基于生产者-消费者程序结构的振动传感系统

盛维涛, 曾祥豹，张文君，袁宇鹏，张祖伟

(1.四川省装备制造业机器人应用技术工程实验室，四川 德阳 618000；2.中电科技集团 重庆声光电有限公司，重庆 401332； 3.中国电子科技集团公司 第二十六研究所，重庆 400060；4.四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000)

0 引 言

随着光纤通信技术的进步和低损耗零色散光纤的出现，光纤传感技术有着迅猛的发展。相比于传统的电法传感系统，光纤传感系统有着本征无源安全、抗电磁干扰、测量精度高等突出优势，已被广泛应用于地震监测、海啸预警、水听声呐等国防安全和地质灾害预警领域[1-3]。在海底地震监测及海啸预警方面，传统的电法地震传感器存在着供电困难，组网效率低等弊端，而采用光纤振动传感器可实现全光网络的振动传感，对地质灾害等低频信号的探测精度和信号传输距离都能得到保障，全光纤振动传感系统的研究和应用将是未来振动传感系统的发展方向。

光纤振动传感系统中多采用光纤干涉的手段，通过波长细分的方式干涉测量的精度可达到10-6rad，因此，干涉测量手段被广泛应用于高精度测量和大动态范围的应用场合[4]。对于干涉光信号的处理多采用相位生成载波的解调方式，其本质是对干涉信号的调制解调和提取还原。干涉信号为调相信号的形式，将被测振动信号的频谱进行展宽，为有效解调和还原出相应的被测振动信号，需要在信号采集端匹配高采样率来进行对干涉信号的采集。S.Binu等[5]提出采用强度调制原理研制光纤振动传感系统，实现对75～275 Hz振动信号的有效探测。P.Bagnoli等[6]应用掺铒光纤激光器的深海水听器实现对20～100 kHz信号的高精度探测。但现有的光纤检测系统由于系统结构和信号解调方面的制约，系统频响特性均在1 Hz以上，暂未发现可达到0.01 Hz振动响应的报告。但在地震探测的实际应用之中，地震波成分中低频分量的占比很高，因此，对于低频振动的探测有着重要的意义。同时，在进行低频振动信号的解调还原时，数据处理的周期长，很难保证解调输出结果的实时性。

为有效解决信号解调环节数据处理量过大、信号解调实时性不高的弊端，信号解调处理单元采用生产者-消费者的程序结构模式。生产者-消费者程序结构模式是NI公司提出的一种程序设计理念，其核心在于将高速数据产生单元和低速的数据处理单元分离，并通过队列的形式完成数据生产单元和数据处理单元之间数据的流动和处理[7-8]。本文重点研究将生产者-消费者的程序结构模式应用于光纤相位振动传感系统的相位解调环节，完成关键系统设计及程序编写，并对超低频振动信号进行了实际测试与验证。

1 光纤振动系统原理组成及设计

光纤振动传感系统是采用光纤干涉的方式进行外界振动传感测量的，传感的核心单元为振动传感检波器。振动传感检波器是光纤顺变柱体结构的传感换能原件，其可将外界振动转换成为对传感光纤长度的拉伸，光纤长度的变化引起光程差的变化，输出干涉条纹就会相应改变，进一步对光纤干涉信号进行相位解调可还原出相应的被测振动信号。系统所采用的是激光器内调制的调制方案，不会引入附加的光电模块可实现全光纤网络的组建和铺设。在调谐分布反馈式半导体激光器光频时，驱动电流的改变会引起激光器谐振腔载流子浓度的变化，进一步导致输出光功率的变化而产生伴生调幅现象，即在调整光频的同时输出光功率也会产生变化[9]。为消除伴生调幅影响，系统采用干涉光波信号和激光器输出信号做比相消的方式去除影响。

