基于相位敏感光時域反射計的音頻激勵信號解調與復現

張玉曉,陳元林,安博文,梁怡飛

(上海海事大學信息工程學院,上海 201306)

1 引 言

分布式聲學傳感器(DAS)有多種實現方式,其主要基于邁克爾遜(Michelson)干涉儀、馬赫-澤德爾(Mach-Zehnder)干涉儀、薩格納克(Sagnac)干涉儀、光時域反射儀(OTDR)和光纖布拉格光柵(FBG)幾種原理[1-6]。其中光時域反射計(OTDR)的諧振激光腔通常由兩個光纖布拉格光柵組成[7],能將注入傳感光纖的激光脈沖逐次反射后增大相位變化,靈敏度極高。

基于OTDR原理的DAS實現方案,通過分析背向瑞利散射光的軌跡變化能定位振動位置和解調出振動信號特征,具有靈敏度高,監測距離長,空間上可區分多點同時振動,占用光纖數量少的特點,適合于工程監測應用[8]。高壓電力傳輸系統中的電纜絕緣層接頭及終端會在擊穿前產生局部放電,利用DAS檢測擊穿前局部放電所產生的聲發射能有效防止系統癱瘓[9]。運送能源(如天然氣、石油等)的長距離管道存在施工挖掘、盜挖等外破風險,利用DAS監測可防止潛在的事故[10-12]。海底電力電纜易受到船錨、洋流沖刷導致懸空之后的晃動等機械沖擊而引發故障損壞,借助DAS探測可有效預防[13]。以上所述惡劣環境中急需長距離且低運維成本DAS傳感器。

DAS在工程應用中需要對外部振動信號的類型進行有效識別,所以復原外部振動信號特征能力是衡量設備性能和實現危險預警的關鍵指標,即能否從光纖振動探測信號中還原原始振動信號特征的能力。音頻信號調制解調實驗是測試OTDR還原外部振動信號能力的主要評估方法?；贠TDR技術的DAS有兩種實現方式,分別是相干OTDR(C-OTDR)和相位敏感 OTDR(Φ-OTDR)技術。C-OTDR還原聲音性能優異,文獻[14]采用扁平封裝光纖設計演示了人聲檢測和再現實驗,驗證了分布式光纖麥克風的多路復用能力。但C-OTDR在還原原始信號時需要參考信號,在工程應用上有所限制。Φ-OTDR采用法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉儀模型分析,只需單個傳感光源和單條傳感線路,可集傳感和光纖于一體,且在還原原始信號時無需參考信號,因此其適用于工程應用[15]。文獻[16]使用直接監測的相位OTDR演示實時光纖麥克風,該方法能夠將接收器調諧到光纖的任意部分并實時恢復檢測到的聲波。該文獻提出的系統允許通過300 m長的光纖收聽具有可變頻率的音樂和人聲的正弦干擾聲音,空間分辨率約為60 cm。但該文獻是對Φ-OTDR音頻復現性能的極限測試,其使用6 ns的超窄激光脈沖在長距離傳輸過程中會被快速衰減。而實際工程應用中需要長距離監測,僅有寬脈沖傳輸才能實現,因此該方法僅能實現超短距離的音頻復現[17]。

本文分析了DAS在實際工程監測應用中的特定需求,建立了基于Φ-OTDR的簡易且低成本的振動信號的解調與復現系統,驗證了該系統在脈沖寬度40 ns,脈沖重復頻率10 kHz的條件下具備外部音頻信號的解調復現能力,且能在10 km長的光纖的任一位置實現,空間分辨率達到4 m。

2 原理及仿真

2.1 原 理

基于法布里-珀羅干涉模型(Fabry-Perot),Φ-OTDR可以將光纖看作隨機分布的一系列反射鏡。當一束高相干的超窄激光脈沖w被注射進入具有恒定損耗α的光纖中,光電探測器端探測的背向瑞利散射光功率模型如圖1所示。

圖1 干涉模型

將光纖的單位空間分辨率長度分為空間間隔為ΔL的N個反射鏡。每個反射鏡的反射率ri和相位延遲φi都服從獨立的隨機分布,其中ri服從瑞利分布,φi在(0,2π)區間內服從均勻分布。若探測到的光纖長度為mΔL,在一個脈沖寬度內的N個反射鏡產生的背向瑞利散射信號干涉場可以表示為[18-19]:

(1)

其中,θp是外部光纖振動點的相位偏移量,其值為如下數學表達式:

(2)

其中，zp是振動位置點；zi是每個反射鏡的初始位置；φp是外部振動引起的相位變化。

2.2 仿 真

通常施加于光纖任意位置的外部振動信號呈振蕩形式衰減。本文采用抽樣信號模擬外部振動信號的相位變化。通過上述理論模型可得到與抽樣信號輪廓一致的探測信號,如圖2所示。該仿真結果表明,理論上Φ-OTDR可實現外部振動信號的解調與復原。

圖2 理論仿真

3 實 驗

3.1 實驗環境搭建

當聲波在空氣中傳輸時,其誘導光纖產生的應變極其微小。就有涂覆層的普通光纖而言,該應變無法引起光纖振動,因此本實驗采用聚苯乙烯板作為增敏材料。本文實驗裝置如圖3所示:將尺寸為40 cm×80 cm且厚度僅為0.2 mm的聚苯乙烯板采用兩根立柱固定,并將長度為750 cm的光纖纏繞成半徑為10 cm的圓環,利用透明膠布將圓環固定在聚苯乙烯板上。圓環中心作為外部振動測試位置點,揚聲器放置在圓環中心正前方約10 cm處。測試光纖總長為10 km,圓環位于10 km末端,實驗搭建環境如圖4所示。

