陳麗娟， 陳立國(guó)， 張文祥

(1.黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.上汽通用北盛汽車有限公司， 沈陽(yáng) 110000)

煤礦井下分布式光纖傳感系統(tǒng)的救援定位方法

陳麗娟1， 陳立國(guó)2， 張文祥1

(1.黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.上汽通用北盛汽車有限公司， 沈陽(yáng) 110000)

為了精確定位礦難發(fā)生時(shí)井下生存人員的位置，結(jié)合礦井下的特殊環(huán)境，設(shè)計(jì)了一套無(wú)源、高靈敏度、高光信噪比的井下救援監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以分布式全光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)為核心，提出雙光纜共用一套干涉的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),采用線性安裝，對(duì)采集的傳感器信號(hào)進(jìn)行小波去噪處理，根據(jù)小波去噪的功率譜估計(jì)，獲得陷波點(diǎn)的位置，計(jì)算求得擾動(dòng)發(fā)生的位置，定位振動(dòng)點(diǎn)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有可靠穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，適用于井下礦難發(fā)生時(shí)的緊急救援。

煤礦； 救援定位； 分布式光纖傳感； 振動(dòng)傳感； 最大信噪比； 小波降噪

0 引 言

煤礦井下一旦發(fā)生事故，通信定位的精度直接影響到救援的效果。因此，需要建立科學(xué)的適合煤礦井下的通信定位系統(tǒng)。礦井下空氣濕度大，空氣中浮游雜質(zhì)如煤塵含量高，腐蝕性氣體如CO2、NO、NO2、SO2等含量較高、地理環(huán)境復(fù)雜。

光纖傳感系統(tǒng)因?yàn)榫哂袩o(wú)源、高靈敏度、高光信噪比等特點(diǎn)，非常適合在礦井下應(yīng)用。分布式光纖傳感技術(shù)主要為以下兩類，一是基于干涉原理的分布式振動(dòng)傳感技術(shù)[1]；二是基于后向散射探測(cè)技術(shù)的光纖傳感系統(tǒng)。基于干涉型分布式傳感技術(shù)大多采用馬赫-澤德(M-Z)、薩格納克(Sagnac)或邁克爾遜(Michelson)等干涉儀混合使用，通過(guò)等光程的光束產(chǎn)生干涉。上海交通大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的周正仙、肖石林等，英國(guó)科學(xué)家 S． J． Spammer 等、復(fù)旦大學(xué)賈波及其團(tuán)隊(duì)都在做這方面的研究。課題組在研究現(xiàn)有大量的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出基于線型的Sagnac的干涉型光纖傳感器礦井救援系統(tǒng)。在礦難發(fā)生后，只要坑道內(nèi)的光纜未受物理性損壞，被困工作人員可連續(xù)敲擊光纜或光纜周邊的巷道壁，依據(jù)光波在光纖傳輸過(guò)程當(dāng)中偏振、相位等參量對(duì)振動(dòng)敏感的特征，使光纖中傳輸光的相位發(fā)生改變，從而向基站發(fā)出求救信號(hào)[2]，為了對(duì)被困人員進(jìn)行高精度的定位，可將測(cè)定范圍是150 km的干涉系統(tǒng)，定位精度控制在20 m以內(nèi)，可為事故搶險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)以往光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)大多采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，環(huán)境因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位結(jié)果的唯一性，而且在礦井下這樣復(fù)雜的地理環(huán)境，光纖不容易以環(huán)形安裝的特點(diǎn)，文中提出的基于白光干涉技術(shù)的分布式全光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)采用線狀結(jié)構(gòu)。在傳感光纜部分該系統(tǒng)只運(yùn)用一根光纖便可實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的定位，也就是說(shuō)實(shí)現(xiàn)對(duì)整條坑道的分布式監(jiān)測(cè)實(shí)際只需在坑道內(nèi)完成一根光纜的鋪設(shè)即可，安裝中非常便捷。傳感光纜只用一根，當(dāng)其中有一個(gè)斷點(diǎn)，整個(gè)救援系統(tǒng)就會(huì)全部處于癱瘓狀態(tài)。為了確保當(dāng)?shù)V難發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)仍然處于正常工作狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)置上鋪設(shè)了雙路光纖，并且這雙路光纜共用一套光路干涉系統(tǒng)，克服了各用一套光纖干涉系統(tǒng)不利于在大范圍、長(zhǎng)距離井下定位系統(tǒng)中應(yīng)用的缺點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可行性。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以sagnac結(jié)構(gòu)為母本，主要由超輻射發(fā)光光源(SLD)、耦合器(1,2,3)，光纖延時(shí)線圈，法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(5,7)組成[3]。兩路傳感光纖互相獨(dú)立，因此，只考慮其中一根光纖第I路發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的定位結(jié)果。依據(jù)干涉原理，在光源發(fā)出的眾多光路中，只有光程相等的兩束光能發(fā)生干涉。這里只考慮由SLD光源發(fā)出的紅外光經(jīng)耦合器1分成的兩束光程相等的光路。一光束從耦合器1發(fā)出后, 經(jīng)耦合器3進(jìn)入延時(shí)線圈8, 后經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡9反射后再經(jīng)過(guò)延時(shí)線圈8, 之后沿著耦合器3, 經(jīng)由耦合器2進(jìn)入傳感光纜,后由另一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5反射回來(lái), 再經(jīng)耦合器2到達(dá)耦合器1,設(shè)此光路為光路A. 分析另一束光束，從耦合器1發(fā)出后進(jìn)入耦合器2, 后經(jīng)傳感光纜傳輸, 在傳感光纜的尾端經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5反射后, 重新進(jìn)入耦合器2, 由它進(jìn)入耦合器3,經(jīng)過(guò)延時(shí)線圈8, 法拉第旋轉(zhuǎn)鏡9，再經(jīng)延時(shí)線圈8，最終和前一束光匯聚在耦合器1里,稱此光路為光路B. 兩光束的完整傳播路徑如下:

