賀龍周,孫 捷

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院,成都 610225)

分布式光纖傳感周界系統(tǒng)是一種利用光纖隨振動(dòng)后相位變化所引起的一系列物理特性的變化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光路上干擾信號(hào)的振動(dòng)監(jiān)測(cè),具有比較高的可靠性.并且光纖本身也具有抗電磁干擾、抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),光纖傳感已經(jīng)成為整個(gè)周界領(lǐng)域的研究熱門方向之一[1].

目前光纖周界方面主要研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為Sagnac、OTDR、FB 以及單M-Z 等,其中,研究M-Z 結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)由于較簡(jiǎn)易、整體系統(tǒng)硬件成本低、定位算法比較容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),使得該結(jié)構(gòu)在周界領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,本文通過自己搭建整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集以及干擾信號(hào)的模擬,再采用LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集數(shù)據(jù)的模擬識(shí)別處理以及傳感臂和參考臂雙路信號(hào)的相關(guān)性仿真,根據(jù)兩路信號(hào)時(shí)延差信息及相關(guān)性強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)處理,進(jìn)而確定干擾信號(hào)類型及外界信號(hào)的入侵位置等關(guān)鍵性問題.

1 雙M-Z 分布式光纖傳感周界系統(tǒng)

文章主要是利用基于光纖干涉儀原理的光纖傳感周界預(yù)警和定位系統(tǒng),這樣的傳感系統(tǒng)通常是相位調(diào)制型的傳感器整個(gè)周界系統(tǒng)利用M-Z 干涉儀的原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括光源、光耦合器、光環(huán)形器、光電探測(cè)器、單模傳感光纖等器件組合而成.

在光纖傳感系統(tǒng)中,搭建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要采用干涉儀的結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)如圖1,其中C1 為1×2,C2、C3、C4 為2×2 的光纖耦合器,在整個(gè)光路中干涉臂的長(zhǎng)度大致一樣.光源為長(zhǎng)相干光,光源出來之后經(jīng)過C1 后,被1：1 的分為兩路,接著其中一路經(jīng)過2×2 的耦合器C2 后又被均分為兩路,并且這兩路光最后在耦合器C4 處發(fā)送干涉現(xiàn)象,這個(gè)干涉后的信號(hào)通過傳感光纖到達(dá)耦合器C3 處,其中一路經(jīng)過光電探測(cè)模塊D2 后,再通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入PC;另外一路光通過耦合器C3 進(jìn)入延時(shí)光纖,然后又通過耦合器C4 被分為兩路光,最終在耦合器C2 處發(fā)生干涉現(xiàn)象,干涉信號(hào)通過其中的一個(gè)支路進(jìn)入光電探測(cè)模塊D1,進(jìn)而通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入PC.兩個(gè)干涉信號(hào)最后再PC 端進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理、模擬識(shí)別定位等.

圖1 M-Z 結(jié)構(gòu)的光纖周界系統(tǒng)原理圖

2 周界系統(tǒng)的調(diào)制原理

整個(gè)光纖傳感周界系統(tǒng)在沒有外界干擾的情況下,從S 發(fā)出的光源經(jīng)過耦合器、傳感光纖后在兩個(gè)光電探測(cè)模塊D1,D2 都能夠探測(cè)到穩(wěn)定的干涉信號(hào).在不考慮外界溫度及環(huán)境因素的前提下,我們使用窄帶光源,經(jīng)過耦合器、干涉儀結(jié)構(gòu)后,在光電探測(cè)模塊同樣可以檢測(cè)到比較穩(wěn)定的光功率.

由于光在傳播的過程中相位的變化會(huì)和光所傳播的距離有關(guān)系,其中單色光的波長(zhǎng)為φ,并且光波通過長(zhǎng)為L(zhǎng)的傳感光纖后會(huì)產(chǎn)生相位的延遲,其中兩者之間的關(guān)系式如下[2]：

式中,λ0表示光在真空中傳播時(shí)的波長(zhǎng);β表示光纖的傳播系數(shù).

如果在光波傳播的過程中外界有干擾,則干擾行為會(huì)直接影響傳感光纖的長(zhǎng)度、折射率等固定參量的變化,進(jìn)而所引起的相位變化關(guān)系如下：

式中,Δφ表示光傳播過程中相位的變化,r表示光纖的纖芯半徑,n表示光纖纖芯的折射率.

