張玉曉,陳元林,安博文,梁怡飛

(上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院,上海 201306)

1 引 言

分布式聲學(xué)傳感器(DAS)有多種實(shí)現(xiàn)方式,其主要基于邁克爾遜(Michelson)干涉儀、馬赫-澤德?tīng)?Mach-Zehnder)干涉儀、薩格納克(Sagnac)干涉儀、光時(shí)域反射儀(OTDR)和光纖布拉格光柵(FBG)幾種原理[1-6]。其中光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)的諧振激光腔通常由兩個(gè)光纖布拉格光柵組成[7],能將注入傳感光纖的激光脈沖逐次反射后增大相位變化,靈敏度極高。

基于OTDR原理的DAS實(shí)現(xiàn)方案,通過(guò)分析背向瑞利散射光的軌跡變化能定位振動(dòng)位置和解調(diào)出振動(dòng)信號(hào)特征,具有靈敏度高,監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng),空間上可區(qū)分多點(diǎn)同時(shí)振動(dòng),占用光纖數(shù)量少的特點(diǎn),適合于工程監(jiān)測(cè)應(yīng)用[8]。高壓電力傳輸系統(tǒng)中的電纜絕緣層接頭及終端會(huì)在擊穿前產(chǎn)生局部放電,利用DAS檢測(cè)擊穿前局部放電所產(chǎn)生的聲發(fā)射能有效防止系統(tǒng)癱瘓[9]。運(yùn)送能源(如天然氣、石油等)的長(zhǎng)距離管道存在施工挖掘、盜挖等外破風(fēng)險(xiǎn),利用DAS監(jiān)測(cè)可防止?jié)撛诘氖鹿蔥10-12]。海底電力電纜易受到船錨、洋流沖刷導(dǎo)致懸空之后的晃動(dòng)等機(jī)械沖擊而引發(fā)故障損壞,借助DAS探測(cè)可有效預(yù)防[13]。以上所述惡劣環(huán)境中急需長(zhǎng)距離且低運(yùn)維成本DAS傳感器。

DAS在工程應(yīng)用中需要對(duì)外部振動(dòng)信號(hào)的類(lèi)型進(jìn)行有效識(shí)別,所以復(fù)原外部振動(dòng)信號(hào)特征能力是衡量設(shè)備性能和實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)預(yù)警的關(guān)鍵指標(biāo),即能否從光纖振動(dòng)探測(cè)信號(hào)中還原原始振動(dòng)信號(hào)特征的能力。音頻信號(hào)調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)是測(cè)試OTDR還原外部振動(dòng)信號(hào)能力的主要評(píng)估方法?；贠TDR技術(shù)的DAS有兩種實(shí)現(xiàn)方式,分別是相干OTDR(C-OTDR)和相位敏感 OTDR(Φ-OTDR)技術(shù)。C-OTDR還原聲音性能優(yōu)異,文獻(xiàn)[14]采用扁平封裝光纖設(shè)計(jì)演示了人聲檢測(cè)和再現(xiàn)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了分布式光纖麥克風(fēng)的多路復(fù)用能力。但C-OTDR在還原原始信號(hào)時(shí)需要參考信號(hào),在工程應(yīng)用上有所限制。Φ-OTDR采用法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉儀模型分析,只需單個(gè)傳感光源和單條傳感線路,可集傳感和光纖于一體,且在還原原始信號(hào)時(shí)無(wú)需參考信號(hào),因此其適用于工程應(yīng)用[15]。文獻(xiàn)[16]使用直接監(jiān)測(cè)的相位OTDR演示實(shí)時(shí)光纖麥克風(fēng),該方法能夠?qū)⒔邮掌髡{(diào)諧到光纖的任意部分并實(shí)時(shí)恢復(fù)檢測(cè)到的聲波。該文獻(xiàn)提出的系統(tǒng)允許通過(guò)300 m長(zhǎng)的光纖收聽(tīng)具有可變頻率的音樂(lè)和人聲的正弦干擾聲音,空間分辨率約為60 cm。但該文獻(xiàn)是對(duì)Φ-OTDR音頻復(fù)現(xiàn)性能的極限測(cè)試,其使用6 ns的超窄激光脈沖在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中會(huì)被快速衰減。而實(shí)際工程應(yīng)用中需要長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè),僅有寬脈沖傳輸才能實(shí)現(xiàn),因此該方法僅能實(shí)現(xiàn)超短距離的音頻復(fù)現(xiàn)[17]。

本文分析了DAS在實(shí)際工程監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的特定需求,建立了基于Φ-OTDR的簡(jiǎn)易且低成本的振動(dòng)信號(hào)的解調(diào)與復(fù)現(xiàn)系統(tǒng),驗(yàn)證了該系統(tǒng)在脈沖寬度40 ns,脈沖重復(fù)頻率10 kHz的條件下具備外部音頻信號(hào)的解調(diào)復(fù)現(xiàn)能力,且能在10 km長(zhǎng)的光纖的任一位置實(shí)現(xiàn),空間分辨率達(dá)到4 m。