光纤振动解调系统原理如图1，分布反馈式半导体激光器(distributed feedback laser diodes，DFB-LD)输出的激光经过3 dB耦合器分成2路：一路为内调制输出的光强信号，用于消除内调制伴生调幅的影响；另外一路激光通过环形器b端口和耦合器1输入到顺变柱体传感检波器中，顺变柱体为传感换能原件，可将外界的振动动能转换成为光纤拉伸的弹性势能[10]。顺变柱体由2个硅胶柱体和1个质量块组成，硅胶柱体上紧密缠绕着光纤，光纤的末端接有法拉第旋转镜，入射光于旋转镜上反射后沿原光路返回，并在耦合器2与原光线发生干涉，因为法拉第旋转镜有偏振无关的特性可有效避免偏振衰落现象的产生[11-12]。反射回的激光会在耦合器中产生干涉现象，形成迈克尔逊干涉仪结构，干涉光波经由环形器c端口输出。当存在振动信号时，顺变柱体惯性质量块的振动会对上下硅胶柱体产生挤压和拉伸作用使得硅胶柱体径向直径改变，直径的改变会作用在光纤上导致长度的拉伸，输出干涉光相位会产生相应的变化。顺变柱体传感检波器及光纤迈克尔逊干涉仪光路结构实现了对振动信号的传感和干涉光信号的转化。对于被测振动信号的提取还原及相位解调是上位机的程序处理的相关工作。

2 生产者-消费者程序结构模式及程序设计

LabVIEW与计算机技术结合可快速、准确实现数据采集与信号处理，在工程中具有广泛的应用[13]，其采用图形化的编程语言和数据流编程方式，数据的流向决定着程序执行的顺序。在多数采集系统的编程之中采用顺序结构的单循环模式，程序按照数据流流动的方向顺序执行，此种单循环的方式程序执行效率较低[14]。而生产者-消费者是一种并行程序结构模式，此种程序结构中数据产生单元和数据处理单元是通过队列进行耦合联系的，图2为生产者-消费者的程序结构模式框图。其中，生产者循环是干涉信号采集程序部分即为数据产生单元，消费者循环是干涉信号相位解调算法程序部分即为数据处理单元，2个循环之间通过先入先出的传输队列(first input first output，FIFO)进行数据流连接和控制，传输队列不仅保证程序数据流的流动还有效避免了数据间的竞争状态[15]。缓存监控循环可实时对传输队列数据量大小进行监控，当缓存数据量出现异常时可反馈和停止程序运行。对低频振动信号进行解调运算时，消费循环信号处理数据量大、处理周期长，未处理的数据会缓存至队列之中；当解调算法程序的处理速度高于数据采集生产速度时，消费者循环对队列中最先传输的数据进行处理，传输队列有效起到数据缓冲的作用并完成循环间的数据通信。此种程序结构的应用提高了不同速率循环间的数据共享能力，实现了数据采集和解调算法并行同步运算。生产者-消费者程序结构的应用有效缓解低频信号采集处理时对上位机带来的内存压力，极大提高了程序执行效率，保证低频振动信号输出结果实时性和连续性。

光纤振动传感系统采用相位生成载波(phase generated carrier，PGC)的解调方式，此种解调方式的核心在于首先将调制后的干涉信号频谱搬移至基频附近，再通过微分交差相乘算法将被测振动信号从相位中解调出来。处理流程如图3。

图3 振动信号提取流程图Fig.3 Schematic of vibration signal acquisition

干涉信号经过一倍频与二倍频混频处理后，频谱被搬移至基频频带，同时形成两路相互正交的基频信号。两路正交信号通过微分交差相乘算法可将被测振动信号从干涉信号的相位中提取和还原出来，通过高通滤波器可有效滤除低频扰动和低频噪声的影响。图4为光纤振动系统数据采集及相位解调程序框图。上位机程序中数据模式采用动态数据的形式；生产者循环中是数据采集程序，可以将干涉信号采集进入上位机；消费者循环中是相位生成载波解调算法程序，此为信号处理的核心单元；解调算法程序中低通滤波器、微分计算模块、高通滤波器等控件由可处理动态数据的Express VI控件组成，确保解调输出波形实时运算和显示。应用生产者-消费者程序结构模式极大提高解调算法的运行效率，同时有效避免高速数据采集和低速解调运算之间不匹配的问题。

