基于分布式傳感光纖的模式識別及定位技術(shù)①

賀龍周,孫 捷

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院,成都 610225)

分布式光纖傳感周界系統(tǒng)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(xiàn)對光路上干擾信號的振動監(jiān)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(yōu)點,光纖傳感已經(jīng)成為整個周界領(lǐng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)為Sagnac、OTDR、FB 以及單M-Z 等,其中,研究M-Z 結(jié)構(gòu)的特點由于較簡易、整體系統(tǒng)硬件成本低、定位算法比較容易實現(xiàn)等優(yōu)點,使得該結(jié)構(gòu)在周界領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,本文通過自己搭建整個實驗平臺進行數(shù)據(jù)的采集以及干擾信號的模擬,再采用LabVIEW 軟件實現(xiàn)對所采集數(shù)據(jù)的模擬識別處理以及傳感臂和參考臂雙路信號的相關(guān)性仿真,根據(jù)兩路信號時延差信息及相關(guān)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(guān)鍵性問題.

1 雙M-Z 分布式光纖傳感周界系統(tǒng)

文章主要是利用基于光纖干涉儀原理的光纖傳感周界預(yù)警和定位系統(tǒng),這樣的傳感系統(tǒng)通常是相位調(diào)制型的傳感器整個周界系統(tǒng)利用M-Z 干涉儀的原理進行實驗操作,該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括光源、光耦合器、光環(huán)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(tǒng)中,搭建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要采用干涉儀的結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)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(jīng)過C1 后,被1：1 的分為兩路,接著其中一路經(jīng)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(fā)送干涉現(xiàn)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(jīng)過光電探測模塊D2 后,再通過數(shù)據(jù)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(fā)生干涉現(xiàn)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(shù)據(jù)采集卡進入PC.兩個干涉信號最后再PC 端進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理、模擬識別定位等.

圖1 M-Z 結(jié)構(gòu)的光纖周界系統(tǒng)原理圖

2 周界系統(tǒng)的調(diào)制原理

整個光纖傳感周界系統(tǒng)在沒有外界干擾的情況下,從S 發(fā)出的光源經(jīng)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(wěn)定的干涉信號.在不考慮外界溫度及環(huán)境因素的前提下,我們使用窄帶光源,經(jīng)過耦合器、干涉儀結(jié)構(gòu)后,在光電探測模塊同樣可以檢測到比較穩(wěn)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(guān)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(chǎn)生相位的延遲,其中兩者之間的關(guān)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(shù).

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(guān)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(fā)生變化主要是由下述三部分組成[3]：(1)由于外界因素導(dǎo)致光纖的長度發(fā)生變化,進而造成相位也跟著變化,這種現(xiàn)象通常稱為光纖的應(yīng)變效應(yīng)[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(xiàn)象稱為光纖的彈光效應(yīng)[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(xiàn)象稱為光纖的泊松效應(yīng).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(dǎo)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(guān)系式可以簡化如下：

3 系統(tǒng)的定位原理

假設(shè)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(yīng)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(chǎn)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(guān)系,所以對光纖傳感周界系統(tǒng)的信息分析處理,應(yīng)當(dāng)首先確定干擾信號所發(fā)生的位置,通過計算兩路信號所產(chǎn)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(xiàn)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(yīng)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(tǒng)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(zhǔn)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(yīng)該基本一致,因此兩個光路信號具有極強的相關(guān)性,我們可以對所得到的兩路信號進行一定的相關(guān)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(guān)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(jié)果及分析

4.1 正交調(diào)制的選擇

提高采用虛擬儀器LabVIEW 對系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進行分析處理,由光纖干涉的條件可以斷定,當(dāng)兩臂信號的相位差為π/2 時,光的干涉效應(yīng)才能達到最佳狀態(tài),因此進行正交偏置的調(diào)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(dāng)處于正交偏置狀態(tài)時,信號的靈敏度及幅值都有很大程度的提升,對整個系統(tǒng)測量動態(tài)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(tǒng)對數(shù)據(jù)的實時性要求較高,并且在對外界情況進行監(jiān)測過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),若對全部數(shù)據(jù)進行分析,則會造成較大的運算量,可能會拖慢系統(tǒng)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(shù)據(jù)進行相關(guān)性處理,有效的提高了系統(tǒng)的運算能力.具體仿真圖如下：

根據(jù)閾值法對干擾信號進行信號類型區(qū)分辨別,依據(jù)采集的20 多組數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析可以確定常見的幾種干擾信號的閾值區(qū)間(人為干擾：≥310;雨聲：200～310;風(fēng)聲：100～200).

針對仿真結(jié)果圖顯示,閾值法可以準(zhǔn)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(shù)據(jù)的最大值為21.8257,波形圖所顯示的時間段波形基本穩(wěn)定,類似一般的生活噪聲,所以程序給出正常狀態(tài)的效應(yīng)提示.而圖4則是文件路徑添加實驗環(huán)境在有風(fēng)的情況下測量的數(shù)據(jù),根據(jù)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(nèi),所以判斷的效應(yīng)為有風(fēng)狀態(tài).由圖可知所獲取的波形圖不穩(wěn)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(fēng)的原因?qū)е虏ㄐ瓮蛔?但峰值范圍基本穩(wěn)定,由于實驗環(huán)境并不完全隔離,所以測量范圍也比較大,從而會導(dǎo)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(shù)據(jù)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(yīng)為人為擊打,從而產(chǎn)生報警響應(yīng).

圖3 模式識別(正常狀態(tài))

圖4 模式識別(有風(fēng)狀態(tài))

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(tǒng)應(yīng)用到一些區(qū)域安防中,準(zhǔn)確率較高,具有一定的可行性.

4.3 周界系統(tǒng)的定位研究

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

由圖6可以準(zhǔn)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(diào)還原,進而根據(jù)解調(diào)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(guān)性進行仿真運算,當(dāng)噪聲水平較低時,才能實現(xiàn)對相關(guān)極大值的索引值得到準(zhǔn)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(guān)函數(shù)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(guān)程序

5 結(jié)論

通過實驗結(jié)果的分析,可以驗證通過使用閾值設(shè)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(tǒng)的使用效率及運算速度,還能夠減少復(fù)雜運算對系統(tǒng)硬件本身的損耗,節(jié)約成本.同時利用互相關(guān)理論實現(xiàn)了對兩路信號時延差的準(zhǔn)確提取,進而確定侵入信號的準(zhǔn)確位置具有一定的可行性[13-16],而且通過對系統(tǒng)的改進,可以將信號的定位誤差確定在較小的范圍內(nèi),這樣一來,整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究對實際工程中應(yīng)用所采用的監(jiān)測系統(tǒng),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(tǒng)在實際應(yīng)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(yīng)用價值.