一種基于Sagnac干涉式的光纖振動(dòng)傳感技術(shù)

陳宇飛　譚冬生　劉小燕

摘要：以普通單模光纖作為振動(dòng)傳感媒介，利用振動(dòng)在單模光纖中引起的彈光效應(yīng)對(duì)光纖周?chē)h(huán)境中的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)Sagnac干涉的方式，將由彈光效應(yīng)引起的光信號(hào)相位變化解調(diào)成為光強(qiáng)變化，再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。對(duì)光電轉(zhuǎn)換解調(diào)出來(lái)的信號(hào)通過(guò)歸一化處理、預(yù)加重處理等一系列的算法方式作進(jìn)一步分析處理，提取出不同振動(dòng)事件的振動(dòng)特征數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單次沖擊信號(hào)和連續(xù)振動(dòng)信號(hào)的區(qū)分。以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線落石防護(hù)網(wǎng)上巨石滾落狀況的監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：Sagnac干涉； 彈光效應(yīng)； 歸一化處理； 預(yù)加重處理

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.006

Abstract：By using ordinary single-mode fiber as the medium of vibration sensor， the vibration of photosynthetic efficiency in the single mode fiber is used to monitor the surrounding environment. Sagnac interference is caused by the elastic-optic effect from the change in the phase demodulation of the optical signal to the change of intensity for photoelectric conversion. We normalize the signal after photoelectric conversion and conduct pre-emphasis processing for further analysis and processing. A series of algorithm are used to extract the vibration features of different vibration data， in order to realize sequential single impact signal and vibration signal. By using the proposed method， rock-falling protection along the railway can be realized.

Keywords：Sagnac interference； elastic-optic effect； normalized processing； pre-emphasis processing

引 言

提出了一種基于Sagnac干涉儀原理的鐵路沿線落石防護(hù)網(wǎng)檢測(cè)分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)，該技術(shù)以光纖作為傳感器，并采用獨(dú)特的檢測(cè)技術(shù)對(duì)鐵路沿線落石防護(hù)網(wǎng)上的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)控。本文所用的基于 Sagnac干涉儀原理的分布式光纖振動(dòng)傳感器，與傳統(tǒng)的馬赫-曾德干涉儀傳感器[1]相比較，由于Sagnac干涉儀為零光程差，因此不存在兩傳感臂長(zhǎng)度不一致引起的噪音，且對(duì)光源要求低，可使用高功率的寬帶光源，更適合長(zhǎng)距離檢測(cè)。

1 振動(dòng)監(jiān)控原理

1.1 Sagnac干涉儀工作原理

圖1所示的Sagnac干涉儀是應(yīng)用于鐵路沿線落石防護(hù)網(wǎng)的檢測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由光源、光電轉(zhuǎn)換器（PIN）、耦合器和信號(hào)處理幾部分組成。光源發(fā)出的光經(jīng)2×2耦合器分光后，分別沿Sagnac干涉儀光纖環(huán)的順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騻鞑?，并先后?jīng)過(guò)圖中所示的振動(dòng)點(diǎn)。外部環(huán)境的振動(dòng)信號(hào)作用到光纖上，使光纖的長(zhǎng)度和折射率都發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖中傳播的導(dǎo)光相位被調(diào)制，經(jīng)調(diào)制后的兩路光在光電轉(zhuǎn)換器處發(fā)生干涉。由于順、逆兩束光經(jīng)過(guò)振動(dòng)點(diǎn)的時(shí)間不同，兩路光被調(diào)制后產(chǎn)生相位差，根據(jù)Sagnac效應(yīng)，兩束光在光電轉(zhuǎn)換器處的干涉信號(hào)為[2]：

由此可以看出外界振動(dòng)產(chǎn)生的壓力P對(duì)于光纖中傳播信號(hào)相位φ的影響。

1.3 光干涉技術(shù)

