模式型光纖振動監測在數據中心安防中的應用

茅昕

【摘要】 本文介紹了一種基于單模-多模-單模結構的光纖振動監測系統。該系統以多模光纖為傳感光纖，以單模光纖為信號取樣光纖，當有外力作用于光纖或光纖所布放的數據中心區域圍欄或機房地面時，系統接收到的光強度會發生相應變化。通過分析接收光強度的變化規律可判斷傳感光纖所在區域的振動幅頻信息，實現對入侵行為的判斷。通過實驗確定了不同布設方式所對應的信號頻域特征，并設計了相應的頻域識別算法。結果顯示系統具有良好的靈敏度和抗擾度，適用于數據中心的外圍和機房內安防監測。

【關鍵字】 光纖振動監測系統 單模-多模-單模結構

引言

近年來，各行業均在大力推進信息化建設，數據中心作為大數據、云計算和移動互聯網各類信息化應用的基礎設施，近年來獲得了迅猛的發展。

數據中心規模越大，其所提供的數據計算、存儲等能力越強，所服務對象的重要程度越高。文中針對數據中心占地面積大，核心區域對監控設備的穩定性、可靠性和抗電磁波干擾強度要求較高等特點，提出一種基于單模-多模-單模結構的光纖振動監測系統，并對振動信號頻譜進行了分析，將功率閾值法升級為頻譜分析法，以提高系統振動監測性能。實驗結果表明該振動監測系統的漏報/誤報率較低，適用于掛網、鋪地布設方式，可作為數據中心安全監控的有效手段。

一、振動監測原理

基于單模-多模-單模結構的光纖振動傳感器，其多模光纖內的模式受外界作用發生改變，進而引起散斑的能量分布發生變化。

假設僅關注多模光纖中的一階模，那么在輸出端橫截面S區域內檢測到的光功率可以近似表示為：

其中γ為與光纖材料有關的參數，F（t）為振動引起的光纖內應力隨時間變化函數。

二、實驗測試

實際的光纖振動監測系統如圖1所示。其工作原理是激光器輸出光經單模光纖傳輸至多模光纖，介質振動變化引起多模光纖輸出光場的散斑圖樣空間分布的變化，經反射鏡返回后，有部分光強進入單模光纖接收橫截面內，該光強受外部振動信號調制，光強信號經光探測器轉為電信號，經過系統采集后進行相應的數據處理，實現對外界振動信號的監測。

測試過程中在數據中心外圍選取了一段金屬圍欄，在圍欄上捆扎單芯多模光纜，記為“掛網布設”。在數據中心機房地板下敷設單芯多模光纜，記為“埋地布設”。人為搖動金屬圍欄和踩踏地板，記錄下各自對應的振幅和信號頻譜數據，如圖2所示。

從上圖中可以觀察到，當振動介質和布設方式一定時，其由外界引起的阻尼震蕩信號在頻域存在幾個特殊的峰值，可以將這幾個峰值作為振動信號的識別特征。如果僅用振動的能量閾值作為判斷依據，難以設置一個兩者兼顧的參數值，容易出現誤報或者漏報的情況。在頻域對振動信號做進一步的分析很有必要。為了驗證在頻域對振動信號進行處理提高系統性能的可行性，設計了一組對照試驗。比較在同樣的布設條件和同等外力作用下，使用能量閾值判斷和對信號做頻譜分析后，系統的誤報率和漏報率有無區別。

掛網布設的測試設置：為盡量真實的模擬使用環境，在圍欄的一側用工業風扇產生7～20米/秒的風力，同時使用拉力測試儀以30Kg拉力反復拉動圍欄各20次。

測試結果：在風速為7米/秒，12米/秒的情況下，閾值法與頻譜法的漏報、誤報均為0次。當風速為20米/秒時，閾值法測試出現了1次誤報。

埋地布設的測試設置：使用一個50g重的金屬球，從不同的高度落下，模擬地板上的不同踩踏力度。每個高度重復測試20次。

測試結果：高度為150厘米時，閾值法與頻譜法的漏報、誤報均為0次。下降到100厘米時，閾值法出現了1次漏報。下降到30厘米時，由于產生的振動信號太弱，閾值法出現了5次漏報，1次誤報。頻譜法出現了2次漏報。

試驗記錄表明，在兩種布設情況下，頻率法的系統表現均優于閾值法的表現。特別是在高風速條件下，閾值法受到干擾產生了誤報；在小球掉落試驗時，30厘米高度落下的小球沖擊力較小，閾值法難以設置一個合適的閾值條件，結果導致系統的漏報率和誤報率同時上升。而這兩種測試條件都是數據中心安全監控中極有可能出現的情況，典型如大風天氣，一個體重較輕的入侵者等等。因此，設計與實際布設情況相結合的頻域振動信號處理方法在數據中心的安全監控中是很有必要的。

三、結論

本文提出的模式型光纖振動監測方法具有系統結構簡單、抗干擾能力強、布設手段多樣低等優點，并通過實驗驗證了通過頻域分析提高系統性能的可行性。在實驗中我們重點優化了室外的大風環境和室內的微小入侵動作時系統的漏報和誤報表現。該報警系統適合于數據中心等高安全要求場所的室內和室外周界安全監測。endprint