式(2)表示了光波相位發(fā)生變化主要是由下述三部分組成[3]：(1)由于外界因素導(dǎo)致光纖的長(zhǎng)度發(fā)生變化,進(jìn)而造成相位也跟著變化,這種現(xiàn)象通常稱為光纖的應(yīng)變效應(yīng)[4].(2)這部分主要是因?yàn)楣饫w的折射率的變化所引起的相位變化.這種變化現(xiàn)象稱為光纖的彈光效應(yīng)[5].(3)最后一部分主要是由于光纖的半徑變化所引起的相位的變化,這種現(xiàn)象稱為光纖的泊松效應(yīng).最后一部分和前兩部分相比而言,整個(gè)光纖的半徑、直徑的變化是非常微小的,所以導(dǎo)致的相位變化也是很渺小,進(jìn)而可以直接忽略不計(jì)[6].則外界因素影響下的相位關(guān)系式可以簡(jiǎn)化如下：

3 系統(tǒng)的定位原理

假設(shè)耦合器C2 到C4 之間的兩個(gè)支路,支路長(zhǎng)為L(zhǎng)1,上面的為傳感光纖,對(duì)應(yīng)的下面支路為參考光纖,C3、C4 之間的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2,若干擾信號(hào)在距離耦合器C2 的X處,則兩路光波信號(hào)從光源到光電探測(cè)模塊的距離是不同的,參考光路與傳感光路的光路程差為2X,那么若在D1、D2 兩端同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的采集,則兩個(gè)信號(hào)之間會(huì)有一個(gè)時(shí)間差T,而造成產(chǎn)生時(shí)間差的主要原因就是和外界干擾信號(hào)的確切位置有著直接的關(guān)系,所以對(duì)光纖傳感周界系統(tǒng)的信息分析處理,應(yīng)當(dāng)首先確定干擾信號(hào)所發(fā)生的位置,通過計(jì)算兩路信號(hào)所產(chǎn)生的時(shí)間差T,在實(shí)際操作中,對(duì)于干擾信號(hào)的位置確定主要實(shí)現(xiàn)過程如下所述[7]：

即X=(t1c)/n;則干擾信號(hào)距離耦合器C4 的距離為：L1-X=(t2c)/n;耦合器C3、C4 之間的距離為：L2=(t3c)/n;上述各式中c為真空中的光速,n為光纖纖芯的折射率.

因此在光電探測(cè)模塊D1 處所檢測(cè)到的電信號(hào)為：

同樣在光電探測(cè)模塊D2 處所檢測(cè)到的電信號(hào)為：

上述式子中I1和I2分別表示A、B 兩方向的干涉儀輸入光強(qiáng),Q1和Q2則表示對(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)的對(duì)比度,φ0則為初始相位,通常情況下默認(rèn)為π/2,這個(gè)時(shí)候整個(gè)周界系統(tǒng)的靈敏度是最高的.而上述y1(t)與y2(t)兩者間存在一定的時(shí)間差T,則[8-10]：

則外界干擾信號(hào)的位置為：

因此只要計(jì)算出兩路之間信號(hào)的時(shí)間差T,就可以準(zhǔn)確掌握外界干擾信號(hào)的具體位置[11,12].兩者之間不僅存在時(shí)間差,理論上探測(cè)模塊D1、D2 所接收的信號(hào)波形應(yīng)該基本一致,因此兩個(gè)光路信號(hào)具有極強(qiáng)的相關(guān)性,我們可以對(duì)所得到的兩路信號(hào)進(jìn)行一定的相關(guān)性計(jì)算,就會(huì)得出一個(gè)最大值,此刻便是兩個(gè)光支路信號(hào)相關(guān)性信號(hào)最強(qiáng)的時(shí)候,將此時(shí)所得到的最大值與零時(shí)刻的值進(jìn)行比較,就會(huì)得出兩路的信號(hào)時(shí)間差T,通過這樣的方法也可以判斷出外界干擾信號(hào)的具體位置.

4 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及分析

4.1 正交調(diào)制的選擇

提高采用虛擬儀器LabVIEW 對(duì)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,由光纖干涉的條件可以斷定,當(dāng)兩臂信號(hào)的相位差為π/2 時(shí),光的干涉效應(yīng)才能達(dá)到最佳狀態(tài),因此進(jìn)行正交偏置的調(diào)制仿真.如圖2.

由該圖可以驗(yàn)證,左下角的圖為零偏置和正交偏置兩種方式進(jìn)行的仿真圖,可以明確看出當(dāng)處于正交偏置狀態(tài)時(shí),信號(hào)的靈敏度及幅值都有很大程度的提升,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量動(dòng)態(tài)多范圍信號(hào)具有較好的使用價(jià)值.

