基于偏振降噪的分布式光纖振動(dòng)定位算法研究

高擎昊，蘇幸晨，張成龍，呂立冬

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032)

0 引言

由于管道運(yùn)輸運(yùn)量大、安全性好、連續(xù)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性高，需要持續(xù)供應(yīng)的資源大多通過(guò)管道運(yùn)輸。針對(duì)管道破壞事件，分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)憑借其優(yōu)勢(shì)可以滿足對(duì)周界安防長(zhǎng)距離、高空間分辨率的監(jiān)測(cè)需求[1]。

與常規(guī)傳感方案相比，分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)使用光纖作為傳感媒介，代替點(diǎn)式電子式傳感器和相關(guān)導(dǎo)線，可用于建筑內(nèi)部裂縫檢測(cè)、管道安防監(jiān)測(cè)。Y. L. Lu等[2]基于相敏光時(shí)域反射技術(shù)，采用相干探測(cè)方式，結(jié)合移動(dòng)平均、移動(dòng)差分信號(hào)處理算法，設(shè)計(jì)了分布式振動(dòng)傳感器，并通過(guò)鉛筆斷裂模擬裂縫聲實(shí)驗(yàn)，獲得系統(tǒng)的空間分辨率達(dá)到5 m，最高頻率響應(yīng)為1 kHz；Z. G.Qin等[3]在相敏光時(shí)域反射系統(tǒng)中結(jié)合小波變換方法降低系統(tǒng)噪聲，將系統(tǒng)的最高探測(cè)頻率提升到8 kHz；文仲寺等[4]將低通濾波和小波降噪技術(shù)結(jié)合，提出一種協(xié)同濾波降噪方法，將信號(hào)的信噪比提升了5.1 dB。

分布式光纖振動(dòng)傳感器作為周界安防、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的理想工具，國(guó)內(nèi)外研究的主要方向是突破其性能限制，提升監(jiān)測(cè)事件識(shí)別能力[5-6]。由于大多數(shù)的外力破壞行為持續(xù)時(shí)間較短，事件定位與識(shí)別對(duì)于分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有較高的要求，而優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法是提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效率的主要途徑。這一方面需要優(yōu)化信號(hào)的特征提取和分析算法，提升系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中對(duì)入侵事件的識(shí)別能力[7]；另一方面需要提升數(shù)據(jù)傳輸及處理速度。黃新銳等[8]提出用于分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)流壓縮傳送方法，通過(guò)特征提取算法，將數(shù)據(jù)壓縮至原本的0.96‰，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。一般使用逐差法對(duì)振動(dòng)事件定位，該算法需要將每次采集的曲線進(jìn)行作差處理再根據(jù)多條差值曲線定位振動(dòng)事件，但是該方法無(wú)法同時(shí)獲得較好的定位精度和響應(yīng)時(shí)間。本文針對(duì)上述問(wèn)題提出一種基于偏振降噪的比值定位算法，以提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，并且提出一種時(shí)域疊加方法強(qiáng)化信號(hào)的振動(dòng)特征，為準(zhǔn)確得到振動(dòng)信號(hào)頻譜提供保障。

1 POTDR系統(tǒng)原理

POTDR技術(shù)是在光時(shí)域反射(optical time domain reflectometery，OTDR)技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的[9-10]，其最早由A.J.Rogers提出并用于測(cè)量磁場(chǎng)、電場(chǎng)等物理場(chǎng)的空間分布情況[11]。瑞利散射屬于彈性散射[12]，當(dāng)光纖受到應(yīng)力、振動(dòng)等外部擾動(dòng)影響時(shí)，雙折射效應(yīng)使得合成的背向瑞利散射光偏振態(tài)改變。光纖雙折射效應(yīng)是光纖對(duì)2個(gè)相互垂直偏振方向上的光具有不同的折射率，當(dāng)光通過(guò)光纖時(shí)，使得這2個(gè)方向上的光波的傳播速度不同，經(jīng)過(guò)一段光纖的傳輸后，兩者的相位差發(fā)生改變，進(jìn)而使得合成光的偏振態(tài)發(fā)生變化。于是，通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)背向瑞利散射光功率的變化，即可得到傳感光纖中各位置點(diǎn)散射光的偏振態(tài)信息[13-14]，從而分析光纖沿線的振動(dòng)事件。