2 原理及仿真

2.1 原 理

基于法布里-珀羅干涉模型(Fabry-Perot),Φ-OTDR可以將光纖看作隨機(jī)分布的一系列反射鏡。當(dāng)一束高相干的超窄激光脈沖w被注射進(jìn)入具有恒定損耗α的光纖中,光電探測(cè)器端探測(cè)的背向瑞利散射光功率模型如圖1所示。

圖1 干涉模型

將光纖的單位空間分辨率長(zhǎng)度分為空間間隔為ΔL的N個(gè)反射鏡。每個(gè)反射鏡的反射率ri和相位延遲φi都服從獨(dú)立的隨機(jī)分布,其中ri服從瑞利分布,φi在(0,2π)區(qū)間內(nèi)服從均勻分布。若探測(cè)到的光纖長(zhǎng)度為mΔL,在一個(gè)脈沖寬度內(nèi)的N個(gè)反射鏡產(chǎn)生的背向瑞利散射信號(hào)干涉場(chǎng)可以表示為[18-19]:

(1)

其中,θp是外部光纖振動(dòng)點(diǎn)的相位偏移量,其值為如下數(shù)學(xué)表達(dá)式:

(2)

其中，zp是振動(dòng)位置點(diǎn)；zi是每個(gè)反射鏡的初始位置；φp是外部振動(dòng)引起的相位變化。

2.2 仿 真

通常施加于光纖任意位置的外部振動(dòng)信號(hào)呈振蕩形式衰減。本文采用抽樣信號(hào)模擬外部振動(dòng)信號(hào)的相位變化。通過(guò)上述理論模型可得到與抽樣信號(hào)輪廓一致的探測(cè)信號(hào),如圖2所示。該仿真結(jié)果表明,理論上Φ-OTDR可實(shí)現(xiàn)外部振動(dòng)信號(hào)的解調(diào)與復(fù)原。

圖2 理論仿真

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

當(dāng)聲波在空氣中傳輸時(shí),其誘導(dǎo)光纖產(chǎn)生的應(yīng)變極其微小。就有涂覆層的普通光纖而言,該應(yīng)變無(wú)法引起光纖振動(dòng),因此本實(shí)驗(yàn)采用聚苯乙烯板作為增敏材料。本文實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示:將尺寸為40 cm×80 cm且厚度僅為0.2 mm的聚苯乙烯板采用兩根立柱固定,并將長(zhǎng)度為750 cm的光纖纏繞成半徑為10 cm的圓環(huán),利用透明膠布將圓環(huán)固定在聚苯乙烯板上。圓環(huán)中心作為外部振動(dòng)測(cè)試位置點(diǎn),揚(yáng)聲器放置在圓環(huán)中心正前方約10 cm處。測(cè)試光纖總長(zhǎng)為10 km,圓環(huán)位于10 km末端,實(shí)驗(yàn)搭建環(huán)境如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 實(shí)驗(yàn)搭建環(huán)境

3.2 設(shè)備指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備指標(biāo)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備指標(biāo)

本文的實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟:

(1)將音頻播放器與揚(yáng)聲器連接并啟動(dòng)振動(dòng)采集設(shè)備。

(2)播放音頻文件并采集測(cè)試位置點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

(3)將預(yù)處理后的振動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為音頻文件。

4 系統(tǒng)特性測(cè)試

4.1 系統(tǒng)響應(yīng)模型

為了測(cè)試本文搭建系統(tǒng)的響應(yīng)模型,現(xiàn)將一組頻率范圍為200～5000 Hz,間隔為100 Hz的正弦掃頻信號(hào)作為外部振動(dòng)激勵(lì)源。激勵(lì)信號(hào)和振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的頻譜以及系統(tǒng)的幅頻曲線如圖5所示:(a)為激勵(lì)信號(hào)的頻譜,(b)為響應(yīng)信號(hào)的頻譜,(c)是根據(jù)(b)擬合得到的幅頻曲線。該幅頻曲線具有三峰特性,幅度最高的波峰中心頻率為300 Hz,其頻率分布區(qū)間為200～400 Hz；幅度較低的波峰中心頻率為500 Hz,其頻率分布區(qū)間為400～600 Hz；幅度最低的波峰中心頻率為800 Hz,其頻率分布區(qū)間為600～1200 Hz。幅度較低的波峰在其頻率區(qū)間快速衰減,影響信號(hào)復(fù)現(xiàn)性能,其中在2000 Hz之后衰減的頻率相較于主峰頻率可忽略不計(jì),因此振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)幅頻曲線的有效頻譜分布在200～1000 Hz區(qū)間,且具備頻率篩選功能。而在實(shí)際工程應(yīng)用中,外部振動(dòng)信號(hào)的頻率集中分布在1000 Hz以下的頻率區(qū)間,因此本實(shí)驗(yàn)搭建的復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)能滿足實(shí)際應(yīng)用中外部振動(dòng)信號(hào)的解調(diào)復(fù)現(xiàn)。