圖2 正交偏置仿真

4.2 采集信號(hào)的模式識(shí)別

采用閾值法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行有效的識(shí)別處理,由于整個(gè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高,并且在對(duì)外界情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),若對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,則會(huì)造成較大的運(yùn)算量,可能會(huì)拖慢系統(tǒng)的進(jìn)程.所以采用閾值法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行篩選,進(jìn)而只對(duì)判斷為入侵信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性處理,有效的提高了系統(tǒng)的運(yùn)算能力.具體仿真圖如下：

根據(jù)閾值法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行信號(hào)類型區(qū)分辨別,依據(jù)采集的20 多組數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析可以確定常見的幾種干擾信號(hào)的閾值區(qū)間(人為干擾：≥310;雨聲：200～310;風(fēng)聲：100～200).

針對(duì)仿真結(jié)果圖顯示,閾值法可以準(zhǔn)確的判斷出干擾信號(hào)的類型,由圖3程序的前面板圖可以明確看出測(cè)量數(shù)據(jù)的最大值為21.8257,波形圖所顯示的時(shí)間段波形基本穩(wěn)定,類似一般的生活噪聲,所以程序給出正常狀態(tài)的效應(yīng)提示.而圖4則是文件路徑添加實(shí)驗(yàn)環(huán)境在有風(fēng)的情況下測(cè)量的數(shù)據(jù),根據(jù)軟件分析可以在前面板明確看出最大值為146.6,符合100～200 范圍內(nèi),所以判斷的效應(yīng)為有風(fēng)狀態(tài).由圖可知所獲取的波形圖不穩(wěn)定,將幅值低于10 的基本視為生活噪音,會(huì)存在個(gè)別尖峰波形,是由于外界吹風(fēng)的原因?qū)е虏ㄐ瓮蛔?但峰值范圍基本穩(wěn)定,由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境并不完全隔離,所以測(cè)量范圍也比較大,從而會(huì)導(dǎo)致波形的原始正弦信號(hào)被淹沒,致使最終波形中看不到原正弦波.圖5所分析的數(shù)據(jù)集幅值為330.56,符合之前的人為干擾閾值范圍,所以程序的最終判斷效應(yīng)為人為擊打,從而產(chǎn)生報(bào)警響應(yīng).

圖3 模式識(shí)別(正常狀態(tài))

圖4 模式識(shí)別(有風(fēng)狀態(tài))

圖5 模式識(shí)別(人為入侵)

通過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,可以將該周界系統(tǒng)應(yīng)用到一些區(qū)域安防中,準(zhǔn)確率較高,具有一定的可行性.

4.3 周界系統(tǒng)的定位研究

利用采集卡的采集程序進(jìn)行周界環(huán)境的外界信號(hào)采集,并利用軟件編程,實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)的模式識(shí)別后,進(jìn)而準(zhǔn)確的得出干擾信號(hào)的位置信息,對(duì)整個(gè)安防事業(yè)全能高效的工作起到較高的作用.

由圖6可以準(zhǔn)確看出右邊的圖為為被測(cè)外界干擾原始信號(hào),左邊為利用軟件進(jìn)行原始信號(hào)的解調(diào)還原,進(jìn)而根據(jù)解調(diào)得到的信號(hào)進(jìn)行定位確定.圖中也顯示了部分位置的一些振幅情況.圖7則是利用雙路信號(hào)的相關(guān)性進(jìn)行仿真運(yùn)算,當(dāng)噪聲水平較低時(shí),才能實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)極大值的索引值得到準(zhǔn)確的計(jì)算.兩路信號(hào)的延時(shí)分別為200 和800,即兩路信號(hào)的時(shí)延差為600,取得互相關(guān)函數(shù)最大值索引減去采樣值得599,及求得時(shí)間差與信號(hào)的真實(shí)事件相差一個(gè)單位,因此認(rèn)為采用此方法進(jìn)行干擾定位比較可靠.

圖6 干擾信號(hào)定位程序

圖7 雙路信號(hào)互相關(guān)程序

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,可以驗(yàn)證通過使用閾值設(shè)定的方法進(jìn)行干擾信號(hào)類型的確定,這不僅可以提高整體系統(tǒng)的使用效率及運(yùn)算速度,還能夠減少復(fù)雜運(yùn)算對(duì)系統(tǒng)硬件本身的損耗,節(jié)約成本.同時(shí)利用互相關(guān)理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩路信號(hào)時(shí)延差的準(zhǔn)確提取,進(jìn)而確定侵入信號(hào)的準(zhǔn)確位置具有一定的可行性[13-16],而且通過對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn),可以將信號(hào)的定位誤差確定在較小的范圍內(nèi),這樣一來,整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究對(duì)實(shí)際工程中應(yīng)用所采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠滿足其所需的基本干擾識(shí)別及侵入定位.因此,這樣的分布式光纖周界系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)判斷干擾異常等事物具有一定的可行性和很大程度的應(yīng)用價(jià)值.