分布式光纖振動傳感器及振動信號模式識別技術研究＊

周正仙，段紹輝，田 杰，王曉華，徐幫聯

（1.上海華魏光纖傳感技術有限公司，上海 201103；2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；3.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；4.上海電力學院 電子與信息工程學院，上海 200090）

引 言

光纖振動傳感器由于其探測距離長、響應速度快、靈敏度高，特別是自身不輻射電磁波也不受電磁干擾等優點，已經在安防監控等領域得到了廣泛的應用。

目前，干涉型傳感器主要基于以下幾類技術：Sagnac干涉技術、M－Z（Mach－Zehnder）干涉［1］技術、Michelson干涉技術和Fabry－Peort干涉技術。其中M－Z干涉技術主要用來做振動檢測，但這種技術在做振動檢測時無法判斷振動事件發生的位置，這給安防監控應用帶來很大的不便。為此本文在M－Z干涉技術的基礎上，提出了一種新型定位式光纖振動傳感器，該傳感器可對振動事件發生的位置進行判斷。

1 分布式光纖振動傳感器

1.1 系統結構

分布式光纖振動傳感器是在現有M－Z干涉原理的基礎上提出的，其結構如圖1所示。它使用三根等長的光纖A、B和C，其中A、B作為單個M－Z干涉儀的兩個干涉臂，C作為傳輸光纖，從而形成兩個對稱的干涉儀。當外界振動信號作用于干涉臂A、B時，一組光向左經耦合器2（Coupler2）產生干涉后到達探測器1（Detector1），另一組光向右經耦合器3（Coupler3）產生干涉后經耦合器4（Coupler4）到達探測器2（Detector2）。在探測器1與探測器2處就會得到兩個具有一定時間延遲的光強波動信號，檢測光強的波動，就可以判斷振動信號的類型［2］。

圖1 分布式光纖振動傳感器結構圖Fig.1 Structure of the optical fiber distributed vibration sensor

1.2 振動信號檢測原理

當外界有振動信號作用于光纖時，就會引起光纖折射率變化，進而引起光波相位的變化。待檢測的振動信號主要為外界緩變壓力信號和聲場異常擾動信號，這兩種信號實質上都會對光纖產生壓力作用。當光纖受到壓力作用時，其折射率變化為［2］：

其中P為壓力，pe為光彈系數，E為石英的楊氏模量。由折射率變化引起光波的相位變化為：

其中λ為光波波長，L為光纖長度。

探測器檢測到的光強信號則可以寫成：

其中I1、I2是干涉儀兩個干涉臂中的傳輸光強，φs（t）表示擾動信號作用于不同干涉臂上產生的調制相位差（Δφ1－Δφ2），φ0為兩路光的初始相位差［3］。

2 模式識別算法

光纜上的事件除了直接觸動光纖纖芯之外，其他事件都是外部振動經過光纜外皮傳入纖芯的振動，這些振動有以下幾個特征：

（1）振動的短時性：振動多為持續時間很短的事件；

（2）能量包絡特征：多為突發振動，能量包絡有明顯的突起特征；

（3）頻譜分布的不均勻性：即根據振動自身頻譜成分和介質傳導吸收的不同，表現為能量在頻率上衰減的變化特性。光芯觸動多為頻譜豐富的振動，高頻分量較多；非光芯觸動多為高頻衰減厲害的振動，因為高頻在傳導過程中被介質吸收，主要表現為低頻分量。

2.1 振動信號的短時分析

信號短時分析方法被廣泛應用于語音信號處理，它主要包括短時能量、短時平均幅度、短時過零率等方法［4］。

設信號序列為x（n），n＝0，…，N－1，其短時能量函數定義為：

定義：數字信號的相鄰兩個取樣具有不同符號時，稱為出現過零，單位時間過零的次數叫做過零率，實際上過零率本身就是一個粗略反映信號頻譜特性的時域指標。

對于光纖監測到的挖掘機挖掘、工兵鏟挖掘、人員跳動信號，對其進行短時能量與短時過零率分析，可得到圖2所示的車輛振動信號分析圖，圖3所示的挖掘機振動信號分析圖，圖4所示的人員走動振動信號分析圖。