圖5 系統(tǒng)響應(yīng)模型

4.2 系統(tǒng)頻譜分辨率

最小可分辨頻率間隔表征系統(tǒng)對(duì)外部振動(dòng)信號(hào)的頻譜分辨能力。本文采用具有固定頻率間隔且從200～2000 Hz遞增的掃頻信號(hào)作為外部振動(dòng)信號(hào)。從圖6看到,頻率間隔為20 Hz的掃頻信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后各個(gè)頻率的頻譜清晰可見(jiàn),未發(fā)生混疊。頻率間隔為10 Hz的掃頻信號(hào)頻譜發(fā)生混疊。則該系統(tǒng)的最小頻譜分辨率為20 Hz。

圖6 系統(tǒng)頻譜分辨率

5 人聲及音樂(lè)測(cè)試

5.1 人聲試驗(yàn)

為了測(cè)試該系統(tǒng)對(duì)于非單一頻率激勵(lì)源的音頻復(fù)現(xiàn)能力,采用人聲作為測(cè)試源。人聲音頻內(nèi)容分別為中文數(shù)字12345和英文數(shù)字12345。中文數(shù)字12345和英文數(shù)字12345的時(shí)域波形和頻譜分布情況分別如圖7和圖8所示。可以看到對(duì)于復(fù)雜的人聲信號(hào),經(jīng)過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置得到的復(fù)現(xiàn)音頻在時(shí)域和頻域上都保留了該段音頻的特有分量。進(jìn)一步播放復(fù)現(xiàn)的兩段音頻,發(fā)現(xiàn)人耳均可分辨兩段音頻內(nèi)容。對(duì)比激勵(lì)信號(hào)的頻譜,復(fù)現(xiàn)音頻的頻譜在1000 Hz之后快速衰減,與圖5所示的系統(tǒng)響應(yīng)一致。

圖7 人聲試驗(yàn)中文數(shù)字12345

圖8 人聲試驗(yàn)英文數(shù)字12345

5.2 音樂(lè)試驗(yàn)

相較于人聲,音樂(lè)具有更豐富的頻率,其信號(hào)連續(xù)性更強(qiáng),因此將音樂(lè)作為外部振動(dòng)激勵(lì)源進(jìn)一步測(cè)試本系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)性能。由圖9激勵(lì)源與復(fù)現(xiàn)音樂(lè)的時(shí)域波形與頻譜分布圖可知:本實(shí)驗(yàn)裝置搭建的系統(tǒng)能夠檢測(cè)和再現(xiàn)更復(fù)雜的音樂(lè)信號(hào)。

圖9 音樂(lè)試驗(yàn)

5.3 音頻相似性評(píng)價(jià)

梅爾倒譜(Mel)系數(shù)(MFCC)具有相對(duì)穩(wěn)定且抗噪聲等優(yōu)點(diǎn),能夠主觀的刻畫(huà)語(yǔ)音的特征參數(shù)。因此MFCC系數(shù)作為語(yǔ)音特征相似度的評(píng)價(jià)參數(shù)被廣泛使用。對(duì)三種振動(dòng)激勵(lì)源的原始音頻文件與上述實(shí)驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)的三種振動(dòng)激勵(lì)源的音頻文件分別提取對(duì)應(yīng)的MFCC,利用對(duì)應(yīng)音頻的幀間相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量原始音頻與復(fù)現(xiàn)音頻的相似度,評(píng)價(jià)復(fù)現(xiàn)音頻質(zhì)量的優(yōu)劣。人聲與音樂(lè)三種測(cè)試源的平均MFCC相關(guān)系數(shù)如表2所示。

表2 復(fù)現(xiàn)音頻與原始音頻的平均MFCC相關(guān)系數(shù)

三種測(cè)試源的相關(guān)系數(shù)均大于0.8,即原始音頻與復(fù)現(xiàn)音頻之間屬于強(qiáng)相關(guān)。該系數(shù)定量的表征了復(fù)現(xiàn)音頻內(nèi)容能被辨別。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景,將外部振動(dòng)激勵(lì)源轉(zhuǎn)化為可播放的音頻文件,演示了一種基于Φ-OTDR的直接檢測(cè)的簡(jiǎn)易且低成本的振動(dòng)激勵(lì)的解調(diào)與復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)。為了解決聲波在空氣中傳輸時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變較小而無(wú)法引起光纖振動(dòng)的問(wèn)題,使用聚苯乙烯板作為增敏材料。將生成的單一頻率正弦波音頻文件、人聲及音樂(lè)三種激勵(lì)源信號(hào)通過(guò)揚(yáng)聲器播放來(lái)干擾測(cè)試光纖,所復(fù)現(xiàn)的音頻文件內(nèi)容能得到區(qū)分。通過(guò)該種測(cè)試方式證明該系統(tǒng)在10 km的長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)中具備復(fù)雜音頻信號(hào)的解調(diào)與復(fù)現(xiàn)能力,且該系統(tǒng)的空間分辨率為4 m。此外,若幀頻調(diào)整為5 kHz,該系統(tǒng)可探測(cè)的傳感距離為20 km,能解調(diào)復(fù)現(xiàn)2.5 kHz以?xún)?nèi)的振動(dòng)信號(hào)。