高擎昊，蘇幸晨，張成龍，呂立冬

(安徽工業(yè)大學電氣與信息工程學院，安徽馬鞍山 243032)

0 引言

由于管道運輸運量大、安全性好、連續(xù)性強、經(jīng)濟性高，需要持續(xù)供應的資源大多通過管道運輸。針對管道破壞事件，分布式光纖振動傳感技術(shù)憑借其優(yōu)勢可以滿足對周界安防長距離、高空間分辨率的監(jiān)測需求[1]。

與常規(guī)傳感方案相比，分布式光纖振動傳感系統(tǒng)使用光纖作為傳感媒介，代替點式電子式傳感器和相關導線，可用于建筑內(nèi)部裂縫檢測、管道安防監(jiān)測。Y. L. Lu等[2]基于相敏光時域反射技術(shù)，采用相干探測方式，結(jié)合移動平均、移動差分信號處理算法，設計了分布式振動傳感器，并通過鉛筆斷裂模擬裂縫聲實驗，獲得系統(tǒng)的空間分辨率達到5 m，最高頻率響應為1 kHz；Z. G.Qin等[3]在相敏光時域反射系統(tǒng)中結(jié)合小波變換方法降低系統(tǒng)噪聲，將系統(tǒng)的最高探測頻率提升到8 kHz；文仲寺等[4]將低通濾波和小波降噪技術(shù)結(jié)合，提出一種協(xié)同濾波降噪方法，將信號的信噪比提升了5.1 dB。

分布式光纖振動傳感器作為周界安防、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的理想工具，國內(nèi)外研究的主要方向是突破其性能限制，提升監(jiān)測事件識別能力[5-6]。由于大多數(shù)的外力破壞行為持續(xù)時間較短，事件定位與識別對于分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的實時性有較高的要求，而優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法是提高系統(tǒng)監(jiān)測效率的主要途徑。這一方面需要優(yōu)化信號的特征提取和分析算法，提升系統(tǒng)在實際環(huán)境中對入侵事件的識別能力[7]；另一方面需要提升數(shù)據(jù)傳輸及處理速度。黃新銳等[8]提出用于分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)流壓縮傳送方法，通過特征提取算法，將數(shù)據(jù)壓縮至原本的0.96‰，提高了系統(tǒng)響應速度。一般使用逐差法對振動事件定位，該算法需要將每次采集的曲線進行作差處理再根據(jù)多條差值曲線定位振動事件，但是該方法無法同時獲得較好的定位精度和響應時間。本文針對上述問題提出一種基于偏振降噪的比值定位算法，以提高監(jiān)測系統(tǒng)的實時性、準確性，并且提出一種時域疊加方法強化信號的振動特征，為準確得到振動信號頻譜提供保障。

1 POTDR系統(tǒng)原理

POTDR技術(shù)是在光時域反射(optical time domain reflectometery，OTDR)技術(shù)的基礎上改進而來的[9-10]，其最早由A.J.Rogers提出并用于測量磁場、電場等物理場的空間分布情況[11]。瑞利散射屬于彈性散射[12]，當光纖受到應力、振動等外部擾動影響時，雙折射效應使得合成的背向瑞利散射光偏振態(tài)改變。光纖雙折射效應是光纖對2個相互垂直偏振方向上的光具有不同的折射率，當光通過光纖時，使得這2個方向上的光波的傳播速度不同，經(jīng)過一段光纖的傳輸后，兩者的相位差發(fā)生改變，進而使得合成光的偏振態(tài)發(fā)生變化。于是，通過光電探測器檢測背向瑞利散射光功率的變化，即可得到傳感光纖中各位置點散射光的偏振態(tài)信息[13-14]，從而分析光纖沿線的振動事件。

