現了數字背向散射信號的采集和擾動脈沖特征值的同步提取以及數據成幀的功能，FPGA程序流程圖如圖9所示。

圖9 FPGA流程圖

3.2 結果與分析

在本文的分布式光纖振動傳感實驗系統中，同步信號發生模塊輸出的同步觸發信號的周期T為100μs，模數轉換器的采樣周期Ts為20 ns，光纖光路的長度L為10 km，在一個同步觸發周期T內的采樣長度D為5 000，閾值信號Th為2 048，采樣周期數N為500。

實驗中，在光纖光路6 470 m處施加擾動，圖10給出了光電探測器輸出的模擬背向散射信號與同步觸發信號在一個同步觸發周期T內隨時間變化的波形圖，圖11給出了模數轉換器輸出的數字背向散射信號與閾值信號隨光纖長度的變化關系圖。表2給出了數據編碼與成幀模塊輸出的一幀數據以及轉換后的擾動脈沖的位置數據和幅度數據。在一個同步觸發周期內只有一個擾動事件發生時（即M=1），由式（8）知，本文方法的數據壓縮率η僅為0.96‰。從中可以看出，本文提出的數據壓縮與傳送技術能夠有效地用于對傳感光纖沿線外界擾動事件引起的擾動脈沖進行定位與幅度提取，并以此來確定擾動事件發生的位置與擾動事件的類型。

圖10 同步觸發信號與模擬背向散射信號波形圖

圖11 擾動脈沖與閾值信號的關系圖

4 總結

本文提出一種分布式光纖振動傳感系統大傳感數據流時間周期壓縮與傳送技術，通過擾動脈沖特征值提取模塊對傳感光纖沿線外界擾動事件引起的擾動脈沖的特征值的同步提取，并將無關數據剔除，大大壓縮了數據量；同時為了便于數據區分，采用復用的方法對擾動脈沖特征值進行數據編碼與成幀。實驗結果表明，本文提出的數據壓縮與傳送方法能夠有效地獲取傳感光纖沿線外界擾動事件的位置和強度信息，且在一個同步觸發周期內只有一個擾動事件發生時（即M=1），本文方法的數據壓縮率僅為0.96‰。相比于傳統的數據傳送方法，本文提出的方法大大減少了傳輸的數據量，減輕了通信接口和上位機軟件的負擔，提高了系統的傳感效率，使得系統的傳感靈敏度和響應速度都得到顯著提高。

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黃新銳（1994-），男，漢族，安徽省桐城人，東南大學電子科學與工程學院本科在讀，專業為新能源材料與器件，2536356551@qq.com；

孫小菡（1955-），女，漢族，東南大學電子與科學學院教授，主要研究方向為光波電子學與光纖通信技術領域，xh?sun@seu.edu.cn。

Data Reduction and Communication Technique for Distributed Optical Fiber Vibration Sensing System*

HUANG Xinrui，WANG Guangzhen，SHI Haifeng，WANG Shuo，YEHongliang，PAN Chao，SUN Xiaohan*
（School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

A method of big sensing data reduction and communication for distributed optical fiber vibration sensing system is proposed and implemented.Vibration pulse characteristic data are extracted synchronously to reduce the sensing data，and data coding and framing module is employed for data recognition of PC software.The experimen?tal results demonstrate that the method of this paper can obtain the position and intensity information of vibration events along the sensing fiber effectively.Besides，the compression ratio is only 0.96‰when there is one vibration event happening at the same time.Compared with traditional methods，the method of this paper reduces the sensing data volume greatly，which lightens the burden of communication interface and PC software，resulting in highly im?proved sensing sensitivity and response speed of the system.

distributed optical fiber vibration sensing；data reduction；data coding and framing；FPGA

TN913.7

A

1004-1699（2015）10-1442-06

??7230；7230E

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.004

項目來源：江蘇省政策引導性計劃——前瞻性聯合研究項目支持

2015-06-13 修改日期：2015-08-28