煤礦井下分布式光纖傳感系統(tǒng)的救援定位方法

陳麗娟， 陳立國， 張文祥

(1.黑龍江科技大學 電子與信息工程學院， 哈爾濱 150022； 2.上汽通用北盛汽車有限公司， 沈陽 110000)

煤礦井下分布式光纖傳感系統(tǒng)的救援定位方法

陳麗娟1， 陳立國2， 張文祥1

(1.黑龍江科技大學 電子與信息工程學院， 哈爾濱 150022； 2.上汽通用北盛汽車有限公司， 沈陽 110000)

為了精確定位礦難發(fā)生時井下生存人員的位置，結合礦井下的特殊環(huán)境，設計了一套無源、高靈敏度、高光信噪比的井下救援監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以分布式全光纖振動傳感系統(tǒng)為核心，提出雙光纜共用一套干涉的系統(tǒng)結構,采用線性安裝，對采集的傳感器信號進行小波去噪處理，根據(jù)小波去噪的功率譜估計，獲得陷波點的位置，計算求得擾動發(fā)生的位置，定位振動點。結果表明：該系統(tǒng)具有可靠穩(wěn)定、定位準確等特點，適用于井下礦難發(fā)生時的緊急救援。

煤礦； 救援定位； 分布式光纖傳感； 振動傳感； 最大信噪比； 小波降噪

0 引 言

煤礦井下一旦發(fā)生事故，通信定位的精度直接影響到救援的效果。因此，需要建立科學的適合煤礦井下的通信定位系統(tǒng)。礦井下空氣濕度大，空氣中浮游雜質(zhì)如煤塵含量高，腐蝕性氣體如CO2、NO、NO2、SO2等含量較高、地理環(huán)境復雜。

光纖傳感系統(tǒng)因為具有無源、高靈敏度、高光信噪比等特點，非常適合在礦井下應用。分布式光纖傳感技術主要為以下兩類，一是基于干涉原理的分布式振動傳感技術[1]；二是基于后向散射探測技術的光纖傳感系統(tǒng)。基于干涉型分布式傳感技術大多采用馬赫-澤德(M-Z)、薩格納克(Sagnac)或邁克爾遜(Michelson)等干涉儀混合使用，通過等光程的光束產(chǎn)生干涉。上海交通大學國家重點實驗室的周正仙、肖石林等，英國科學家 S． J． Spammer 等、復旦大學賈波及其團隊都在做這方面的研究。課題組在研究現(xiàn)有大量的光纖振動傳感系統(tǒng)的基礎上，提出基于線型的Sagnac的干涉型光纖傳感器礦井救援系統(tǒng)。在礦難發(fā)生后，只要坑道內(nèi)的光纜未受物理性損壞，被困工作人員可連續(xù)敲擊光纜或光纜周邊的巷道壁，依據(jù)光波在光纖傳輸過程當中偏振、相位等參量對振動敏感的特征，使光纖中傳輸光的相位發(fā)生改變，從而向基站發(fā)出求救信號[2]，為了對被困人員進行高精度的定位，可將測定范圍是150 km的干涉系統(tǒng)，定位精度控制在20 m以內(nèi)，可為事故搶險提供科學依據(jù)。

1 系統(tǒng)構建

根據(jù)以往光纖振動傳感系統(tǒng)大多采用環(huán)狀結構，具有結構稍顯復雜，環(huán)境因素對監(jiān)測結果的影響較大，無法實現(xiàn)定位結果的唯一性，而且在礦井下這樣復雜的地理環(huán)境，光纖不容易以環(huán)形安裝的特點，文中提出的基于白光干涉技術的分布式全光纖振動傳感系統(tǒng)采用線狀結構。在傳感光纜部分該系統(tǒng)只運用一根光纖便可實現(xiàn)對擾動信號的定位，也就是說實現(xiàn)對整條坑道的分布式監(jiān)測實際只需在坑道內(nèi)完成一根光纜的鋪設即可，安裝中非常便捷。傳感光纜只用一根，當其中有一個斷點，整個救援系統(tǒng)就會全部處于癱瘓狀態(tài)。為了確保當?shù)V難發(fā)生時，系統(tǒng)仍然處于正常工作狀態(tài)。系統(tǒng)設置上鋪設了雙路光纖，并且這雙路光纜共用一套光路干涉系統(tǒng)，克服了各用一套光纖干涉系統(tǒng)不利于在大范圍、長距離井下定位系統(tǒng)中應用的缺點，具有較強的實用性和可行性。圖1為系統(tǒng)結構示意。

