分布式光纖振動檢測系統(tǒng)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(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

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

目前分布式振動檢測系統(tǒng)的探測距離、空間分辨率及測量頻率等性能指標(biāo)都已經(jīng)達(dá)到了工程應(yīng)用的要求[5-6]，然而在實際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)具有較高的靈敏度[7]，現(xiàn)場環(huán)境中低頻、大幅值、周期性的信號(如風(fēng)吹、舞動、海浪等)都會引起系統(tǒng)的振動，干擾檢測效果，導(dǎo)致誤報率升高。國內(nèi)外針對減小誤報率的動態(tài)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(yīng)用上難度較大。因此，研究如何去除此類噪聲能夠促進(jìn)分布式光纖振動檢測系統(tǒng)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

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

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

基于相位敏感及φ-OTDR原理的分布式振動檢測系統(tǒng)使用窄線寬激光器，激光經(jīng)AOM調(diào)制后變成強(qiáng)相干的脈沖光進(jìn)入待測光纖中，當(dāng)傳感光纖收到外界振動影響時，對應(yīng)位置處的光纖折射率就會發(fā)生變化從而引起對應(yīng)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(qiáng)的變化，根據(jù)光強(qiáng)變化及時間即可定位光纖上的振動位置。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 DVS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 DVS system structure

圖1中DFB-LD為窄線寬激光器，輸出的連續(xù)激光經(jīng)聲光調(diào)制(AOM)調(diào)制成脈沖光，再經(jīng)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(qiáng)，最后采集到計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 原始信號濾波模擬分析

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

由圖1可知，DVS系統(tǒng)使用一個PD直接接收后向瑞利散射光，光強(qiáng)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(shù)，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(guān)系、添加或更改信號處理方法等即可得出DVS系統(tǒng)在各個環(huán)境條件下對信號增敏保真的情況。

這里主要針對實際應(yīng)用中由風(fēng)、海浪等產(chǎn)生的環(huán)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(shù)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(tǒng)采樣頻率為1.2 kHz。

圖2a為模擬產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)對振動信號的解調(diào)算法中，我們對光強(qiáng)I進(jìn)行差分及降采樣平均運算。因此，對模擬原始信號濾波后進(jìn)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(jié)果表明，對DVS系統(tǒng)原始信號經(jīng)過高通濾波后差分及平均處理，可以過濾掉風(fēng)吹、海浪等引入的大幅值、低頻、周期性的環(huán)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(xiàn)場實驗效果

圖4 圍欄布置現(xiàn)場Fig.4 Fence layout

針對以上理論分析，我們進(jìn)行了現(xiàn)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(huán)境沒有其他人為因素干擾下，系統(tǒng)檢測到的光纜振動曲線如圖5所示，可以看出DVS系統(tǒng)具有較高的靈敏度，能夠檢測到現(xiàn)場環(huán)境中低頻、大幅值、周期性的信號(如風(fēng)吹、車輛等)引起的光纜振動。

在光纜1 480 m處進(jìn)行攀爬實驗，對系統(tǒng)濾波前后檢測效果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。圖6a顯示1 480 m處攀爬引起的振動與環(huán)境中低頻噪聲引起的振動無法僅通過幅值大小區(qū)別開來，而圖6b顯示對原始信號濾波后，低頻、大幅值的環(huán)境噪聲被濾除，保留了攀爬位置信號。進(jìn)一步提取攀爬過程中某一時刻濾波前后的振動信號進(jìn)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(huán)境噪聲和攀爬位置處信號做頻域分析可知(圖7)，環(huán)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(tǒng)原始信號進(jìn)行濾波處理，能夠有效地去除環(huán)境中低頻、大幅值、周期性環(huán)境噪聲，提高系統(tǒng)信噪比。

圖5 環(huán)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(jié)論

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

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