光纤振动传感器由于其探测距离长、响应速度快、灵敏度高,特别是自身不辐射电磁波也不受电磁干扰等优点,已经在安防监控等领域得到了广泛的应用。

目前,干涉型传感器主要基于以下几类技术:Sagnac干涉技术、M-Z(Mach-Zehnder)干涉^[1]技术、Michelson 干涉技术和Fabry-Peort干涉技术。其中M-Z干涉技术主要用来做振动检测,但这种技术在做振动检测时无法判断振动事件发生的位置,这给安防监控应用带来很大的不便。为此本文在M-Z干涉技术的基础上,提出了一种新型定位式光纤振动传感器,该传感器可对振动事件发生的位置进行判断。

分布式光纤振动传感器是在现有M-Z干涉原理的基础上提出的,其结构如图 1所示。它使用三根等长的光纤A、B和C,其中A、B作为单个M-Z干涉仪的两个干涉臂,C作为传输光纤,从而形成两个对称的干涉仪。当外界振动信号作用于干涉臂A、B时,一组光向左经耦合器2(Coupler2)产生干涉后到达探测器1(Detector1),另一组光向右经耦合器3(Coupler3)产生干涉后经耦合器4(Coupler4)到达探测器2(Detector2)。在探测器1与探测器2处就会得到两个具有一定时间延迟的光强波动信号,检测光强的波动,就可以判断振动信号的类型^[2]。

图 1

Fig. 1

图 1 分布式光纤振动传感器结构图 Fig. 1 Structure of the optical fiber distributed vibration sensor

当外界有振动信号作用于光纤时,就会引起光纤折射率变化,进而引起光波相位的变化。待检测的振动信号主要为外界缓变压力信号和声场异常扰动信号,这两种信号实质上都会对光纤产生压力作用。当光纤受到压力作用时,其折射率变化为^[2]:

其中P为压力,p_e为光弹系数,E为石英的杨氏模量。由折射率变化引起光波的相位变化为:

其中λ为光波波长,L为光纤长度。

探测器检测到的光强信号则可以写成:

其中I₁、I₂是干涉仪两个干涉臂中的传输光强,φ_s(t)表示扰动信号作用于不同干涉臂上产生的调制相位差(Δφ₁－Δφ₂),φ₀为两路光的初始相位差^[3]。

光缆上的事件除了直接触动光纤纤芯之外,其他事件都是外部振动经过光缆外皮传入纤芯的振动,这些振动有以下几个特征:

(1)振动的短时性:振动多为持续时间很短的事件;

(2)能量包络特征:多为突发振动,能量包络有明显的突起特征;

(3)频谱分布的不均匀性:即根据振动自身频谱成分和介质传导吸收的不同,表现为能量在频率上衰减的变化特性。光芯触动多为频谱丰富的振动,高频分量较多;非光芯触动多为高频衰减厉害的振动,因为高频在传导过程中被介质吸收,主要表现为低频分量。

信号短时分析方法被广泛应用于语音信号处理,它主要包括短时能量、短时平均幅度、短时过零率等方法^[4]。

设信号序列为x(n),n=0,…,N-1,其短时能量函数定义为:

定义: 数字信号的相邻两个取样具有不同符号时,称为出现过零,单位时间过零的次数叫做过零率,实际上过零率本身就是一个粗略反映信号频谱特性的时域指标。

对于光纤监测到的挖掘机挖掘、工兵铲挖掘、人员跳动信号,对其进行短时能量与短时过零率分析,可得到图 2所示的车辆振动信号分析图,图 3所示的挖掘机振动信号分析图,图 4所示的人员走动振动信号分析图。

图 2

Fig. 2

图 2 车辆振动信号分析 Fig. 2 Vehicle vibration signal analysis

图 3

Fig. 3

图 3 挖掘机振动信号分析 Fig. 3 Excavator vibration signal analysis

图 4

Fig. 4

图 4 人员走动振动信号分析 Fig. 4 The walking vibration signal analysis

从上面的分析可以看出,不同原因引起的振动在短时过零率及平均短时能量上存在较大的差异,可以将其用来作为模式分类的依据。

(1)挖掘机振动信号强度较大,且影响的范围比较大;挖掘机振动信号的短时能量较高,且能量谱较宽;

(2)车辆振动信号的短时能量较高,但能量谱较窄;

(3)人员走动振动信号,其强度较低、过零率低、且短时能量也低;

严格来说,分布式光纤振动传感器所检测到的振动信号属于非平稳信号。小波分析是20世纪80年代发展起来的一种信号时频分析方法,特别适用于非平稳信号。连续小波变换(continuous wavelet transform,CWT)^[5]的含义是:把某一被称为母小波的函数ψ(t)作位移τ后,在不同尺度a下与被分析信号x(t)作内积运算:

上式中,尺度系数a>0,*表示取共轭。设ψ(t)∈L²(R),其傅里叶变换为Ψ(ω),当Ψ(ω)满足容许条件时,即

则ψ(t)被称为一个基小波或母小波(mother wavelet),本文选择复高斯小波。

图 5为不同的振动源引起的振动在CWT复制图上的差异,主要表现为:能量聚集的区域大小,能量的强弱等方面,可将其作为模式分类的依据。

图 5

Fig. 5

图 5 三种振动信号的振动波形CWT图 Fig. 5 Vibration waveform CWT figure of three kinds of vibration signal

通过以上分析,得出如下结论:

(1)不同原因引起的振动在短时过零率及平均短时能量上存在较大的差异,可以将其用来作为模式分类的依据。

(2)不同的振动源引起的振动在CWT复制图上表现出较大的差异,主要表现为:能量聚集的区域大小,能量的强弱等方面,可将其作为模式分类的依据;

(3)综合来看,设计达到了预期的效果。通过增大信号的带宽,增大信噪比(SNR)和改善时间差计算方法提高了系统的定位性能。时间差计算上,采用相关法加COS内插算法为主,相位谱方法为辅助的计算方法。

本文设计了一种分布式光纤振动传感技术及光纤振动信号的模式识别技术。在光纤M-Z干涉原理的基础上研究光信号双向时延定位技术,实现光纤振动信号的检测和定位。运用短时能量、短时平均幅度、短时过零率、小波分析等方法对光纤振动信号进行算法分析,找出不同事件产生振动信号经过不同分析方法分析后所得的特征信息,从而将不同的入侵事件区分开来。通过试验验证,系统能找到挖掘机、车辆及人员走动的特征参数,从而能将这三种不同的事件区分开来。该系统为解决目前分布式光纤振动传感系统受外界干扰产生误报的问题,提供了有效的方法和手段。