圖1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)以sagnac結構為母本，主要由超輻射發(fā)光光源(SLD)、耦合器(1,2,3)，光纖延時線圈，法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(5,7)組成[3]。兩路傳感光纖互相獨立，因此，只考慮其中一根光纖第I路發(fā)生振動產(chǎn)生的定位結果。依據(jù)干涉原理，在光源發(fā)出的眾多光路中，只有光程相等的兩束光能發(fā)生干涉。這里只考慮由SLD光源發(fā)出的紅外光經(jīng)耦合器1分成的兩束光程相等的光路。一光束從耦合器1發(fā)出后, 經(jīng)耦合器3進入延時線圈8, 后經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡9反射后再經(jīng)過延時線圈8, 之后沿著耦合器3, 經(jīng)由耦合器2進入傳感光纜,后由另一個法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5反射回來, 再經(jīng)耦合器2到達耦合器1,設此光路為光路A. 分析另一束光束，從耦合器1發(fā)出后進入耦合器2, 后經(jīng)傳感光纜傳輸, 在傳感光纜的尾端經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡5反射后, 重新進入耦合器2, 由它進入耦合器3,經(jīng)過延時線圈8, 法拉第旋轉(zhuǎn)鏡9，再經(jīng)延時線圈8，最終和前一束光匯聚在耦合器1里,稱此光路為光路B. 兩光束的完整傳播路徑如下:

A 1-3-8-9-8-3-2-4-5-4-2-1, 經(jīng)過耦合器5次，經(jīng)過延時線圈2次；

B 1-2-4-5-4-2-3-8-9-8-3-1. 經(jīng)過耦合器5次，經(jīng)過延時線圈2次。

假設振動發(fā)生在距離分光器x的位置，振動點到法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的距離為L-x, 設激光兩次經(jīng)過此位置的時間間隔為T, 則T與L,x的關系式可表示為

式中：c——光在真空中的傳播速度； n——光纖的有效折射率。

根據(jù)獲得的兩路干涉光強時域信號解調(diào)出這兩束相干光的相位差信號；對相位差信號進行傅里葉變換，得到相位差的頻譜，進行功率譜估計；找到功率譜估計中的缺失頻率，即陷波頻率，計算出擾動發(fā)生的位置[4]。

2 小波去噪

鑒于快速傅里葉變換的分辨率隨時間是固定不變的，而小波變換則能給出可變的分辨率，采用小波變換去噪來完成系統(tǒng)的去噪問題。系統(tǒng)輸入到SP的信號是有限頻帶中的一個信號，小波變換可以把這個信號分解成高頻部分和低頻部分，低頻部分通常包含信號的主要信息，高頻部分則與噪聲及擾動聯(lián)系在一起。根據(jù)分析的需要可以繼續(xù)對所得到的低頻部分進行分解，如此又得到了更低頻部分的信號和頻率相對較高部分的信號[5]。不斷進行高低分層，來完成噪聲信號的去除。

連續(xù)時間信號x(t)的小波變換(CWT)可以定義為

(1)

式中:b——時移； a——尺度因子。

ψ(t)稱為基本小波或母小波。ψa,b(t)是母小波經(jīng)移位和伸縮所產(chǎn)生的一族函數(shù)，ψ*(t)，是母小波的共軛函數(shù)。

鑒于CWT中各參量攜帶了大量的冗余信息，可將尺度參量按冪級數(shù)進行離散化處理，對時間進行均勻離散取值，可以定義離散化后的小波變換DWT為：

(2)

小波收縮去噪法(非線性小波變化閾值法)是基于噪聲信號的小波系數(shù)門限的思想提出的，而光纖的光偏振態(tài)變化屬于非線性變化，該方法非常適用于分布式白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)信號檢測信號數(shù)據(jù)做降噪處理。去除高頻分量留下低頻分量。小波變換的方法去除了存在的噪聲保留了信號的信息而不考慮信號的頻域內(nèi)容。對于分布式白光干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)小波收縮去噪法的實現(xiàn)方法包括以下三個步驟：第一，將信號進行DWT運算獲得小波系數(shù)。第二，選擇合適的小波系數(shù)門限方法。第三，根據(jù)DWT的逆變換重建去噪信號。因為摻雜在信號中的噪聲通常對應在小波系數(shù)中比較小的絕對值，則通過門限的合適選取，小波系數(shù)中的噪聲會被去除。