然而，通過(guò)一條光時(shí)域反射曲線只能得到某次測(cè)量的各位置點(diǎn)散射光功率信息，無(wú)法解調(diào)出有效的振動(dòng)頻譜。故需要連續(xù)采集多個(gè)測(cè)量周期的曲線，得到每個(gè)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)域數(shù)據(jù)，再對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)，從而提取各位置點(diǎn)的振動(dòng)譜并識(shí)別事件。在實(shí)際處理中，一方面直接采集到的光時(shí)域反射曲線往往信噪比較差，導(dǎo)致事件定位困難；另一方面對(duì)所有位置點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT，運(yùn)算量大，降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。因此，本文采用先降噪、定位，再進(jìn)行頻譜提取的思路，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

2 信號(hào)處理

2.1 信號(hào)處理流程

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的信號(hào)處理流程主要為信號(hào)降噪、振動(dòng)定位、頻域變換、特征提取與識(shí)別。系統(tǒng)采集的信號(hào)含有噪聲，噪聲主要來(lái)源于光電二極管，圍繞某固定的電壓值波動(dòng)。降噪的方法有累加平均、低通濾波、小波降噪等。

當(dāng)前針對(duì)振動(dòng)事件定位的方法有直接頻譜法和時(shí)域逐差法。直接頻譜法對(duì)同一位置點(diǎn)在不同時(shí)刻的信號(hào)進(jìn)行FFT，若該位置受到振動(dòng)事件影響，則頻譜中將包含該信號(hào)特征頻率。逐差定位法將相鄰周期采集的曲線做差，在振動(dòng)位置前，偏振態(tài)幾乎不受影響，差值曲線波動(dòng)小，而振動(dòng)位置及其后的位置差值曲線波動(dòng)劇烈。雖然直接頻譜法定位準(zhǔn)確，但需要對(duì)光纖每個(gè)位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而振動(dòng)事件可能僅僅在某個(gè)或某幾個(gè)位置點(diǎn)，增加了系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)擔(dān)。而逐差定位法僅通過(guò)差值曲線判斷振動(dòng)位置，由于信號(hào)隨機(jī)波動(dòng)等原因，使得在不同閾值設(shè)定情況下其定位精度不穩(wěn)定。

此外，由于POTDR系統(tǒng)光時(shí)域反射曲線從振動(dòng)點(diǎn)開始直至光纖尾端都會(huì)受到偏振態(tài)改變的影響，本系統(tǒng)在定位振動(dòng)事件后，為提高振動(dòng)信號(hào)振動(dòng)譜提取能力，提出一種數(shù)據(jù)時(shí)域疊加法，將振動(dòng)點(diǎn)開始的多個(gè)連續(xù)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)疊加，以強(qiáng)化信號(hào)中的振動(dòng)特征，進(jìn)而通過(guò)FFT得出更準(zhǔn)確的振動(dòng)頻譜。

2.2 逐差定位法

逐差定位法是常用的定位方法，將相鄰兩次測(cè)量的光時(shí)域反射曲線作差。在受到振動(dòng)事件影響的位置點(diǎn)之前，曲線差值較??；受到振動(dòng)事件影響的光纖位置及其后所有位置，差值曲線波動(dòng)劇烈，然后根據(jù)多條差值曲線的波動(dòng)情況，判斷振動(dòng)事件位置。

