提出了一种基于Sagnac干涉仪原理的铁路沿线落石防护网检测分布式光纤振动传感技术,该技术以光纤作为传感器,并采用独特的检测技术对铁路沿线落石防护网上的振动信号进行测量或监控。本文所用的基于 Sagnac干涉仪原理的分布式光纤振动传感器,与传统的马赫-曾德干涉仪传感器^[1]相比较,由于Sagnac干涉仪为零光程差,因此不存在两传感臂长度不一致引起的噪音,且对光源要求低,可使用高功率的宽带光源,更适合长距离检测。

图 1所示的Sagnac干涉仪是应用于铁路沿线落石防护网的检测系统,整个系统由光源、光电转换器(PIN)、耦合器和信号处理几部分组成。光源发出的光经2×2耦合器分光后,分别沿Sagnac干涉仪光纤环的顺时针和逆时针方向传播,并先后经过图中所示的振动点。外部环境的振动信号作用到光纤上,使光纤的长度和折射率都发生变化,导致光纤中传播的导光相位被调制,经调制后的两路光在光电转换器处发生干涉。由于顺、逆两束光经过振动点的时间不同,两路光被调制后产生相位差,根据Sagnac效应,两束光在光电转换器处的干涉信号为^[2]:

图 1

Fig. 1

图 1 Sagnac干涉仪示意图 Fig. 1 Sagnac interferometer

光缆在外部振动作用下对光纤产生压力P,则光纤产生的应变可以表示为^[3]:

由于传感光纤在均匀压力下不产生剪切应力,三个向上主应变对主应力的作用是相同的,于是有P₁₁=P₂₂=P₃₃,P₁₂=P₂₁=P₁₃=P₂₃=P₃₁=P₃₂,则有:

由此可以看出外界振动产生的压力P对于光纤中传播信号相位φ的影响。

光的频率远高于光电接收器可以接收的频率,因此光电转换系统不能直接解调光信号相位的变化。只能通过光波的相干效应来将光的相位变化转化为光强变化来进行解调。因波的叠加而引起强度重新分布的现象,叫做波的干涉。产生干涉的条件称为相干条件,相干条件有三条^[5]:(1)频率相同;(2)存在相互平行的振动分量;(3)相位差稳定。

考虑两列频率相同的简谐标量波,其表达式为:

采用复振幅表示为:

图 2所示为系统工作流程，主要有振动信号获取、信号干涉解调、信号采集、信号分析处理4个部分组成。

图 2

Fig. 2

图 2 系统工作原理简图Fig. 2 The working principle of the system

系统通过特征提取及分类算法完成对扰动特征信息的动态提取、分析和比较,确定扰动的频率、幅度和类型等物理特征,实时给出分析结果或对非正常扰动给出预警信号,软件整体流程如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 软件整体流程图Fig. 3 Flow chart of the software

软件采用时域信号处理和频域信号处理相结合的算法,在判断信号是报警信号还是干扰信号的同时,将这些参数储存于信号特征库中,进一步完善信号特征库,具备自我判断的功能。

图 4为信号处理流程图，其中归一化处理是第一个重要步骤。由于硬件设备光功率的不稳定等因素造成待识别信号总是存在或多或少的量程差异,为消除此影响有必要做归一化处理,使待测信号总是映射到同一标准刻度内。

图 4

Fig. 4

图 4 信号处理的流程图Fig. 4 The procedure of signal processing

环境干扰在频谱上表现是低频信息丰富,而人为干扰主要集中在高频段。采用类似于语音信号的预加重处理手段,以抑制低频信号突出高频信号。

信号经过上述步骤的处理,从时域波形很难做出区分,为此需做进一步能差处理。将信号进行分帧,帧长240帧、帧重叠80帧,分别计算每帧信号的能量方差并计算上述每段(2 s)信号的能量方差的标准差STD。测试系统对石头滚落(冲击振动)和大风状态(连续振动)的信号进行测试,得到测试结果如图 5～图 8所示。

图 5

Fig. 5

图 5 巨石滚落原始信号图Fig. 5 Original signal of rock-falling

图 6

Fig. 6

图 6 大风原始信号图Fig. 6 Original signal of wind

图 7

Fig. 7

图 7 巨石滚落信号分析图Fig. 7 Signal analysis for rock-falling

图 8

Fig. 8

图 8 大风信号分析图Fig. 8 Signal analysis for wind

这些图形可清晰地表明:

(1)经过能差检测仍能完整地反映振动信号;

(2)图 7中明显存在冲击性信号,而经过能差处理很好的体现出冲击信号的信号包络;

(3)图 8所示的连续振动信号较为平稳。

本文提出了一种用光纤传感器来监控周围环境振动状况的监控系统。系统以Sagnac干涉仪为基础，通过对探测信号的数据归一化处理、预加重处理，振动事件分析等多种算法处理，能很好地区分事件地点的落石振动信号和大风振动信号。实验证明，测试系统可以很好地分辨出不同的振动事件，能对铁路周边落石防护网上落石状况进行实时监控。