3 振動點定位方法

根據(jù)系統(tǒng)搭建圖所示，若在光纖4或6處發(fā)生擾動，使得光束A和光束B產(chǎn)生相位差，

Δφ(t)=φA(t)-φB(t)={sin[w(t-τ)]+sin[w(t+τ+t0)}-{sin[wt]+sin[w(t+t0)]]，

(3)

利用三角函數(shù)式(3)可被簡化為

(4)

分析可見擾動信號與相位差信號具有相同頻率，擾動信號的頻率和擾動發(fā)生的位置與相位差幅度相關，即

(5)

(6)

為了更精準地對振動點進行定位，可以對還原信號進行準確的功率譜分析，進行小波去噪之后查詢功率譜中極小值的位置進而推算出振動點的位置。

在分析比較之后，選用WELCH功率譜估計方法：

(7)

式中：M——每段信號的長度；

L——信號的分段數(shù)；

w(n)——窗函數(shù)；

4 實驗數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)搭建見圖1，SP對反饋的振動信號做分析與處理。首先對被監(jiān)測信號進行功率譜分析，然后對小波去噪后的功率譜分析。通過對多個層次的降噪數(shù)據(jù)進行比較分析后， 兼顧信噪比的提高程度與頻率測量范圍， 選擇的分解層數(shù)為6。

分析可知，系統(tǒng)中有兩種主要的噪聲：一種主要是由檢測器產(chǎn)生的散彈噪聲：

Δf——接收機的帶寬。

另一種是在光波傳輸過程中產(chǎn)生的熱噪聲：

式中：kB——玻爾茲曼常量； T——絕對溫度； Rl——負載電阻[5]。

這樣,信噪比可表示為：

(8)

通過實驗，可以找出不同脈寬和本地時鐘功率下的脈沖峰值功率和信噪比之間的最優(yōu)值，進而確定最佳信噪比。

在實驗中，脈沖速率是50kHz,脈沖寬度分別設為30、10ns。對于不同的脈沖峰值功率獲取了5 000個軌跡來計算信噪比。圖2說明對于脈寬為30和10ns時不同的脈沖峰值功率估算出來的信噪比值。由圖2可見，當本地時鐘功率是-7.8dBm時，對于30和10ns脈寬來講，隨著脈沖峰值功率的增加SNR幾乎成線性增長?？梢娤到y(tǒng)的熱噪聲限值是由本地功率決定的。由信噪比的計算公式可見，SNR是和熱噪聲限值下的平均信號功率成比例的。當本地功率增長到0.2dBm系統(tǒng)主要受散彈噪聲影響，熱噪聲可以忽略不計。隨著脈沖峰值功率的增加SNR也跟著增加。圖2顯示，信噪比會增長到最高值后隨著脈沖峰值功率的增加而下降，這是因為檢測系統(tǒng)最高增益為10V/mW已經(jīng)達到飽和。根據(jù)圖示，對于本地晶振功率為0.2dB，脈沖寬度為30和10ns時，可以選取脈沖峰值功率為250和300dB，此時具有最佳信噪比。

a 脈沖寬度為10 ns

b 脈沖寬度為30 ns

5 振動信號檢測與定位

將0.6 m的單模光纖延遲環(huán)引入該系統(tǒng)，在距離分光器5 km的位置給光纖振動信號作為振動源。實驗中，脈沖的帶寬為10 ns,脈沖峰值功率為450 MW，可獲得在本地時鐘功率為0.2 dBm時最佳信噪比。時鐘的晶振是500 MHz，可獲得1 000條曲線?？紤]到振動源的頻率范圍，脈沖重復率為10～5.0×104Hz。圖3分別給出了振動源頻率是30和10 Hz時候的振動位置信息。

可見振動源頻率是30 Hz的噪聲幅度比10 Hz的低，這說明在高頻較高頻率上噪聲比較小，可獲得較高的信噪比。在可以選擇振源頻率的情況下，可盡可能選擇高頻振動信號。

a

b

圖4為經(jīng)過小波去噪后的功率譜包絡，相對沒有進行小波去噪時更為平滑；圖5為獲得陷波點的清晰頻率，獲得的陷波點頻率為：2 342.1、3 845.6 、5 213.5、5 968.3、6 838.7、8 168.5 Hz。