圖3 實驗裝置

圖4 實驗搭建環境

3.2 設備指標與實驗過程

本實驗采用的設備指標如表1所示。

表1 實驗設備指標

本文的實驗過程分為以下幾個步驟:

(1)將音頻播放器與揚聲器連接并啟動振動采集設備。

(2)播放音頻文件并采集測試位置點的振動數據。

(3)將預處理后的振動數據轉化為音頻文件。

4 系統特性測試

4.1 系統響應模型

為了測試本文搭建系統的響應模型,現將一組頻率范圍為200～5000 Hz,間隔為100 Hz的正弦掃頻信號作為外部振動激勵源。激勵信號和振動響應信號的頻譜以及系統的幅頻曲線如圖5所示:(a)為激勵信號的頻譜,(b)為響應信號的頻譜,(c)是根據(b)擬合得到的幅頻曲線。該幅頻曲線具有三峰特性,幅度最高的波峰中心頻率為300 Hz,其頻率分布區間為200～400 Hz；幅度較低的波峰中心頻率為500 Hz,其頻率分布區間為400～600 Hz；幅度最低的波峰中心頻率為800 Hz,其頻率分布區間為600～1200 Hz。幅度較低的波峰在其頻率區間快速衰減,影響信號復現性能,其中在2000 Hz之后衰減的頻率相較于主峰頻率可忽略不計,因此振動響應信號幅頻曲線的有效頻譜分布在200～1000 Hz區間,且具備頻率篩選功能。而在實際工程應用中,外部振動信號的頻率集中分布在1000 Hz以下的頻率區間,因此本實驗搭建的復現系統能滿足實際應用中外部振動信號的解調復現。

圖5 系統響應模型

4.2 系統頻譜分辨率

最小可分辨頻率間隔表征系統對外部振動信號的頻譜分辨能力。本文采用具有固定頻率間隔且從200～2000 Hz遞增的掃頻信號作為外部振動信號。從圖6看到,頻率間隔為20 Hz的掃頻信號經過系統后各個頻率的頻譜清晰可見,未發生混疊。頻率間隔為10 Hz的掃頻信號頻譜發生混疊。則該系統的最小頻譜分辨率為20 Hz。

圖6 系統頻譜分辨率

5 人聲及音樂測試

5.1 人聲試驗

為了測試該系統對于非單一頻率激勵源的音頻復現能力,采用人聲作為測試源。人聲音頻內容分別為中文數字12345和英文數字12345。中文數字12345和英文數字12345的時域波形和頻譜分布情況分別如圖7和圖8所示?？梢钥吹綄τ趶碗s的人聲信號,經過該實驗裝置得到的復現音頻在時域和頻域上都保留了該段音頻的特有分量。進一步播放復現的兩段音頻,發現人耳均可分辨兩段音頻內容。對比激勵信號的頻譜,復現音頻的頻譜在1000 Hz之后快速衰減,與圖5所示的系統響應一致。

圖7 人聲試驗中文數字12345

圖8 人聲試驗英文數字12345

5.2 音樂試驗

相較于人聲,音樂具有更豐富的頻率,其信號連續性更強,因此將音樂作為外部振動激勵源進一步測試本系統復現性能。由圖9激勵源與復現音樂的時域波形與頻譜分布圖可知:本實驗裝置搭建的系統能夠檢測和再現更復雜的音樂信號。

圖9 音樂試驗

5.3 音頻相似性評價

梅爾倒譜(Mel)系數(MFCC)具有相對穩定且抗噪聲等優點,能夠主觀的刻畫語音的特征參數。因此MFCC系數作為語音特征相似度的評價參數被廣泛使用。對三種振動激勵源的原始音頻文件與上述實驗中復現的三種振動激勵源的音頻文件分別提取對應的MFCC,利用對應音頻的幀間相關系數來衡量原始音頻與復現音頻的相似度,評價復現音頻質量的優劣。人聲與音樂三種測試源的平均MFCC相關系數如表2所示。

表2 復現音頻與原始音頻的平均MFCC相關系數

三種測試源的相關系數均大于0.8,即原始音頻與復現音頻之間屬于強相關。該系數定量的表征了復現音頻內容能被辨別。

6 結 論

本文針對實際工程應用場景,將外部振動激勵源轉化為可播放的音頻文件,演示了一種基于Φ-OTDR的直接檢測的簡易且低成本的振動激勵的解調與復現系統。為了解決聲波在空氣中傳輸時產生的應變較小而無法引起光纖振動的問題,使用聚苯乙烯板作為增敏材料。將生成的單一頻率正弦波音頻文件、人聲及音樂三種激勵源信號通過揚聲器播放來干擾測試光纖,所復現的音頻文件內容能得到區分。通過該種測試方式證明該系統在10 km的長距離監測中具備復雜音頻信號的解調與復現能力,且該系統的空間分辨率為4 m。此外,若幀頻調整為5 kHz,該系統可探測的傳感距離為20 km,能解調復現2.5 kHz以內的振動信號。