在實(shí)際應(yīng)用中，定位前需要先判斷振動(dòng)事件是否存在。假設(shè)共有M條背向散射曲線，依次將相鄰的2條曲線作差，通過(guò)設(shè)定閾值的方法判斷差值曲線是否存在曲線突增的情況，若存在，則認(rèn)為存在振動(dòng)事件并進(jìn)行定位。對(duì)逐差得到的M-1條差值曲線的所有位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)取絕對(duì)值，然后將同一位置點(diǎn)數(shù)據(jù)相加得到一條疊加平均的曲線。由于原本的每一條差值曲線在受到振動(dòng)事件影響后，曲線波動(dòng)由平緩變得劇烈，通過(guò)疊加差值的方法強(qiáng)化了振動(dòng)前后位置點(diǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，最后通過(guò)設(shè)定閾值確定振動(dòng)位置。

傳統(tǒng)的逐差定位法在定位振動(dòng)事件時(shí)，需要先對(duì)相鄰周期曲線作差，若僅使用2條曲線作差，系統(tǒng)靈敏度雖然較高，但是定位誤差較大；若多次差值獲取多條逐差曲線再判斷，需要處理的數(shù)據(jù)量則會(huì)增大，尤其在長(zhǎng)距離線路監(jiān)測(cè)中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性明顯變差。

2.3 比值定位法

本文提出了一種新的振動(dòng)事件定位算法：基于偏振降噪的比值定位法。該算法從步驟上分為振動(dòng)判斷和振動(dòng)定位，其處理流程如圖1所示。

圖1 比值定位流程圖

采集卡接收的初始數(shù)據(jù)為一維數(shù)據(jù)，首先需要根據(jù)采集卡的采集長(zhǎng)度對(duì)一維數(shù)據(jù)進(jìn)行整合得到M×N的二維矩陣，表示連續(xù)M個(gè)脈沖周期采集到的M條光時(shí)域反射曲線，每條曲線有N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后將M條光時(shí)域反射曲線累加平均得到偏振降噪曲線，圖2中分別為受振動(dòng)事件影響前后的偏振降噪曲線，因傳感光纖的偏振態(tài)的改變會(huì)從振動(dòng)位置處持續(xù)到光纖末端，故受振動(dòng)影響的光纖位置及其后位置的曲線波動(dòng)平緩。

圖2 有無(wú)振動(dòng)時(shí)偏振降噪曲線對(duì)比

本算法采用去除菲涅爾反射峰后的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)事件判斷。原則上取的點(diǎn)數(shù)越多，判斷越準(zhǔn)確，但在實(shí)際中，振動(dòng)部分可能靠近光纖尾端，使得受振動(dòng)影響的光纖長(zhǎng)度較短，進(jìn)而可能影響事件定位及后續(xù)振動(dòng)譜的提取。結(jié)合曲線波動(dòng)規(guī)律和實(shí)際情況取10個(gè)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)判斷，求取該10個(gè)數(shù)據(jù)的均值，若其中存在超出范圍A的值，則認(rèn)為曲線波動(dòng)較大，即無(wú)振動(dòng)事件發(fā)生，A的范圍設(shè)定為均值的0.995倍至1.005倍。通過(guò)圖3曲線末端對(duì)比可以明顯看出，受到振動(dòng)事件影響的曲線末端相較于無(wú)振動(dòng)時(shí)更加平緩。

圖3 偏振降噪曲線末端對(duì)比

在判斷存在振動(dòng)事件后，從既定的末端位置點(diǎn)開始，將前一個(gè)位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)與后一個(gè)位置的數(shù)據(jù)相比，得到比值B，若B值在閾值C范圍內(nèi)，則代表曲線波動(dòng)平緩，繼續(xù)向前端尋點(diǎn)以此循環(huán)得到新的比值B，直至該值超出閾值C的范圍，停止循環(huán)尋點(diǎn)，將此值對(duì)應(yīng)的2個(gè)位置中后一位置定義為振動(dòng)位置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比非振動(dòng)與振動(dòng)部分相鄰點(diǎn)的比值曲線，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)受到振動(dòng)事件影響的相鄰點(diǎn)比值明顯小于無(wú)振動(dòng)部分。對(duì)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，將閾值C的范圍設(shè)定在0.97～1.03較為可靠。