光的頻率遠(yuǎn)高于光電接收器可以接收的頻率，因此光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不能直接解調(diào)光信號(hào)相位的變化。只能通過(guò)光波的相干效應(yīng)來(lái)將光的相位變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)變化來(lái)進(jìn)行解調(diào)。因波的疊加而引起強(qiáng)度重新分布的現(xiàn)象，叫做波的干涉。產(chǎn)生干涉的條件稱(chēng)為相干條件，相干條件有三條[5]：（1）頻率相同；（2）存在相互平行的振動(dòng)分量；（3）相位差穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作流程

圖2所示為系統(tǒng)工作流程，主要有振動(dòng)信號(hào)獲取、信號(hào)干涉解調(diào)、信號(hào)采集、信號(hào)分析處理4個(gè)部分組成。

2.2 軟件整體流程

系統(tǒng)通過(guò)特征提取及分類(lèi)算法完成對(duì)擾動(dòng)特征信息的動(dòng)態(tài)提取、分析和比較，確定擾動(dòng)的頻率、幅度和類(lèi)型等物理特征，實(shí)時(shí)給出分析結(jié)果或?qū)Ψ钦_動(dòng)給出預(yù)警信號(hào)，軟件整體流程如圖3所示。

軟件采用時(shí)域信號(hào)處理和頻域信號(hào)處理相結(jié)合的算法，在判斷信號(hào)是報(bào)警信號(hào)還是干擾信號(hào)的同時(shí)，將這些參數(shù)儲(chǔ)存于信號(hào)特征庫(kù)中，進(jìn)一步完善信號(hào)特征庫(kù)，具備自我判斷的功能。

3 振動(dòng)分析

3.1 歸一化處理

圖4為信號(hào)處理流程圖，其中歸一化處理是第一個(gè)重要步驟。由于硬件設(shè)備光功率的不穩(wěn)定等因素造成待識(shí)別信號(hào)總是存在或多或少的量程差異，為消除此影響有必要做歸一化處理，使待測(cè)信號(hào)總是映射到同一標(biāo)準(zhǔn)刻度內(nèi)。

3.2 預(yù)加重處理

環(huán)境干擾在頻譜上表現(xiàn)是低頻信息豐富，而人為干擾主要集中在高頻段。采用類(lèi)似于語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)加重處理手段，以抑制低頻信號(hào)突出高頻信號(hào)。

3.3 振動(dòng)事件檢測(cè)

信號(hào)經(jīng)過(guò)上述步驟的處理，從時(shí)域波形很難做出區(qū)分，為此需做進(jìn)一步能差處理。將信號(hào)進(jìn)行分幀，幀長(zhǎng)240幀、幀重疊80幀，分別計(jì)算每幀信號(hào)的能量方差并計(jì)算上述每段（2 s）信號(hào)的能量方差的標(biāo)準(zhǔn)差STD。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)石頭滾落（沖擊振動(dòng)）和大風(fēng)狀態(tài)（連續(xù)振動(dòng)）的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果如圖5～圖8所示。

這些圖形可清晰地表明：

（1）經(jīng)過(guò)能差檢測(cè)仍能完整地反映振動(dòng)信號(hào)；

（2）圖7中明顯存在沖擊性信號(hào)，而經(jīng)過(guò)能差處理很好的體現(xiàn)出沖擊信號(hào)的信號(hào)包絡(luò)；

（3）圖8所示的連續(xù)振動(dòng)信號(hào)較為平穩(wěn)。

4 總 結(jié)

本文提出了一種用光纖傳感器來(lái)監(jiān)控周?chē)h(huán)境振動(dòng)狀況的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以Sagnac干涉儀為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)探測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)歸一化處理、預(yù)加重處理，振動(dòng)事件分析等多種算法處理，能很好地區(qū)分事件地點(diǎn)的落石振動(dòng)信號(hào)和大風(fēng)振動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明，測(cè)試系統(tǒng)可以很好地分辨出不同的振動(dòng)事件，能對(duì)鐵路周邊落石防護(hù)網(wǎng)上落石狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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（編輯：劉鐵英）