從上面的分析可以看出，不同原因引起的振動在短時過零率及平均短時能量上存在較大的差異，可以將其用來作為模式分類的依據。

（1）挖掘機振動信號強度較大，且影響的范圍比較大；挖掘機振動信號的短時能量較高，且能量譜較寬；

（2）車輛振動信號的短時能量較高，但能量譜較窄；

（3）人員走動振動信號，其強度較低、過零率低、且短時能量也低；

圖2 車輛振動信號分析Fig.2 Vehicle vibration signal analysis

圖3 挖掘機振動信號分析Fig.3 Excavator vibration signal analysis

圖4 人員走動振動信號分析Fig.4 The walking vibration signal analysis

2.2 振動信號的小波分析

嚴格來說，分布式光纖振動傳感器所檢測到的振動信號屬于非平穩信號。小波分析是20世紀80年代發展起來的一種信號時頻分析方法，特別適用于非平穩信號。連續小波變換（continuous wavelet transform，CWT）［5］的含義是：把某一被稱為母小波的函數ψ（t）作位移τ后，在不同尺度a下與被分析信號x（t）作內積運算：

上式中，尺度系數a＞0，＊表示取共軛。設ψ（t）∈L2（R），其傅里葉變換為Ψ（ω），當Ψ（ω）滿足容許條件時，即

則ψ（t）被稱為一個基小波或母小波（mother wavelet），本文選擇復高斯小波。

圖5為不同的振動源引起的振動在CWT復制圖上的差異，主要表現為：能量聚集的區域大小，能量的強弱等方面，可將其作為模式分類的依據。

圖5 三種振動信號的振動波形CWT圖Fig.5 Vibration waveform CWT figure of three kinds of vibration signal

通過以上分析，得出如下結論：

（1）不同原因引起的振動在短時過零率及平均短時能量上存在較大的差異，可以將其用來作為模式分類的依據。

（2）不同的振動源引起的振動在CWT復制圖上表現出較大的差異，主要表現為：能量聚集的區域大小，能量的強弱等方面，可將其作為模式分類的依據；

（3）綜合來看，設計達到了預期的效果。通過增大信號的帶寬，增大信噪比（SNR）和改善時間差計算方法提高了系統的定位性能。時間差計算上，采用相關法加COS內插算法為主，相位譜方法為輔助的計算方法。

3 結 論

本文設計了一種分布式光纖振動傳感技術及光纖振動信號的模式識別技術。在光纖M－Z干涉原理的基礎上研究光信號雙向時延定位技術，實現光纖振動信號的檢測和定位。運用短時能量、短時平均幅度、短時過零率、小波分析等方法對光纖振動信號進行算法分析，找出不同事件產生振動信號經過不同分析方法分析后所得的特征信息，從而將不同的入侵事件區分開來。通過試驗驗證，系統能找到挖掘機、車輛及人員走動的特征參數，從而能將這三種不同的事件區分開來。該系統為解決目前分布式光纖振動傳感系統受外界干擾產生誤報的問題，提供了有效的方法和手段。

［1］廖延彪.光纖光學［M］.北京：清華大學出版社，2000：174－175.

［2］周正仙，肖石林，仝芳軒.基于 M－Z干涉原理的定位式光纖振動傳感器［J］.光通信研究，2009，155（5）：67－70.

［3］CIURAPINSKI W M，MACIEJAK A.Localisation of the disturbance place in distributed fiber optic sensor［J］.SPIE，1997，3054：54－57.

［4］呂衛強，黃 荔.基于短時能量加過零率的實時語音端點檢測方法［J］.兵工自動化，2009，28（9）：69－73.

［5］盛愛蘭.小波分析及其應用的研究現狀和發展趨勢［J］.威海學院學報，2001，12（4）：54－56.