圖4 比值曲線

從2種算法的處理流程上看，逐差定位算法首先需要將光時(shí)域反射曲線作差，再對(duì)差值曲線分別取絕對(duì)值后疊加，最后通過(guò)設(shè)定閾值判斷振動(dòng)位置點(diǎn)。相比之下，比值定位法將所有光時(shí)域反射曲線疊加得到一條偏振降噪曲線，再判斷是否存在振動(dòng)事件，最后通過(guò)逐點(diǎn)比值判斷振動(dòng)位置點(diǎn)，需要處理的數(shù)據(jù)量大幅減少，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)搭建

本文設(shè)計(jì)的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示[15]。脈沖激光器發(fā)出光脈沖通過(guò)偏振控制器實(shí)現(xiàn)起偏，經(jīng)光纖環(huán)形器1端口注入長(zhǎng)度約10 km的多模光纖，光脈沖在傳播過(guò)程中產(chǎn)生的背向散射光經(jīng)由光纖環(huán)形器2端口后，從3端口輸出，進(jìn)入偏振控制器2實(shí)現(xiàn)檢偏，再由光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，最終由數(shù)據(jù)采集卡采集該電壓信號(hào)并傳入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。本系統(tǒng)中由計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出觸發(fā)脈沖同步控制激光器脈沖發(fā)射和數(shù)據(jù)采集。

圖5 POTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置上，脈沖頻率為5 kHz、脈沖寬度為10 ns，脈沖激光器中心波長(zhǎng)為1 550 nm，數(shù)據(jù)采集卡采樣率為100 MSPS。實(shí)驗(yàn)中需要考慮能否完整采集一個(gè)周期的振動(dòng)信號(hào)，故采集時(shí)間和累加平均次數(shù)需要根據(jù)施加的信號(hào)特點(diǎn)而定。假設(shè)累加平均次數(shù)為100次，則FFT后可以探測(cè)到的振動(dòng)事件的最大頻率為25 Hz。若加載的振動(dòng)事件頻率為25 Hz，為保證能完整采集一個(gè)周期的振動(dòng)信號(hào)，則采集時(shí)間至少為4 s，即需要采集200條累加平均100次后的光時(shí)域反射曲線。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 振動(dòng)判斷測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中，將光纖振動(dòng)事件加載到光纖末端，由人為拍打光纖模擬振動(dòng)事件。為了保證采集到包含多個(gè)連續(xù)周期的振動(dòng)信號(hào)以便于后續(xù)通過(guò)FFT提取振動(dòng)譜，實(shí)驗(yàn)中采集128條經(jīng)100次累加平均處理的光時(shí)域反射曲線，總的采集時(shí)間為2.56 s。使用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)截取不包含菲涅爾反射峰的部分，再將128條光時(shí)域反射曲線疊加后求平均，得到偏振降噪曲線。圖6(a)、圖6(b)分別是施加振動(dòng)事件前后的偏振降噪曲線，再由本文提出的比值定位算法判斷振動(dòng)事件是否存在，并定位出具體振動(dòng)位置。圖6(a)為無(wú)振動(dòng)事件加載時(shí)的曲線，算法準(zhǔn)確判斷出其無(wú)振動(dòng)事件加載。圖6(b)存在振動(dòng)事件加載，算法定位出振動(dòng)位置在光纖10 098 m處。

(a)未施加振動(dòng)

(b)在光纖尾部施加振動(dòng)圖6 振動(dòng)前后偏振降噪曲線對(duì)比

為測(cè)試算法的精確度，通過(guò)觀察全部光時(shí)域反射曲線的波動(dòng)情況得到理論定位點(diǎn)。如圖7所示，理論振動(dòng)定位點(diǎn)位于10 099 m處，與圖6(b)中使用比值法得到的10 098 m定位點(diǎn)偏差1 m。

圖7 理論振動(dòng)定位點(diǎn)

