基于分布式傳感光纖的模式識別及定位技術①

賀龍周,孫 捷

(成都信息工程大學 通信工程學院,成都 610225)

分布式光纖傳感周界系統是一種利用光纖隨振動后相位變化所引起的一系列物理特性的變化,進而實現對光路上干擾信號的振動監測,具有比較高的可靠性.并且光纖本身也具有抗電磁干擾、抗腐蝕性等優點,光纖傳感已經成為整個周界領域的研究熱門方向之一[1].

目前光纖周界方面主要研究的系統結構為Sagnac、OTDR、FB 以及單M-Z 等,其中,研究M-Z 結構的特點由于較簡易、整體系統硬件成本低、定位算法比較容易實現等優點,使得該結構在周界領域得到了廣泛的應用,本文通過自己搭建整個實驗平臺進行數據的采集以及干擾信號的模擬,再采用LabVIEW 軟件實現對所采集數據的模擬識別處理以及傳感臂和參考臂雙路信號的相關性仿真,根據兩路信號時延差信息及相關性強度等實驗處理,進而確定干擾信號類型及外界信號的入侵位置等關鍵性問題.

1 雙M-Z 分布式光纖傳感周界系統

文章主要是利用基于光纖干涉儀原理的光纖傳感周界預警和定位系統,這樣的傳感系統通常是相位調制型的傳感器整個周界系統利用M-Z 干涉儀的原理進行實驗操作,該系統主要結構包括光源、光耦合器、光環形器、光電探測器、單模傳感光纖等器件組合而成.

在光纖傳感系統中,搭建系統的結構主要采用干涉儀的結構,具體結構如圖1,其中C1 為1×2,C2、C3、C4 為2×2 的光纖耦合器,在整個光路中干涉臂的長度大致一樣.光源為長相干光,光源出來之后經過C1 后,被1：1 的分為兩路,接著其中一路經過2×2 的耦合器C2 后又被均分為兩路,并且這兩路光最后在耦合器C4 處發送干涉現象,這個干涉后的信號通過傳感光纖到達耦合器C3 處,其中一路經過光電探測模塊D2 后,再通過數據采集卡進入PC;另外一路光通過耦合器C3 進入延時光纖,然后又通過耦合器C4 被分為兩路光,最終在耦合器C2 處發生干涉現象,干涉信號通過其中的一個支路進入光電探測模塊D1,進而通過數據采集卡進入PC.兩個干涉信號最后再PC 端進行相應的數據分析處理、模擬識別定位等.

圖1 M-Z 結構的光纖周界系統原理圖

2 周界系統的調制原理

整個光纖傳感周界系統在沒有外界干擾的情況下,從S 發出的光源經過耦合器、傳感光纖后在兩個光電探測模塊D1,D2 都能夠探測到穩定的干涉信號.在不考慮外界溫度及環境因素的前提下,我們使用窄帶光源,經過耦合器、干涉儀結構后,在光電探測模塊同樣可以檢測到比較穩定的光功率.

由于光在傳播的過程中相位的變化會和光所傳播的距離有關系,其中單色光的波長為φ,并且光波通過長為L的傳感光纖后會產生相位的延遲,其中兩者之間的關系式如下[2]：

式中,λ0表示光在真空中傳播時的波長;β表示光纖的傳播系數.

如果在光波傳播的過程中外界有干擾,則干擾行為會直接影響傳感光纖的長度、折射率等固定參量的變化,進而所引起的相位變化關系如下：

式中,Δφ表示光傳播過程中相位的變化,r表示光纖的纖芯半徑,n表示光纖纖芯的折射率.

式(2)表示了光波相位發生變化主要是由下述三部分組成[3]：(1)由于外界因素導致光纖的長度發生變化,進而造成相位也跟著變化,這種現象通常稱為光纖的應變效應[4].(2)這部分主要是因為光纖的折射率的變化所引起的相位變化.這種變化現象稱為光纖的彈光效應[5].(3)最后一部分主要是由于光纖的半徑變化所引起的相位的變化,這種現象稱為光纖的泊松效應.最后一部分和前兩部分相比而言,整個光纖的半徑、直徑的變化是非常微小的,所以導致的相位變化也是很渺小,進而可以直接忽略不計[6].則外界因素影響下的相位關系式可以簡化如下：

3 系統的定位原理

假設耦合器C2 到C4 之間的兩個支路,支路長為L1,上面的為傳感光纖,對應的下面支路為參考光纖,C3、C4 之間的長度為L2,若干擾信號在距離耦合器C2 的X處,則兩路光波信號從光源到光電探測模塊的距離是不同的,參考光路與傳感光路的光路程差為2X,那么若在D1、D2 兩端同時進行信號的采集,則兩個信號之間會有一個時間差T,而造成產生時間差的主要原因就是和外界干擾信號的確切位置有著直接的關系,所以對光纖傳感周界系統的信息分析處理,應當首先確定干擾信號所發生的位置,通過計算兩路信號所產生的時間差T,在實際操作中,對于干擾信號的位置確定主要實現過程如下所述[7]：

即X=(t1c)/n;則干擾信號距離耦合器C4 的距離為：L1-X=(t2c)/n;耦合器C3、C4 之間的距離為：L2=(t3c)/n;上述各式中c為真空中的光速,n為光纖纖芯的折射率.

