0 引言

    光纖傳感器可探測光纖鋪設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，適用于復雜環境監測、周界安防等^[1]。基于雙馬赫-曾德爾干涉結構的分布式光纖振動定位系統具有檢測距離長、不受電磁干擾等優點^[2]。很多研究者對此技術進行開發并已取得一定成果，但仍存在檢測慢、誤差較大等問題^[3]。多數研究者在采集數據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，在處理數據吞吐量大、速度高等問題上具有明顯優勢^[4]。基于這些優點，本文以FPGA為平臺，設計了一種基于馬赫-曾德爾干涉技術的光纖振動定位安防系統。

1 系統原理分析

1.1 定位原理

    系統中光路模型如圖1所示。

    圖中L₁、L₂分別為振動臂和參考臂，L₃為導引光纖，C1、C4、C5為光耦合器，C2、C3為光環形器。光路模型以雙馬赫-曾德爾光纖干涉技術為基礎，假設振動臂上距離C4 R處發生一入侵行為，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

    實際應用中外部因素會影響信號質量，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。據此可設計對應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 定位算法設計

    經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，故可采用互相關算法處理該信號求得兩路信號時間差。互相關公式如式(7)所示：

2 系統結構及程序框圖

2.1 系統框圖

    基于以上分析，可設計出如圖4所示系統。

    光路中振動發生后的干涉光信號轉換為電信號后經調理電路，由FPGA高速采集板采集數據并進行算法處理，可由上位機顯示檢測結果。

2.2 主要算法的FPGA實現

    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。光纖在靜止狀態下發生振動會導致所采集數據的離散程度增大，因此可使用方差算法得到振動的起始點。設計中持續對采集到的數據進行方差計算，并設置方差閾值，若連續多次計算結果均大于該閾值，則判斷振動發生，之后所采集到的一段數據即為振動數據，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個數據，這些數據可滿足互相關模塊進行多次運算。因此在FPGA中設計方差程序對振動進行判斷。圖6為設計的FPGA程序中方差的結構圖，圖7為Quartus II中設計的方差模塊頂層圖。

    判斷振動發生后將此后經過濾波的信號送到互相關運算模塊。本文設計了一種并行計算的互相關結構，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，該結構即可在50 ms內對500 000個數據進行處理完成一次互相關計算，則一次振動可進行約10次互相關計算。圖8為設計的FPGA程序中互相關的結構圖，圖9為Quartus II中互相關模塊頂層圖。

    一次計算結果不足以證明該位置發生了振動，刮風下雨等情況可能導致整個振動臂發生振動，為排除這種情況影響，對連續10次互相關結果進行記錄，共耗時約500 ms。若10次中有超過5次結果一樣則判定該位置發生了入侵行為。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。圖10為Quartus II中互相關結果處理模塊頂層圖。

    互相關計算結果為兩路數據延遲的點數，因此需根據采樣率、光纖折射率、光速等值將延遲點數轉換為實際的振動位置。

3 實驗結果

    根據以上分析和設計，制作了一套實驗裝置。裝置系統中光路部分使用市面上普通8芯光纜，鋪設于小區圍欄之上，振動臂總長約160 m。光電轉換部分使用PIN激光管。這種激光管相較于大多系統使用的PINFET光電探測器具有更高的抗噪性，且成本更低。耦合器和光環形器收納于尾纖盒中以免受外界干擾和破壞。

    系統電路部分置于實驗室內。模數轉換器使用ADI公司高速ADC AD9643，雙路采樣時每路采樣率最高125 MS/s，測試中設置ADC采樣率為100 MS/s，對采樣數據進行下抽，使數據速率即實際采樣率為f=10 MS/s，則系統定位精度為：

    FPGA使用Altera公司CycloneIV系列產品EP4CE115F23I，這款FPGA芯片價格低廉，引腳多，邏輯資源豐富，可滿足系統設計要求。開發軟件使用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信號波形圖，可看出兩路波形相似，有很高的相關性。

    經觀察抓取的信號進行調整，使FPGA工作時序與設計相符。之后進行整體功能測試。整體測試中以小區大門為0起點，對鋪設的光纖每隔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處某次互相關計算的結果。

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

    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，會導致出現定位偏差，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果，每個點進行了100次測試。

    由上測試結果可看出該系統具有較穩定的報警，誤報漏報率小，系統定位誤差穩定在入侵位置左右10 m之間，滿足長距離安防需求。

4 結論

    本文以FPGA為平臺，設計了一種可實時定位的分布式光纖振動定位系統，算法處理在硬件中完成，防區上發生振動時系統能在500 ms左右做出響應并給出定位，而入侵動作為秒級，因此幾乎在振動的瞬間即可做出反應。根據實際需求，上位機可有可無，因此節省了成本，提高了裝置便攜性。實測結果表明，設置采樣率為10 MHz，系統精度為±10 m，可根據需要調節采樣率。但實際環境常常較為復雜，可能導致不確定性觸發，故后期可增加其他算法排除此類情況。

參考文獻

[1] 林文臺，梁生，婁淑琴，等.一種低誤報率的新型光纖分布式振動傳感系統[J].紅外與激光工程，2015，44(6)：1845-1848.

[2] 鄭潛，劉海.光纖地波周界安防設備設計與實現[J].光通信研究，2016(4)：45-48.

[3] 陳沁楠.雙馬赫—曾德型分布式光纖振動傳感若干關鍵技術研究[D].天津：天津大學，2015.

[4] 許義寶.基于FPGA的遠距離多節點光纖傳輸系統設計與實現[D].合肥：安徽大學，2017.

[5] 王曉鋒，王輔東，陳煥新.雙馬赫-曾德爾光纖傳感系統的定位原理與算法[J].中國高新技術企業，2017(8)：19-20.

[6] 薛迎勃，李宏.互相關運算算法在微傳感器檢測中的應用[J].電子設計工程，2015，23(1)：93- 95.

作者信息:

羅義軍，方  理

（武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢430072）