李常，王晨，尚盈，趙文安，曹冰，黃勝，倪家升，王昌

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

分布式光纖振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是分布式傳感技術(shù)的一種，不僅具有普通光纖傳感技術(shù)耐高溫、防雷、防水、抗腐蝕及抗電子干擾的優(yōu)越特性，而且更能體現(xiàn)光纖分布延伸的優(yōu)勢(shì)[1-4]。該系統(tǒng)以同一根光纖作為傳感器件和傳輸介質(zhì)，對(duì)長(zhǎng)達(dá)幾十公里的光纖不同位置處的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)并定位，實(shí)現(xiàn)真正的分布式測(cè)量。

目前分布式振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離、空間分辨率及測(cè)量頻率等性能指標(biāo)都已經(jīng)達(dá)到了工程應(yīng)用的要求[5-6]，然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)具有較高的靈敏度[7]，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中低頻、大幅值、周期性的信號(hào)(如風(fēng)吹、舞動(dòng)、海浪等)都會(huì)引起系統(tǒng)的振動(dòng)，干擾檢測(cè)效果，導(dǎo)致誤報(bào)率升高。國(guó)內(nèi)外針對(duì)減小誤報(bào)率的動(dòng)態(tài)閾值法[8]、小波去噪法[9]等沒(méi)有從根本上去除此類噪聲信號(hào)，反而增加了信息冗余，而基于頻譜特征分析的模式識(shí)別[10]在工程應(yīng)用上難度較大。因此，研究如何去除此類噪聲能夠促進(jìn)分布式光纖振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

基于相位敏感及φ-OTDR原理的分布式振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)(DVS)，利用光時(shí)域反射進(jìn)行定位，利用后向瑞利散射的相干效應(yīng)[11]探測(cè)振動(dòng)。 針對(duì)DVS系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中存在容易受到環(huán)境噪聲影響的現(xiàn)象，本文對(duì)系統(tǒng)原始信號(hào)進(jìn)行了理論上的濾波模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以提高系統(tǒng)信噪比。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

基于相位敏感及φ-OTDR原理的分布式振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)使用窄線寬激光器，激光經(jīng)AOM調(diào)制后變成強(qiáng)相干的脈沖光進(jìn)入待測(cè)光纖中，當(dāng)傳感光纖收到外界振動(dòng)影響時(shí)，對(duì)應(yīng)位置處的光纖折射率就會(huì)發(fā)生變化從而引起對(duì)應(yīng)位置的光相位變化。由于干涉作用，相位的變化將引起后向散射光光強(qiáng)的變化，根據(jù)光強(qiáng)變化及時(shí)間即可定位光纖上的振動(dòng)位置。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 DVS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 DVS system structure

圖1中DFB-LD為窄線寬激光器，輸出的連續(xù)激光經(jīng)聲光調(diào)制(AOM)調(diào)制成脈沖光，再經(jīng)摻鉺光纖放大器(A)放大后入射到光纖，光纖的瑞利后向散射信號(hào)再放大后由一個(gè)光電探測(cè)器(PD)探測(cè)光強(qiáng)，最后采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 原始信號(hào)濾波模擬分析

分布式光纖振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)(DVS)采集PD原始信號(hào)后，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分、降采樣平均算法解調(diào)出整條光纖上的振動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于環(huán)境中的低頻噪聲信號(hào)能否通過(guò)濾波器進(jìn)行濾除，我們建立了系統(tǒng)模型并進(jìn)行了模擬分析。

由圖1可知，DVS系統(tǒng)使用一個(gè)PD直接接收后向瑞利散射光，光強(qiáng)I滿足：

I=A+Bcos[f(t)+φ0]，

其中，f(t)為待測(cè)信號(hào)，A為直流分量，B為增益系數(shù)，φ0為初相位。實(shí)際情況中存在電路直流噪聲Anosie、增益噪聲Bnoise、信號(hào)噪聲φnoise，公式可增加為

I=(A+Anoise)+(B+Bnoise)cos[f(t)+φnoise+φ0]。

通過(guò)更改Anosie、Bnoise、φnoise與待測(cè)信號(hào)的關(guān)系、添加或更改信號(hào)處理方法等即可得出DVS系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)境條件下對(duì)信號(hào)增敏保真的情況。

