分布式光纖傳感系統在水庫滲漏監測中的應用

尤澤杭，馬曉明，高慧敏，孟繁韜

(天津中德應用技術大學 天津300350)

1 系統設計背景及意義

隨著我國水資源開發與利用的發展，大壩安全性問題日益突顯，大壩安全性檢測技術就顯得尤為重要。我國水庫大多建于 20世紀 50至 70年代，由于當時的經濟社會條件制約，普遍存在工程質量問題，加之長期維修管理不夠，其中約 50%水庫為病險水庫，不僅不能正常發揮效益，而且存在較高的潰壩風險，嚴重威脅人民安全與社會的可持續發展。因此，定期對水庫大壩進行安全監控，了解大壩安全狀況，以便有針對性地對裂縫點采取措施，對于確保大壩安全和公共安全意義重大。滲漏是水利工程中最為常見的隱患，水庫滲漏若未得到及時修復不僅是對于水資源的浪費，也會給下游人們帶來極大的生命和財產威脅。因此，實時監控和反饋基礎設備的當前狀態極為重要。

2 硬件系統設計

硬件系統設計架構如圖 1所示。該硬件系統主要由三大部分組成：光纖傳感系統、FPGA芯片以及PC主機。通過光纖傳感系統采集光信號，FPGA芯片對光信號進行模數轉換，MFC對采集的信號進行高精度的數據分析和實時顯示。

圖1 硬件系統設計架構圖Fig.1 Hardware system design architecture diagram

光纖傳感系統由激光器發射出激光，光源經由光纖傳遞到調制器，由于受到外界環境的影響，使得傳輸的光信號的參數發生了變化，通過 FPGA對光信號的轉換，傳輸到 MFC中對信號進行分析處理，得到了對應變化的外界測量參數。

2.1 光纖傳感系統的構成

光纖傳感系統主要由窄線寬激光器、聲光調制器、函數發生器、摻鉺放大器(EDFA)、環形器波光復用器以及光纖組成。

①超窄線寬激光器：發射大功率、頻率穩定的激光。

②聲光調制器：激光經過聲光調制器后，在函數發生器的作用下變為光脈沖，調制器調制脈沖間隔保證一個脈沖沿傳感光纖的散射光完全傳輸回接收端后再發射出下一個脈沖。

③摻鉺光纖放大器(EDFA)：脈沖通過摻鉺光纖放大器將發射和被傳輸回來的信號增強，實現遠距離探測。

④環形器：可將輸出和傳回的光信號隔離開，互不影響。

⑤波光復用器(WDM)：輸入的光信號通過WDM 到光纖中擴散。在擴散過程中，脈沖不停地與光纖中的微粒發生瑞利散射，形成散射光。

⑥光電探測器(PD)：光電探測器將散射光接收，經過光電探測儀后進行數據采集和信號分析

分布式光纖傳感系統的主要原理是通過實時連續地對光纖附近的外界參量進行測量，在此過程中，將傳輸回來的數據進行時域、空間域和頻域的分析。分布式光纖傳感系統主要可分為全分布式和準分布式兩類。在準分布式光纖傳感中，光纖不能實現傳感的功能，只能執行傳光的功能。準分布式光纖傳感器通過耦合器將多個獨立光纖傳感器串聯或并聯到一根光纖[1]，并借助計算機技術以及對應的光電探測器對解調信號進行處理并分析，由此來得到光纖探測范圍內的參量。準分布式光纖傳感器，具備較強的準確性，可以對所測量范圍內不同的分布空間的參量進行測量，但在具體探測當中還存在著一定的盲區，往往需要進行多個傳感器間的相互耦合，因此存在投資成本相對較高，結構繁復等缺點[2]。

全分布式傳感器與準分布式傳感器恰恰相反，它是將整個系統集中到一個光纖之上。所以，全分布式光纖傳感器相較于準分布式光纖傳感器來說，不存在所謂的檢測盲區，監測范圍更廣，并且兼具傳感功能，同時其自身結構并不是太復雜。

光纖在傳輸光的過程中，會產生光的散射，其產生主要的3種散射分別是布里淵散射、拉曼散射以及瑞利散射[3]。布里淵散射與晶體中的自旋波有關。拉曼散射的譜線僅與晶體結構有關，即只與振動和轉動能級有關，與入射光頻率無關，因此可以使用拉曼散射進行物質的鑒定和分析。瑞利散射是一種彈性散射，來自激發源的光子從溶液中的分子反彈出來，之后它們在許多方向上散射而不損失能量，其中一些散射又重復進入信號接收器，更重要的是瑞利散射通常出現在與當前完全相同的激發波段上。

2.2 FPGA芯片

采用以 FPGA芯片為核心的硬件平臺，編寫光信號觸發采集驅動程序，實現高采樣率的數據采集、數據傳輸和數模轉換。數據采樣頻率為 250MHz，距離分辨率為0.4m，滿足監測水庫泄漏狀況的需求。

2.3 ADS42LB69模數轉換器

ADS42LB69為雙路 16位 250Msps模數轉換器，支持DDR和QDR LVDS接口。已緩沖模擬輸入在大幅減少采樣保持毛刺脈沖能量的同時，在寬頻率范圍內提供統一的輸入阻抗。采樣時鐘時分頻器可實現更靈活的系統時鐘架構設計。ADS42LB69以低功耗在寬輸入頻率范圍可提供出色的無雜散動態范圍(SFDR)。

3 軟件系統設計

上位機程序基于C++編程語言的MFC框架進行開發，主要完成對采集信號的處理，分析變化波形特征，并對干擾位置處進行時域、空間域和頻域分析，最后將整理分析的數據通過可視化界面展示出來。

4 結 語

本文設計一種基于分布式光纖傳感系統的水庫滲漏監測系統。該系統以 FPGA為控制核心，使用光纖傳感系統采集實時變化的光信號，使用 MFC開發上位機軟件用于對數據高精度的分析和波形的顯示。其頻域分析結果精度高，探測范圍廣，數據采集效率高。通過實驗驗證發現，該系統的穩定性十分高，能夠為水庫滲漏提供一種高精度、范圍廣、效率高的監測方法。