分布式光纖振動檢測系統信號后處理算法研究

李常，王晨，尚盈，趙文安，曹冰，黃勝，倪家升，王昌

(齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250014)

分布式光纖振動檢測系統是分布式傳感技術的一種，不僅具有普通光纖傳感技術耐高溫、防雷、防水、抗腐蝕及抗電子干擾的優越特性，而且更能體現光纖分布延伸的優勢[1-4]。該系統以同一根光纖作為傳感器件和傳輸介質，對長達幾十公里的光纖不同位置處的振動信號進行探測并定位，實現真正的分布式測量。

目前分布式振動檢測系統的探測距離、空間分辨率及測量頻率等性能指標都已經達到了工程應用的要求[5-6]，然而在實際應用中，由于系統具有較高的靈敏度[7]，現場環境中低頻、大幅值、周期性的信號(如風吹、舞動、海浪等)都會引起系統的振動，干擾檢測效果，導致誤報率升高。國內外針對減小誤報率的動態閾值法[8]、小波去噪法[9]等沒有從根本上去除此類噪聲信號，反而增加了信息冗余，而基于頻譜特征分析的模式識別[10]在工程應用上難度較大。因此，研究如何去除此類噪聲能夠促進分布式光纖振動檢測系統在工程領域的應用。

基于相位敏感及φ-OTDR原理的分布式振動檢測系統(DVS)，利用光時域反射進行定位，利用后向瑞利散射的相干效應[11]探測振動。 針對DVS系統在實際工程應用中存在容易受到環境噪聲影響的現象，本文對系統原始信號進行了理論上的濾波模擬及現場實驗，以提高系統信噪比。

1 系統原理及結構

基于相位敏感及φ-OTDR原理的分布式振動檢測系統使用窄線寬激光器，激光經AOM調制后變成強相干的脈沖光進入待測光纖中，當傳感光纖收到外界振動影響時，對應位置處的光纖折射率就會發生變化從而引起對應位置的光相位變化。由于干涉作用，相位的變化將引起后向散射光光強的變化，根據光強變化及時間即可定位光纖上的振動位置。系統基本結構見圖1。

圖1 DVS系統結構圖Fig.1 DVS system structure

圖1中DFB-LD為窄線寬激光器，輸出的連續激光經聲光調制(AOM)調制成脈沖光，再經摻鉺光纖放大器(A)放大后入射到光纖，光纖的瑞利后向散射信號再放大后由一個光電探測器(PD)探測光強，最后采集到計算機進行數據處理。

2 原始信號濾波模擬分析

分布式光纖振動檢測系統(DVS)采集PD原始信號后，通過對數據進行差分、降采樣平均算法解調出整條光纖上的振動強度，對于環境中的低頻噪聲信號能否通過濾波器進行濾除，我們建立了系統模型并進行了模擬分析。

由圖1可知，DVS系統使用一個PD直接接收后向瑞利散射光，光強I滿足：

I=A+Bcos[f(t)+φ0]，

其中，f(t)為待測信號，A為直流分量，B為增益系數，φ0為初相位。實際情況中存在電路直流噪聲Anosie、增益噪聲Bnoise、信號噪聲φnoise，公式可增加為

I=(A+Anoise)+(B+Bnoise)cos[f(t)+φnoise+φ0]。

通過更改Anosie、Bnoise、φnoise與待測信號的關系、添加或更改信號處理方法等即可得出DVS系統在各個環境條件下對信號增敏保真的情況。

這里主要針對實際應用中由風、海浪等產生的環境噪聲φnoise，其信號具有大幅值、低頻、周期性的特征，因此公式中各參數定義為：A=5，B=1，φ0=0.001，Anosie=Bnoise=0，待測信號f(t)為0.1 rad 100 Hz正弦，φnoise為0.1 rad 1 Hz正弦，濾波器采用5階Butterworth高通濾波器，20 Hz低截至頻率，模擬信號時長50 s，系統采樣頻率為1.2 kHz。

圖2a為模擬產生的原始信號，對其直接濾波后輸出如圖2b所示，可見截至頻率20 Hz以下皆被濾波，但20 Hz處出現凸起，且待測100 Hz信號被混頻成99 Hz與101 Hz兩個成分并出現高階諧波，效果不理想。

圖2 信號濾波對比Fig.2 Signal filtering contrast

在DVS系統對振動信號的解調算法中，我們對光強I進行差分及降采樣平均運算。因此，對模擬原始信號濾波后進行差分及降采樣平均處理，如圖3所示，1 Hz的低頻噪聲信號被去除。模擬結果表明，對DVS系統原始信號經過高通濾波后差分及平均處理，可以過濾掉風吹、海浪等引入的大幅值、低頻、周期性的環境噪聲。

圖3 濾波后差分及平均處理Fig.3 Differential and average processing after filtering

3 現場實驗效果

圖4 圍欄布置現場Fig.4 Fence layout

針對以上理論分析，我們進行了現場實驗驗證。在實驗場地的圍欄上布置長度為1 700 m的光纜，間隔一定的距離用扎帶將光纜捆扎在圍欄上，布置效果如圖4所示。

在實驗環境沒有其他人為因素干擾下，系統檢測到的光纜振動曲線如圖5所示，可以看出DVS系統具有較高的靈敏度，能夠檢測到現場環境中低頻、大幅值、周期性的信號(如風吹、車輛等)引起的光纜振動。

在光纜1 480 m處進行攀爬實驗，對系統濾波前后檢測效果進行對比，結果如圖6所示。圖6a顯示1 480 m處攀爬引起的振動與環境中低頻噪聲引起的振動無法僅通過幅值大小區別開來，而圖6b顯示對原始信號濾波后，低頻、大幅值的環境噪聲被濾除，保留了攀爬位置信號。進一步提取攀爬過程中某一時刻濾波前后的振動信號進行對比分析，如圖6c所示，濾波后攀爬位置處信號信噪比由原來的10.2 dB提高到16.2 dB，信噪比提升50%以上，濾波效果明顯。此外，對環境噪聲和攀爬位置處信號做頻域分析可知(圖7)，環境噪聲信號頻率主要集中在低頻段，攀爬位置的信號包含高頻分量，因此通過對分布式光纖振動檢測系統原始信號進行濾波處理，能夠有效地去除環境中低頻、大幅值、周期性環境噪聲，提高系統信噪比。

圖5 環境背景噪聲Fig.5 Environmental background noise

圖6 攀爬信號濾波效果對比Fig.6 Filtering effect comparison of climbing signal

圖7 信號頻域分析Fig.7 Signal frequency domain analysis

4 結論

本文對一種相位敏感的光纖分布式振動檢測系統的原始信號進行了濾波模擬和現場實驗，實驗中系統濾波能夠有效地去除環境中大幅值、低頻、周期性噪聲信號，保留攀爬位置處的目標信號，并且系統信噪比提高50%，進一步提升了分布式光纖檢測系統在工程領域應用的實用性。然而實驗過程中對整條光纜信號同時濾波，數據運算量大，造成了一定的系統延時，并且光纜不同位置所處的環境不同，使用相同濾波參數會對效果有一定的影響，因此如何分區、分參數濾波，提升濾波算法及系統性能是今后著力改進和研究的方向。

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