图4 数据采集和相位解调程序框图Fig.4 Schematic ofacquisition and phase demodulation

3 光纤振动传感系统联调测试

采用生产者-消费者的程序结构模式的光纤振动传感系统，主要需针对低频振动信号的传感和探测，为验证光纤振动传感系统设计光路正确和解调算法程序执行有效，对系统进行整体联调测试。振动系统的激光光源采用RIO0073-3-100-3型超窄线宽DFB-LD，激光器的输出中心波长为1 550 nm，所提供输出激光相干长度可达到5 km，确保了非平衡干涉臂的臂长差需求。光电转换二极管采用LSIPD-LD-50型光电二极管进行光电转换，其光电转换灵敏度达到0.9 mA/mW，满足高精度光电转换的需求。标准低频振动信号由超低频振动平台(型号为CTS-1，频带为 0.008 3～50 Hz，灵敏度为 2 000 V/ms-1)提供，振动平台的激励信号由外接信号源提供，平台输出的振动频率及振动幅值大小均由信号源进行控制。数据采集卡采用NI公司PCI-6133采集卡，可进行8路实时模拟信号的采集，采样频率为2.5 MS/s，分辨率为14 bit，满足对干涉光波信号的采集需求。光纤振动传感系统整体联调测试的原理图如图5。

图5 系统联调测试架构图Fig.5 Schematic of the verification system

图5中,在进行光纤振动传感系统整体联调时，将顺变柱体传感检波器紧固在低频振动平台上，保证低频振动平台与顺变柱体传感探头有相同的加速度响应输出，低频振动平台的输出由外接信号源进行控制。顺变柱体传感探头在振动平台的激励下输出相应的干涉光波信号，经过光电转换模块将转换后的电信号进行数据采集和相位解调运算。为有效缓解上位机内存压力和提高低频振动信号输出的实时性，解调算法采用生产者-消费者程序结构模式。

光纤振动传感系统的实验室布置情况如图6。其中，检波器紧固安装在振动平台中进行测试，系统中的光源部分、光电探测器、数据采集卡等核心部件则安装主机中，系统的测量结果通过在显示器的显示界面中展示，原始记录数据存储于本地硬盘中，可用于历史回溯与分析。

图6 光纤振动传感系统的实验现场Fig.6 Fiber-optic vibration sensing system for experiment

光纤振动传感系统对标准低频振动信号的测试结果如图7。实验结果表明，光纤振动传感系统对0.01～1 Hz的标准振动信号进行传感输出，在进行解调程序运算和输出波形实时显示时，程序运行流畅实时性高。

图7 低频振动信号测试输出结果图Fig.7 Measurement curves of the fiber-optic vibration sensing system

通过对系统输出对比分析可知，振动输出结果有较高的信噪比，但输出结果中存在一定程度低频漂移噪声的影响，其主要原因来源于DFB-LD在低频段的相位噪声，同时超低频振动平台采用零差正交干涉的方式对振动平台的输出进行反馈控制，而在低频段反馈时间增长控制难度增大，使得标准振动信号易受到外界环境的干扰导致输出的不稳定状态。因此，针对更低频率振动信号的传感验证，在不断提升光纤振动系统整体性能的同时也依赖于激光器技术及超低频振动平台校准输出技术的发展。

4 总结与展望

光纤振动传感系统采用光纤干涉的手段，应用顺变柱体结构作为核心换能元件。在干涉信号的数据采集和处理方面，创新地应用了生产者-消费者的程序结构模式。将生产者-消费者程序结构原理思想与LabVIEW数据采集相互结合，极大提高系统在低频频段的程序运行效率和实时性。通过系统的整体联调验证系统设计达到低频振动测量的需求，同时验证生产者-消费者程序结构在多任务大数据量的处理运算上有着突出优势和广泛的应用前景。