然而，通過一條光時域反射曲線只能得到某次測量的各位置點散射光功率信息，無法解調(diào)出有效的振動頻譜。故需要連續(xù)采集多個測量周期的曲線，得到每個位置點對應的時域數(shù)據(jù)，再對其進行快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)，從而提取各位置點的振動譜并識別事件。在實際處理中，一方面直接采集到的光時域反射曲線往往信噪比較差，導致事件定位困難；另一方面對所有位置點數(shù)據(jù)進行FFT，運算量大，降低系統(tǒng)實時性。因此，本文采用先降噪、定位，再進行頻譜提取的思路，提高系統(tǒng)的運行速度。

2 信號處理

2.1 信號處理流程

分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的信號處理流程主要為信號降噪、振動定位、頻域變換、特征提取與識別。系統(tǒng)采集的信號含有噪聲，噪聲主要來源于光電二極管，圍繞某固定的電壓值波動。降噪的方法有累加平均、低通濾波、小波降噪等。

當前針對振動事件定位的方法有直接頻譜法和時域逐差法。直接頻譜法對同一位置點在不同時刻的信號進行FFT，若該位置受到振動事件影響，則頻譜中將包含該信號特征頻率。逐差定位法將相鄰周期采集的曲線做差，在振動位置前，偏振態(tài)幾乎不受影響，差值曲線波動小，而振動位置及其后的位置差值曲線波動劇烈。雖然直接頻譜法定位準確，但需要對光纖每個位置的數(shù)據(jù)進行處理，而振動事件可能僅僅在某個或某幾個位置點，增加了系統(tǒng)運算負擔。而逐差定位法僅通過差值曲線判斷振動位置，由于信號隨機波動等原因，使得在不同閾值設定情況下其定位精度不穩(wěn)定。

此外，由于POTDR系統(tǒng)光時域反射曲線從振動點開始直至光纖尾端都會受到偏振態(tài)改變的影響，本系統(tǒng)在定位振動事件后，為提高振動信號振動譜提取能力，提出一種數(shù)據(jù)時域疊加法，將振動點開始的多個連續(xù)位置點對應數(shù)據(jù)疊加，以強化信號中的振動特征，進而通過FFT得出更準確的振動頻譜。

2.2 逐差定位法

逐差定位法是常用的定位方法，將相鄰兩次測量的光時域反射曲線作差。在受到振動事件影響的位置點之前，曲線差值較小；受到振動事件影響的光纖位置及其后所有位置，差值曲線波動劇烈，然后根據(jù)多條差值曲線的波動情況，判斷振動事件位置。

在實際應用中，定位前需要先判斷振動事件是否存在。假設共有M條背向散射曲線，依次將相鄰的2條曲線作差，通過設定閾值的方法判斷差值曲線是否存在曲線突增的情況，若存在，則認為存在振動事件并進行定位。對逐差得到的M-1條差值曲線的所有位置點對應數(shù)據(jù)取絕對值，然后將同一位置點數(shù)據(jù)相加得到一條疊加平均的曲線。由于原本的每一條差值曲線在受到振動事件影響后，曲線波動由平緩變得劇烈，通過疊加差值的方法強化了振動前后位置點數(shù)據(jù)的對比，最后通過設定閾值確定振動位置。

傳統(tǒng)的逐差定位法在定位振動事件時，需要先對相鄰周期曲線作差，若僅使用2條曲線作差，系統(tǒng)靈敏度雖然較高，但是定位誤差較大；若多次差值獲取多條逐差曲線再判斷，需要處理的數(shù)據(jù)量則會增大，尤其在長距離線路監(jiān)測中，系統(tǒng)實時性明顯變差。

2.3 比值定位法

本文提出了一種新的振動事件定位算法：基于偏振降噪的比值定位法。該算法從步驟上分為振動判斷和振動定位，其處理流程如圖1所示。

圖1 比值定位流程圖

采集卡接收的初始數(shù)據(jù)為一維數(shù)據(jù)，首先需要根據(jù)采集卡的采集長度對一維數(shù)據(jù)進行整合得到M×N的二維矩陣，表示連續(xù)M個脈沖周期采集到的M條光時域反射曲線，每條曲線有N個數(shù)據(jù)點。然后將M條光時域反射曲線累加平均得到偏振降噪曲線，圖2中分別為受振動事件影響前后的偏振降噪曲線，因傳感光纖的偏振態(tài)的改變會從振動位置處持續(xù)到光纖末端，故受振動影響的光纖位置及其后位置的曲線波動平緩。