因此在光電探測模塊D1 處所檢測到的電信號為：

同樣在光電探測模塊D2 處所檢測到的電信號為：

上述式子中I1和I2分別表示A、B 兩方向的干涉儀輸入光強,Q1和Q2則表示對應的干涉信號的對比度,φ0則為初始相位,通常情況下默認為π/2,這個時候整個周界系統的靈敏度是最高的.而上述y1(t)與y2(t)兩者間存在一定的時間差T,則[8-10]：

則外界干擾信號的位置為：

因此只要計算出兩路之間信號的時間差T,就可以準確掌握外界干擾信號的具體位置[11,12].兩者之間不僅存在時間差,理論上探測模塊D1、D2 所接收的信號波形應該基本一致,因此兩個光路信號具有極強的相關性,我們可以對所得到的兩路信號進行一定的相關性計算,就會得出一個最大值,此刻便是兩個光支路信號相關性信號最強的時候,將此時所得到的最大值與零時刻的值進行比較,就會得出兩路的信號時間差T,通過這樣的方法也可以判斷出外界干擾信號的具體位置.

4 實驗的結果及分析

4.1 正交調制的選擇

提高采用虛擬儀器LabVIEW 對系統所采集的數據進行分析處理,由光纖干涉的條件可以斷定,當兩臂信號的相位差為π/2 時,光的干涉效應才能達到最佳狀態,因此進行正交偏置的調制仿真.如圖2.

由該圖可以驗證,左下角的圖為零偏置和正交偏置兩種方式進行的仿真圖,可以明確看出當處于正交偏置狀態時,信號的靈敏度及幅值都有很大程度的提升,對整個系統測量動態多范圍信號具有較好的使用價值.

圖2 正交偏置仿真

4.2 采集信號的模式識別

采用閾值法對干擾信號進行有效的識別處理,由于整個系統對數據的實時性要求較高,并且在對外界情況進行監測過程中會產生大量數據,若對全部數據進行分析,則會造成較大的運算量,可能會拖慢系統的進程.所以采用閾值法對采集信號進行篩選,進而只對判斷為入侵信號的數據進行相關性處理,有效的提高了系統的運算能力.具體仿真圖如下：

根據閾值法對干擾信號進行信號類型區分辨別,依據采集的20 多組數據的準確分析可以確定常見的幾種干擾信號的閾值區間(人為干擾：≥310;雨聲：200～310;風聲：100～200).

針對仿真結果圖顯示,閾值法可以準確的判斷出干擾信號的類型,由圖3程序的前面板圖可以明確看出測量數據的最大值為21.8257,波形圖所顯示的時間段波形基本穩定,類似一般的生活噪聲,所以程序給出正常狀態的效應提示.而圖4則是文件路徑添加實驗環境在有風的情況下測量的數據,根據軟件分析可以在前面板明確看出最大值為146.6,符合100～200 范圍內,所以判斷的效應為有風狀態.由圖可知所獲取的波形圖不穩定,將幅值低于10 的基本視為生活噪音,會存在個別尖峰波形,是由于外界吹風的原因導致波形突變,但峰值范圍基本穩定,由于實驗環境并不完全隔離,所以測量范圍也比較大,從而會導致波形的原始正弦信號被淹沒,致使最終波形中看不到原正弦波.圖5所分析的數據集幅值為330.56,符合之前的人為干擾閾值范圍,所以程序的最終判斷效應為人為擊打,從而產生報警響應.

圖3 模式識別(正常狀態)

圖4 模式識別(有風狀態)

圖5 模式識別(人為入侵)

通過實驗的驗證,可以將該周界系統應用到一些區域安防中,準確率較高,具有一定的可行性.

4.3 周界系統的定位研究

利用采集卡的采集程序進行周界環境的外界信號采集,并利用軟件編程,實現對外界信號的模式識別后,進而準確的得出干擾信號的位置信息,對整個安防事業全能高效的工作起到較高的作用.

由圖6可以準確看出右邊的圖為為被測外界干擾原始信號,左邊為利用軟件進行原始信號的解調還原,進而根據解調得到的信號進行定位確定.圖中也顯示了部分位置的一些振幅情況.圖7則是利用雙路信號的相關性進行仿真運算,當噪聲水平較低時,才能實現對相關極大值的索引值得到準確的計算.兩路信號的延時分別為200 和800,即兩路信號的時延差為600,取得互相關函數最大值索引減去采樣值得599,及求得時間差與信號的真實事件相差一個單位,因此認為采用此方法進行干擾定位比較可靠.

圖6 干擾信號定位程序

圖7 雙路信號互相關程序

5 結論

通過實驗結果的分析,可以驗證通過使用閾值設定的方法進行干擾信號類型的確定,這不僅可以提高整體系統的使用效率及運算速度,還能夠減少復雜運算對系統硬件本身的損耗,節約成本.同時利用互相關理論實現了對兩路信號時延差的準確提取,進而確定侵入信號的準確位置具有一定的可行性[13-16],而且通過對系統的改進,可以將信號的定位誤差確定在較小的范圍內,這樣一來,整體的結構設計及研究對實際工程中應用所采用的監測系統,能夠滿足其所需的基本干擾識別及侵入定位.因此,這樣的分布式光纖周界系統在實際應用中對判斷干擾異常等事物具有一定的可行性和很大程度的應用價值.