A 1-3-8-9-8-3-2-4-5-4-2-1, 經(jīng)過(guò)耦合器5次，經(jīng)過(guò)延時(shí)線圈2次；

B 1-2-4-5-4-2-3-8-9-8-3-1. 經(jīng)過(guò)耦合器5次，經(jīng)過(guò)延時(shí)線圈2次。

假設(shè)振動(dòng)發(fā)生在距離分光器x的位置，振動(dòng)點(diǎn)到法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的距離為L(zhǎng)-x, 設(shè)激光兩次經(jīng)過(guò)此位置的時(shí)間間隔為T(mén), 則T與L,x的關(guān)系式可表示為

式中：c——光在真空中的傳播速度； n——光纖的有效折射率。

根據(jù)獲得的兩路干涉光強(qiáng)時(shí)域信號(hào)解調(diào)出這兩束相干光的相位差信號(hào)；對(duì)相位差信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到相位差的頻譜，進(jìn)行功率譜估計(jì)；找到功率譜估計(jì)中的缺失頻率，即陷波頻率，計(jì)算出擾動(dòng)發(fā)生的位置[4]。

2 小波去噪

鑒于快速傅里葉變換的分辨率隨時(shí)間是固定不變的，而小波變換則能給出可變的分辨率，采用小波變換去噪來(lái)完成系統(tǒng)的去噪問(wèn)題。系統(tǒng)輸入到SP的信號(hào)是有限頻帶中的一個(gè)信號(hào)，小波變換可以把這個(gè)信號(hào)分解成高頻部分和低頻部分，低頻部分通常包含信號(hào)的主要信息，高頻部分則與噪聲及擾動(dòng)聯(lián)系在一起。根據(jù)分析的需要可以繼續(xù)對(duì)所得到的低頻部分進(jìn)行分解，如此又得到了更低頻部分的信號(hào)和頻率相對(duì)較高部分的信號(hào)[5]。不斷進(jìn)行高低分層，來(lái)完成噪聲信號(hào)的去除。

連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)的小波變換(CWT)可以定義為

(1)

式中:b——時(shí)移； a——尺度因子。

ψ(t)稱為基本小波或母小波。ψa,b(t)是母小波經(jīng)移位和伸縮所產(chǎn)生的一族函數(shù)，ψ*(t)，是母小波的共軛函數(shù)。

鑒于CWT中各參量攜帶了大量的冗余信息，可將尺度參量按冪級(jí)數(shù)進(jìn)行離散化處理，對(duì)時(shí)間進(jìn)行均勻離散取值，可以定義離散化后的小波變換DWT為：

(2)

小波收縮去噪法(非線性小波變化閾值法)是基于噪聲信號(hào)的小波系數(shù)門(mén)限的思想提出的，而光纖的光偏振態(tài)變化屬于非線性變化，該方法非常適用于分布式白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)信號(hào)檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)做降噪處理。去除高頻分量留下低頻分量。小波變換的方法去除了存在的噪聲保留了信號(hào)的信息而不考慮信號(hào)的頻域內(nèi)容。對(duì)于分布式白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)小波收縮去噪法的實(shí)現(xiàn)方法包括以下三個(gè)步驟：第一，將信號(hào)進(jìn)行DWT運(yùn)算獲得小波系數(shù)。第二，選擇合適的小波系數(shù)門(mén)限方法。第三，根據(jù)DWT的逆變換重建去噪信號(hào)。因?yàn)閾诫s在信號(hào)中的噪聲通常對(duì)應(yīng)在小波系數(shù)中比較小的絕對(duì)值，則通過(guò)門(mén)限的合適選取，小波系數(shù)中的噪聲會(huì)被去除。

