周正仙，段紹輝，田 杰，王曉華，徐幫聯(lián)

（1.上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司，上海 201103；2.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；3.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；4.上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

引 言

光纖振動(dòng)傳感器由于其探測距離長、響應(yīng)速度快、靈敏度高，特別是自身不輻射電磁波也不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在安防監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，干涉型傳感器主要基于以下幾類技術(shù)：Sagnac干涉技術(shù)、M－Z（Mach－Zehnder）干涉［1］技術(shù)、Michelson干涉技術(shù)和Fabry－Peort干涉技術(shù)。其中M－Z干涉技術(shù)主要用來做振動(dòng)檢測，但這種技術(shù)在做振動(dòng)檢測時(shí)無法判斷振動(dòng)事件發(fā)生的位置，這給安防監(jiān)控應(yīng)用帶來很大的不便。為此本文在M－Z干涉技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型定位式光纖振動(dòng)傳感器，該傳感器可對(duì)振動(dòng)事件發(fā)生的位置進(jìn)行判斷。

1 分布式光纖振動(dòng)傳感器

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式光纖振動(dòng)傳感器是在現(xiàn)有M－Z干涉原理的基礎(chǔ)上提出的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它使用三根等長的光纖A、B和C，其中A、B作為單個(gè)M－Z干涉儀的兩個(gè)干涉臂，C作為傳輸光纖，從而形成兩個(gè)對(duì)稱的干涉儀。當(dāng)外界振動(dòng)信號(hào)作用于干涉臂A、B時(shí)，一組光向左經(jīng)耦合器2（Coupler2）產(chǎn)生干涉后到達(dá)探測器1（Detector1），另一組光向右經(jīng)耦合器3（Coupler3）產(chǎn)生干涉后經(jīng)耦合器4（Coupler4）到達(dá)探測器2（Detector2）。在探測器1與探測器2處就會(huì)得到兩個(gè)具有一定時(shí)間延遲的光強(qiáng)波動(dòng)信號(hào)，檢測光強(qiáng)的波動(dòng)，就可以判斷振動(dòng)信號(hào)的類型［2］。

圖1 分布式光纖振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the optical fiber distributed vibration sensor

1.2 振動(dòng)信號(hào)檢測原理

當(dāng)外界有振動(dòng)信號(hào)作用于光纖時(shí)，就會(huì)引起光纖折射率變化，進(jìn)而引起光波相位的變化。待檢測的振動(dòng)信號(hào)主要為外界緩變壓力信號(hào)和聲場異常擾動(dòng)信號(hào)，這兩種信號(hào)實(shí)質(zhì)上都會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生壓力作用。當(dāng)光纖受到壓力作用時(shí)，其折射率變化為［2］：

其中P為壓力，pe為光彈系數(shù)，E為石英的楊氏模量。由折射率變化引起光波的相位變化為：

其中λ為光波波長，L為光纖長度。

探測器檢測到的光強(qiáng)信號(hào)則可以寫成：

其中I1、I2是干涉儀兩個(gè)干涉臂中的傳輸光強(qiáng)，φs（t）表示擾動(dòng)信號(hào)作用于不同干涉臂上產(chǎn)生的調(diào)制相位差（Δφ1－Δφ2），φ0為兩路光的初始相位差［3］。

2 模式識(shí)別算法

光纜上的事件除了直接觸動(dòng)光纖纖芯之外，其他事件都是外部振動(dòng)經(jīng)過光纜外皮傳入纖芯的振動(dòng)，這些振動(dòng)有以下幾個(gè)特征：

（1）振動(dòng)的短時(shí)性：振動(dòng)多為持續(xù)時(shí)間很短的事件；

（2）能量包絡(luò)特征：多為突發(fā)振動(dòng)，能量包絡(luò)有明顯的突起特征；

（3）頻譜分布的不均勻性：即根據(jù)振動(dòng)自身頻譜成分和介質(zhì)傳導(dǎo)吸收的不同，表現(xiàn)為能量在頻率上衰減的變化特性。光芯觸動(dòng)多為頻譜豐富的振動(dòng)，高頻分量較多；非光芯觸動(dòng)多為高頻衰減厲害的振動(dòng)，因?yàn)楦哳l在傳導(dǎo)過程中被介質(zhì)吸收，主要表現(xiàn)為低頻分量。

2.1 振動(dòng)信號(hào)的短時(shí)分析

信號(hào)短時(shí)分析方法被廣泛應(yīng)用于語音信號(hào)處理，它主要包括短時(shí)能量、短時(shí)平均幅度、短時(shí)過零率等方法［4］。

設(shè)信號(hào)序列為x（n），n＝0，…，N－1，其短時(shí)能量函數(shù)定義為：

定義：數(shù)字信號(hào)的相鄰兩個(gè)取樣具有不同符號(hào)時(shí)，稱為出現(xiàn)過零，單位時(shí)間過零的次數(shù)叫做過零率，實(shí)際上過零率本身就是一個(gè)粗略反映信號(hào)頻譜特性的時(shí)域指標(biāo)。