這里主要針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中由風(fēng)、海浪等產(chǎn)生的環(huán)境噪聲φnoise，其信號(hào)具有大幅值、低頻、周期性的特征，因此公式中各參數(shù)定義為：A=5，B=1，φ0=0.001，Anosie=Bnoise=0，待測(cè)信號(hào)f(t)為0.1 rad 100 Hz正弦，φnoise為0.1 rad 1 Hz正弦，濾波器采用5階Butterworth高通濾波器，20 Hz低截至頻率，模擬信號(hào)時(shí)長(zhǎng)50 s，系統(tǒng)采樣頻率為1.2 kHz。

圖2a為模擬產(chǎn)生的原始信號(hào)，對(duì)其直接濾波后輸出如圖2b所示，可見(jiàn)截至頻率20 Hz以下皆被濾波，但20 Hz處出現(xiàn)凸起，且待測(cè)100 Hz信號(hào)被混頻成99 Hz與101 Hz兩個(gè)成分并出現(xiàn)高階諧波，效果不理想。

圖2 信號(hào)濾波對(duì)比Fig.2 Signal filtering contrast

在DVS系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的解調(diào)算法中，我們對(duì)光強(qiáng)I進(jìn)行差分及降采樣平均運(yùn)算。因此，對(duì)模擬原始信號(hào)濾波后進(jìn)行差分及降采樣平均處理，如圖3所示，1 Hz的低頻噪聲信號(hào)被去除。模擬結(jié)果表明，對(duì)DVS系統(tǒng)原始信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波后差分及平均處理，可以過(guò)濾掉風(fēng)吹、海浪等引入的大幅值、低頻、周期性的環(huán)境噪聲。

圖3 濾波后差分及平均處理Fig.3 Differential and average processing after filtering

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果

圖4 圍欄布置現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Fence layout

針對(duì)以上理論分析，我們進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的圍欄上布置長(zhǎng)度為1 700 m的光纜，間隔一定的距離用扎帶將光纜捆扎在圍欄上，布置效果如圖4所示。

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境沒(méi)有其他人為因素干擾下，系統(tǒng)檢測(cè)到的光纜振動(dòng)曲線如圖5所示，可以看出DVS系統(tǒng)具有較高的靈敏度，能夠檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中低頻、大幅值、周期性的信號(hào)(如風(fēng)吹、車輛等)引起的光纜振動(dòng)。

在光纜1 480 m處進(jìn)行攀爬實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)濾波前后檢測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。圖6a顯示1 480 m處攀爬引起的振動(dòng)與環(huán)境中低頻噪聲引起的振動(dòng)無(wú)法僅通過(guò)幅值大小區(qū)別開(kāi)來(lái)，而圖6b顯示對(duì)原始信號(hào)濾波后，低頻、大幅值的環(huán)境噪聲被濾除，保留了攀爬位置信號(hào)。進(jìn)一步提取攀爬過(guò)程中某一時(shí)刻濾波前后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6c所示，濾波后攀爬位置處信號(hào)信噪比由原來(lái)的10.2 dB提高到16.2 dB，信噪比提升50%以上，濾波效果明顯。此外，對(duì)環(huán)境噪聲和攀爬位置處信號(hào)做頻域分析可知(圖7)，環(huán)境噪聲信號(hào)頻率主要集中在低頻段，攀爬位置的信號(hào)包含高頻分量，因此通過(guò)對(duì)分布式光纖振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理，能夠有效地去除環(huán)境中低頻、大幅值、周期性環(huán)境噪聲，提高系統(tǒng)信噪比。

圖5 環(huán)境背景噪聲Fig.5 Environmental background noise

圖6 攀爬信號(hào)濾波效果對(duì)比Fig.6 Filtering effect comparison of climbing signal

圖7 信號(hào)頻域分析Fig.7 Signal frequency domain analysis

4 結(jié)論

本文對(duì)一種相位敏感的光纖分布式振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的原始信號(hào)進(jìn)行了濾波模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)濾波能夠有效地去除環(huán)境中大幅值、低頻、周期性噪聲信號(hào)，保留攀爬位置處的目標(biāo)信號(hào)，并且系統(tǒng)信噪比提高50%，進(jìn)一步提升了分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)在工程領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)用性。然而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)整條光纜信號(hào)同時(shí)濾波，數(shù)據(jù)運(yùn)算量大，造成了一定的系統(tǒng)延時(shí)，并且光纜不同位置所處的環(huán)境不同，使用相同濾波參數(shù)會(huì)對(duì)效果有一定的影響，因此如何分區(qū)、分參數(shù)濾波，提升濾波算法及系統(tǒng)性能是今后著力改進(jìn)和研究的方向。

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