3 振動(dòng)點(diǎn)定位方法

根據(jù)系統(tǒng)搭建圖所示，若在光纖4或6處發(fā)生擾動(dòng)，使得光束A和光束B(niǎo)產(chǎn)生相位差，

Δφ(t)=φA(t)-φB(t)={sin[w(t-τ)]+sin[w(t+τ+t0)}-{sin[wt]+sin[w(t+t0)]]，

(3)

利用三角函數(shù)式(3)可被簡(jiǎn)化為

(4)

分析可見(jiàn)擾動(dòng)信號(hào)與相位差信號(hào)具有相同頻率，擾動(dòng)信號(hào)的頻率和擾動(dòng)發(fā)生的位置與相位差幅度相關(guān)，即

(5)

(6)

為了更精準(zhǔn)地對(duì)振動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行定位，可以對(duì)還原信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的功率譜分析，進(jìn)行小波去噪之后查詢功率譜中極小值的位置進(jìn)而推算出振動(dòng)點(diǎn)的位置。

在分析比較之后，選用WELCH功率譜估計(jì)方法：

(7)

式中：M——每段信號(hào)的長(zhǎng)度；

L——信號(hào)的分段數(shù)；

w(n)——窗函數(shù)；

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)搭建見(jiàn)圖1，SP對(duì)反饋的振動(dòng)信號(hào)做分析與處理。首先對(duì)被監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，然后對(duì)小波去噪后的功率譜分析。通過(guò)對(duì)多個(gè)層次的降噪數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析后， 兼顧信噪比的提高程度與頻率測(cè)量范圍， 選擇的分解層數(shù)為6。

分析可知，系統(tǒng)中有兩種主要的噪聲：一種主要是由檢測(cè)器產(chǎn)生的散彈噪聲：

Δf——接收機(jī)的帶寬。

另一種是在光波傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的熱噪聲：

式中：kB——玻爾茲曼常量； T——絕對(duì)溫度； Rl——負(fù)載電阻[5]。

這樣,信噪比可表示為：

(8)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以找出不同脈寬和本地時(shí)鐘功率下的脈沖峰值功率和信噪比之間的最優(yōu)值，進(jìn)而確定最佳信噪比。

在實(shí)驗(yàn)中，脈沖速率是50kHz,脈沖寬度分別設(shè)為30、10ns。對(duì)于不同的脈沖峰值功率獲取了5 000個(gè)軌跡來(lái)計(jì)算信噪比。圖2說(shuō)明對(duì)于脈寬為30和10ns時(shí)不同的脈沖峰值功率估算出來(lái)的信噪比值。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)本地時(shí)鐘功率是-7.8dBm時(shí)，對(duì)于30和10ns脈寬來(lái)講，隨著脈沖峰值功率的增加SNR幾乎成線性增長(zhǎng)?？梢?jiàn)系統(tǒng)的熱噪聲限值是由本地功率決定的。由信噪比的計(jì)算公式可見(jiàn)，SNR是和熱噪聲限值下的平均信號(hào)功率成比例的。當(dāng)本地功率增長(zhǎng)到0.2dBm系統(tǒng)主要受散彈噪聲影響，熱噪聲可以忽略不計(jì)。隨著脈沖峰值功率的增加SNR也跟著增加。圖2顯示，信噪比會(huì)增長(zhǎng)到最高值后隨著脈沖峰值功率的增加而下降，這是因?yàn)闄z測(cè)系統(tǒng)最高增益為10V/mW已經(jīng)達(dá)到飽和。根據(jù)圖示，對(duì)于本地晶振功率為0.2dB，脈沖寬度為30和10ns時(shí)，可以選取脈沖峰值功率為250和300dB，此時(shí)具有最佳信噪比。

a 脈沖寬度為10 ns

b 脈沖寬度為30 ns

5 振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)與定位

將0.6 m的單模光纖延遲環(huán)引入該系統(tǒng)，在距離分光器5 km的位置給光纖振動(dòng)信號(hào)作為振動(dòng)源。實(shí)驗(yàn)中，脈沖的帶寬為10 ns,脈沖峰值功率為450 MW，可獲得在本地時(shí)鐘功率為0.2 dBm時(shí)最佳信噪比。時(shí)鐘的晶振是500 MHz，可獲得1 000條曲線?？紤]到振動(dòng)源的頻率范圍，脈沖重復(fù)率為10～5.0×104Hz。圖3分別給出了振動(dòng)源頻率是30和10 Hz時(shí)候的振動(dòng)位置信息。