圖2 有無振動時偏振降噪曲線對比

本算法采用去除菲涅爾反射峰后的數(shù)據(jù)點進行振動事件判斷。原則上取的點數(shù)越多，判斷越準確，但在實際中，振動部分可能靠近光纖尾端，使得受振動影響的光纖長度較短，進而可能影響事件定位及后續(xù)振動譜的提取。結(jié)合曲線波動規(guī)律和實際情況取10個位置點對應數(shù)據(jù)進行振動判斷，求取該10個數(shù)據(jù)的均值，若其中存在超出范圍A的值，則認為曲線波動較大，即無振動事件發(fā)生，A的范圍設定為均值的0.995倍至1.005倍。通過圖3曲線末端對比可以明顯看出，受到振動事件影響的曲線末端相較于無振動時更加平緩。

圖3 偏振降噪曲線末端對比

在判斷存在振動事件后，從既定的末端位置點開始，將前一個位置點的數(shù)據(jù)與后一個位置的數(shù)據(jù)相比，得到比值B，若B值在閾值C范圍內(nèi)，則代表曲線波動平緩，繼續(xù)向前端尋點以此循環(huán)得到新的比值B，直至該值超出閾值C的范圍，停止循環(huán)尋點，將此值對應的2個位置中后一位置定義為振動位置。通過實驗對比非振動與振動部分相鄰點的比值曲線，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)受到振動事件影響的相鄰點比值明顯小于無振動部分。對多組實驗數(shù)據(jù)分析表明，將閾值C的范圍設定在0.97～1.03較為可靠。

圖4 比值曲線

從2種算法的處理流程上看，逐差定位算法首先需要將光時域反射曲線作差，再對差值曲線分別取絕對值后疊加，最后通過設定閾值判斷振動位置點。相比之下，比值定位法將所有光時域反射曲線疊加得到一條偏振降噪曲線，再判斷是否存在振動事件，最后通過逐點比值判斷振動位置點，需要處理的數(shù)據(jù)量大幅減少，進而優(yōu)化系統(tǒng)的響應時間。

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 實驗搭建

本文設計的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示[15]。脈沖激光器發(fā)出光脈沖通過偏振控制器實現(xiàn)起偏，經(jīng)光纖環(huán)形器1端口注入長度約10 km的多模光纖，光脈沖在傳播過程中產(chǎn)生的背向散射光經(jīng)由光纖環(huán)形器2端口后，從3端口輸出，進入偏振控制器2實現(xiàn)檢偏，再由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，最終由數(shù)據(jù)采集卡采集該電壓信號并傳入計算機，由計算機進行數(shù)據(jù)處理分析。本系統(tǒng)中由計算機控制數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出觸發(fā)脈沖同步控制激光器脈沖發(fā)射和數(shù)據(jù)采集。

圖5 POTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實驗參數(shù)設置上，脈沖頻率為5 kHz、脈沖寬度為10 ns，脈沖激光器中心波長為1 550 nm，數(shù)據(jù)采集卡采樣率為100 MSPS。實驗中需要考慮能否完整采集一個周期的振動信號，故采集時間和累加平均次數(shù)需要根據(jù)施加的信號特點而定。假設累加平均次數(shù)為100次，則FFT后可以探測到的振動事件的最大頻率為25 Hz。若加載的振動事件頻率為25 Hz，為保證能完整采集一個周期的振動信號，則采集時間至少為4 s，即需要采集200條累加平均100次后的光時域反射曲線。