對(duì)于光纖監(jiān)測到的挖掘機(jī)挖掘、工兵鏟挖掘、人員跳動(dòng)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行短時(shí)能量與短時(shí)過零率分析，可得到圖2所示的車輛振動(dòng)信號(hào)分析圖，圖3所示的挖掘機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析圖，圖4所示的人員走動(dòng)振動(dòng)信號(hào)分析圖。

從上面的分析可以看出，不同原因引起的振動(dòng)在短時(shí)過零率及平均短時(shí)能量上存在較大的差異，可以將其用來作為模式分類的依據(jù)。

（1）挖掘機(jī)振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度較大，且影響的范圍比較大；挖掘機(jī)振動(dòng)信號(hào)的短時(shí)能量較高，且能量譜較寬；

（2）車輛振動(dòng)信號(hào)的短時(shí)能量較高，但能量譜較窄；

（3）人員走動(dòng)振動(dòng)信號(hào)，其強(qiáng)度較低、過零率低、且短時(shí)能量也低；

圖2 車輛振動(dòng)信號(hào)分析Fig.2 Vehicle vibration signal analysis

圖3 挖掘機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析Fig.3 Excavator vibration signal analysis

圖4 人員走動(dòng)振動(dòng)信號(hào)分析Fig.4 The walking vibration signal analysis

2.2 振動(dòng)信號(hào)的小波分析

嚴(yán)格來說，分布式光纖振動(dòng)傳感器所檢測到的振動(dòng)信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào)。小波分析是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種信號(hào)時(shí)頻分析方法，特別適用于非平穩(wěn)信號(hào)。連續(xù)小波變換（continuous wavelet transform，CWT）［5］的含義是：把某一被稱為母小波的函數(shù)ψ（t）作位移τ后，在不同尺度a下與被分析信號(hào)x（t）作內(nèi)積運(yùn)算：

上式中，尺度系數(shù)a＞0，＊表示取共軛。設(shè)ψ（t）∈L2（R），其傅里葉變換為Ψ（ω），當(dāng)Ψ（ω）滿足容許條件時(shí)，即

則ψ（t）被稱為一個(gè)基小波或母小波（mother wavelet），本文選擇復(fù)高斯小波。

圖5為不同的振動(dòng)源引起的振動(dòng)在CWT復(fù)制圖上的差異，主要表現(xiàn)為：能量聚集的區(qū)域大小，能量的強(qiáng)弱等方面，可將其作為模式分類的依據(jù)。

圖5 三種振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)波形CWT圖Fig.5 Vibration waveform CWT figure of three kinds of vibration signal

通過以上分析，得出如下結(jié)論：

（1）不同原因引起的振動(dòng)在短時(shí)過零率及平均短時(shí)能量上存在較大的差異，可以將其用來作為模式分類的依據(jù)。

（2）不同的振動(dòng)源引起的振動(dòng)在CWT復(fù)制圖上表現(xiàn)出較大的差異，主要表現(xiàn)為：能量聚集的區(qū)域大小，能量的強(qiáng)弱等方面，可將其作為模式分類的依據(jù)；

（3）綜合來看，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。通過增大信號(hào)的帶寬，增大信噪比（SNR）和改善時(shí)間差計(jì)算方法提高了系統(tǒng)的定位性能。時(shí)間差計(jì)算上，采用相關(guān)法加COS內(nèi)插算法為主，相位譜方法為輔助的計(jì)算方法。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)及光纖振動(dòng)信號(hào)的模式識(shí)別技術(shù)。在光纖M－Z干涉原理的基礎(chǔ)上研究光信號(hào)雙向時(shí)延定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光纖振動(dòng)信號(hào)的檢測和定位。運(yùn)用短時(shí)能量、短時(shí)平均幅度、短時(shí)過零率、小波分析等方法對(duì)光纖振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行算法分析，找出不同事件產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過不同分析方法分析后所得的特征信息，從而將不同的入侵事件區(qū)分開來。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)能找到挖掘機(jī)、車輛及人員走動(dòng)的特征參數(shù)，從而能將這三種不同的事件區(qū)分開來。該系統(tǒng)為解決目前分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)受外界干擾產(chǎn)生誤報(bào)的問題，提供了有效的方法和手段。

［1］廖延彪.光纖光學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000：174－175.

［2］周正仙，肖石林，仝芳軒.基于 M－Z干涉原理的定位式光纖振動(dòng)傳感器［J］.光通信研究，2009，155（5）：67－70.

［3］CIURAPINSKI W M，MACIEJAK A.Localisation of the disturbance place in distributed fiber optic sensor［J］.SPIE，1997，3054：54－57.

［4］呂衛(wèi)強(qiáng)，黃 荔.基于短時(shí)能量加過零率的實(shí)時(shí)語音端點(diǎn)檢測方法［J］.兵工自動(dòng)化，2009，28（9）：69－73.

［5］盛愛蘭.小波分析及其應(yīng)用的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.威海學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，12（4）：54－56.