可見(jiàn)振動(dòng)源頻率是30 Hz的噪聲幅度比10 Hz的低，這說(shuō)明在高頻較高頻率上噪聲比較小，可獲得較高的信噪比。在可以選擇振源頻率的情況下，可盡可能選擇高頻振動(dòng)信號(hào)。

a

b

圖4為經(jīng)過(guò)小波去噪后的功率譜包絡(luò)，相對(duì)沒(méi)有進(jìn)行小波去噪時(shí)更為平滑；圖5為獲得陷波點(diǎn)的清晰頻率，獲得的陷波點(diǎn)頻率為：2 342.1、3 845.6 、5 213.5、5 968.3、6 838.7、8 168.5 Hz。

圖4 功率譜包絡(luò)

圖5 功率譜陷波點(diǎn)

這里取光纖折射率為 1.48，根據(jù)得到的一系列陷波頻率，將其代入式(6)可計(jì)算出振動(dòng)點(diǎn)發(fā)生的位置。經(jīng)計(jì)算振動(dòng)點(diǎn)位置為8.573 km，相對(duì)真實(shí)振動(dòng)點(diǎn)位置定位誤差為18 m。

改變振動(dòng)點(diǎn)位置，同樣原理可以獲得定位距離，實(shí)際振動(dòng)位置x和定位距離l結(jié)果見(jiàn)表1所示。其中，振動(dòng)點(diǎn)位x，數(shù)據(jù)處理前定位距離L，處理前定位誤差ex，數(shù)據(jù)處理后定位距離lc，數(shù)據(jù)處理后定位誤差ec。從表1可見(jiàn)，實(shí)際振動(dòng)點(diǎn)和實(shí)際距離基本一致，該系統(tǒng)可以完成傳感光纖為150 km的精確定位，經(jīng)計(jì)算平均定位誤差為±15 m，相對(duì)平均定位誤差為0.01%，相比不進(jìn)行最佳信噪比優(yōu)化和小波去噪之前的平均定位誤差30.5 m，定位準(zhǔn)確率提高了0.010 3%。

表1 系統(tǒng)定位距離與誤差

6 結(jié)束語(yǔ)

分布式光纖傳感的礦井下救援通信定位系統(tǒng)有一定的實(shí)用價(jià)值。在原有的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦井下的特殊環(huán)境，提出改進(jìn)的線狀Sagnac分布式光

纖傳感系統(tǒng)，并采用雙光纜共用一套干涉系統(tǒng)的方法，解決了可靠性的問(wèn)題。針對(duì)如何提高系統(tǒng)定位精度問(wèn)題，采用小波去噪法，該方法使功率譜更為平滑。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析證明，監(jiān)控系統(tǒng)可靠性更高，定位精度更準(zhǔn)確，為礦井應(yīng)急救援提供了可靠的通信支持。

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(編輯 晁曉筠 校對(duì) 李德根)

Research on positioning method of distributed optical fiber sensor for underground rescue system

ChenLijuan1,ChenLiguo2,ZhangWenxiang

(1.School of Electronics & Information Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology,Heilongjiang, Harbin 150022, China; 2. Shanghai GM North Automobile Co., Ltd., Liaoning 110000, China)

The accuracy of communication positioning in underground mines has a direct effect on the rescue operation. This paper, combined with the special environment in the mines, presents a passive optical fiber sensing system designed with a high sensitivity and a high optical signal-to-noise ratio. This sensing system, based on Sagnac structure uniquely constructed using linear installation, owes its improved reliability to the following steps: employing a set of optical fiber cable interference system for dual-fiber cable; given a fixed resolution of the fast Fourier transform over time, eliminating the denoising in the system using wavelet transform denoising method; and using the power spectrum estimation of wavelet denoising to secure the location of the notch point and thereby calculate the disturbance location-locating the vibration point. The experiment demonstrates that the system affords a more reliable stability and a higher positioning accuracy and could work better for the emergency rescue in mine accidents.

coal mine; rescue positioning; distributed optical fiber sensor; vibration sensor; Maximum Signal-to-noise ratio; wavelet denoising

2017-04-23

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2012YQ150213)

陳麗娟(1981-)，女，吉林省吉林人，講師，碩士，研究方向：礦井通信、通信網(wǎng)絡(luò)，E-mail:chenlijuan0131@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.022

TD76

2095-7262(2017)05-0560-05

A