3.2 實驗結(jié)果及分析

3.2.1 振動判斷測試

實驗中，將光纖振動事件加載到光纖末端，由人為拍打光纖模擬振動事件。為了保證采集到包含多個連續(xù)周期的振動信號以便于后續(xù)通過FFT提取振動譜，實驗中采集128條經(jīng)100次累加平均處理的光時域反射曲線，總的采集時間為2.56 s。使用MATLAB進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)截取不包含菲涅爾反射峰的部分，再將128條光時域反射曲線疊加后求平均，得到偏振降噪曲線。圖6(a)、圖6(b)分別是施加振動事件前后的偏振降噪曲線，再由本文提出的比值定位算法判斷振動事件是否存在，并定位出具體振動位置。圖6(a)為無振動事件加載時的曲線，算法準確判斷出其無振動事件加載。圖6(b)存在振動事件加載，算法定位出振動位置在光纖10 098 m處。

(a)未施加振動

(b)在光纖尾部施加振動圖6 振動前后偏振降噪曲線對比

為測試算法的精確度，通過觀察全部光時域反射曲線的波動情況得到理論定位點。如圖7所示，理論振動定位點位于10 099 m處，與圖6(b)中使用比值法得到的10 098 m定位點偏差1 m。

圖7 理論振動定位點

3.2.2 算法對比分析

在傳感光纖約5 km處加載人為振動事件。采集到128條光時域反射曲線，每條曲線累加平均100次。將128條曲線疊加輸出，如圖8(a)所示，從圖中可以看出本次振動的理論定位點在光纖5 114 m處。

(a)理論定位點

(b)逐差定位法效果

(c)比值定位法效果圖8 振動事件定位效果對比

對以上數(shù)據(jù)分別使用逐差定位法和比值定位法，得到的逐差曲線和偏振降噪曲線分別如圖8(b)和8(c)所示，圖中已標出各算法處理出的定位點位置?？梢钥闯鲋鸩疃ㄎ环ǖ玫降亩ㄎ稽c在光纖5 109 m處，比值定位法得到的定位點在5 111 m處，與直接觀察得出的理論定位點5 114 m分別偏差5 m和3 m，顯然基于偏振降噪的比值定位算法精度高于傳統(tǒng)的逐差定位法。通過對MATLAB運算時間計時，逐差定位法使用了0.37 s完成定位，而比值定位法花費時間0.26 s，運行速度相比逐差定位法提高了30%，可以有效減少POTDR系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理時間，提高系統(tǒng)的實時性。

確定振動位置后，將圖8(a)中的每條光時域反射曲線從振動位置點開始的50個連續(xù)位置點對應的數(shù)據(jù)疊加，取均值后得到一個長度為128的數(shù)組，再通過FFT得到振動頻譜，如圖9所示。實驗檢測到的振動事件頻率為6.64 Hz，與實驗中對測試光纖施加的振動信號頻率一致。

圖9 提取到的振動事件頻譜

實驗表明本文提出的基于偏振降噪的比值定位算法具有較好的可行性及可靠性。本算法可以有效判斷光纖沿線是否存在振動事件，若存在振動事件，則系統(tǒng)可以精準定位并得到振動事件頻譜。而傳統(tǒng)的逐差法由于背向瑞利散射光靈敏性高，相對的誤報率較高，若為提高其定位精度而多次逐差，再定位振動位置點，則又增加了數(shù)據(jù)處理量，降低了對動態(tài)事件的監(jiān)測效率。

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于POTDR分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的振動定位算法，該算法通過偏振降噪使振動位置前后的光時域反射曲線出現(xiàn)明顯差異，再通過比值定位算法定位出振動事件。該算法利用POTDR系統(tǒng)從振動點開始至傳感光纖末端偏振態(tài)都會被改變的特性，從曲線的尾端向前端進行尋點，通過相鄰位置點數(shù)據(jù)之間的比值大小來評估光時域反射曲線的突變位置從而實現(xiàn)定位。實驗表明比值定位法定位精度高于傳統(tǒng)的逐差定位法，最大定位誤差為3 m，該算法在MATLAB中的運行處理時間比逐差定位法縮短了約30%。此外，本文提出的信號時域疊加法可強化信號中的振動特征，能有效提取出振動事件頻譜。本文設計的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)及相應振動事件定位與提取算法可應用于管道及其內(nèi)部設施防外力破壞監(jiān)測預警。