3.2.2 算法對(duì)比分析

在傳感光纖約5 km處加載人為振動(dòng)事件。采集到128條光時(shí)域反射曲線，每條曲線累加平均100次。將128條曲線疊加輸出，如圖8(a)所示，從圖中可以看出本次振動(dòng)的理論定位點(diǎn)在光纖5 114 m處。

(a)理論定位點(diǎn)

(b)逐差定位法效果

(c)比值定位法效果圖8 振動(dòng)事件定位效果對(duì)比

對(duì)以上數(shù)據(jù)分別使用逐差定位法和比值定位法，得到的逐差曲線和偏振降噪曲線分別如圖8(b)和8(c)所示，圖中已標(biāo)出各算法處理出的定位點(diǎn)位置。可以看出逐差定位法得到的定位點(diǎn)在光纖5 109 m處，比值定位法得到的定位點(diǎn)在5 111 m處，與直接觀察得出的理論定位點(diǎn)5 114 m分別偏差5 m和3 m，顯然基于偏振降噪的比值定位算法精度高于傳統(tǒng)的逐差定位法。通過(guò)對(duì)MATLAB運(yùn)算時(shí)間計(jì)時(shí)，逐差定位法使用了0.37 s完成定位，而比值定位法花費(fèi)時(shí)間0.26 s，運(yùn)行速度相比逐差定位法提高了30%，可以有效減少POTDR系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

確定振動(dòng)位置后，將圖8(a)中的每條光時(shí)域反射曲線從振動(dòng)位置點(diǎn)開始的50個(gè)連續(xù)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)疊加，取均值后得到一個(gè)長(zhǎng)度為128的數(shù)組，再通過(guò)FFT得到振動(dòng)頻譜，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的振動(dòng)事件頻率為6.64 Hz，與實(shí)驗(yàn)中對(duì)測(cè)試光纖施加的振動(dòng)信號(hào)頻率一致。

圖9 提取到的振動(dòng)事件頻譜

實(shí)驗(yàn)表明本文提出的基于偏振降噪的比值定位算法具有較好的可行性及可靠性。本算法可以有效判斷光纖沿線是否存在振動(dòng)事件，若存在振動(dòng)事件，則系統(tǒng)可以精準(zhǔn)定位并得到振動(dòng)事件頻譜。而傳統(tǒng)的逐差法由于背向瑞利散射光靈敏性高，相對(duì)的誤報(bào)率較高，若為提高其定位精度而多次逐差，再定位振動(dòng)位置點(diǎn)，則又增加了數(shù)據(jù)處理量，降低了對(duì)動(dòng)態(tài)事件的監(jiān)測(cè)效率。

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于POTDR分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的振動(dòng)定位算法，該算法通過(guò)偏振降噪使振動(dòng)位置前后的光時(shí)域反射曲線出現(xiàn)明顯差異，再通過(guò)比值定位算法定位出振動(dòng)事件。該算法利用POTDR系統(tǒng)從振動(dòng)點(diǎn)開始至傳感光纖末端偏振態(tài)都會(huì)被改變的特性，從曲線的尾端向前端進(jìn)行尋點(diǎn)，通過(guò)相鄰位置點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的比值大小來(lái)評(píng)估光時(shí)域反射曲線的突變位置從而實(shí)現(xiàn)定位。實(shí)驗(yàn)表明比值定位法定位精度高于傳統(tǒng)的逐差定位法，最大定位誤差為3 m，該算法在MATLAB中的運(yùn)行處理時(shí)間比逐差定位法縮短了約30%。此外，本文提出的信號(hào)時(shí)域疊加法可強(qiáng)化信號(hào)中的振動(dòng)特征，能有效提取出振動(dòng)事件頻譜。本文設(shè)計(jì)的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)及相應(yīng)振動(dòng)事件定位與提取算法可應(yīng)用于管道及其內(nèi)部設(shè)施防外力破壞監(jiān)測(cè)預(yù)警。