圖4 功率譜包絡

圖5 功率譜陷波點

這里取光纖折射率為 1.48，根據(jù)得到的一系列陷波頻率，將其代入式(6)可計算出振動點發(fā)生的位置。經(jīng)計算振動點位置為8.573 km，相對真實振動點位置定位誤差為18 m。

改變振動點位置，同樣原理可以獲得定位距離，實際振動位置x和定位距離l結果見表1所示。其中，振動點位x，數(shù)據(jù)處理前定位距離L，處理前定位誤差ex，數(shù)據(jù)處理后定位距離lc，數(shù)據(jù)處理后定位誤差ec。從表1可見，實際振動點和實際距離基本一致，該系統(tǒng)可以完成傳感光纖為150 km的精確定位，經(jīng)計算平均定位誤差為±15 m，相對平均定位誤差為0.01%，相比不進行最佳信噪比優(yōu)化和小波去噪之前的平均定位誤差30.5 m，定位準確率提高了0.010 3%。

表1 系統(tǒng)定位距離與誤差

6 結束語

分布式光纖傳感的礦井下救援通信定位系統(tǒng)有一定的實用價值。在原有的研究基礎上，結合煤礦井下的特殊環(huán)境，提出改進的線狀Sagnac分布式光

纖傳感系統(tǒng)，并采用雙光纜共用一套干涉系統(tǒng)的方法，解決了可靠性的問題。針對如何提高系統(tǒng)定位精度問題，采用小波去噪法，該方法使功率譜更為平滑。通過實驗分析證明，監(jiān)控系統(tǒng)可靠性更高，定位精度更準確，為礦井應急救援提供了可靠的通信支持。

[1] 孫曉東， 任曉霞， 王 琳. 應用于定位的光纖振動傳感技術的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置， 2016(2)： 21-25.

[2] 姜曰科. 基于光纖傳感技術的振動解調(diào)系統(tǒng)及其應用[D]． 濟南: 山東大學, 2009．

[3] 皮少華, 王冰潔, 趙 棟, 等. 分布式光纖Sagnac干涉儀中基于倒譜的多分辨率入侵定位算法[J]. 物理學報， 2016(4)： 1-9.[4] 李楚瑞.基于分布式光纖振動傳感技術的井下事故救援監(jiān)測系統(tǒng)[D]. 上海： 復旦大學， 2012.

[5] Qin Zengguang, Chen Liang, Bao Xiaoyi. Wavelet denoising method for improving detection performance of istributed Vibration Sensor[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2012, 24, (7): 121-125.

[6] Gao L A, Liu S C, Yin Z W. Fiber-optic vibration sensor based on beat frequency and frequency-modulation demodulation techniques[J]. IEEE Photon. Technol Lett, 2011, 23,(1): 18-20. [7] 穆立波, 吳悅峰, 姚 劍. 分布式光纖震動傳感系統(tǒng)的多點定位問題研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2010(9)： 21-25

[8] 周正仙， 肖石林， 仝芳軒. 基于 M - Z 干涉原理的定位式光纖振動傳感器[J]. 光通信研究， 2009(5): 67-70．

[9] 譚 靖， 陳偉民， 符玉梅． 基于Sagnac原理的單軸分布式光纖傳感系統(tǒng)偏振態(tài)分析[J]． 光子學報， 2007， 36(3)： 492-497．[10] Qin Z, Chen L, Bao X. Wavelet denoisingmethod for improving detection performance of distributed vibration sensor[J]. IEEE Photonics Technology Letter, 2012, 24(7): 542-544.

[11] Zhu T, He Q, Xiao X, et al.Modulated pulses based distributed vibration sensing with high frequency response and spatial resolution[J]. Optics Express, 2013, 21(3): 2953-2963.

[12] Tu G, Zhang X, Zhang Y, et al. The development of Φ-OTDR system for quantitative vibration measurement[J]. IEEE Photonics Technology Letter, 2015, 27(12):1349-1352.

(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Research on positioning method of distributed optical fiber sensor for underground rescue system

ChenLijuan1,ChenLiguo2,ZhangWenxiang

(1.School of Electronics & Information Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology,Heilongjiang, Harbin 150022, China; 2. Shanghai GM North Automobile Co., Ltd., Liaoning 110000, China)

The accuracy of communication positioning in underground mines has a direct effect on the rescue operation. This paper, combined with the special environment in the mines, presents a passive optical fiber sensing system designed with a high sensitivity and a high optical signal-to-noise ratio. This sensing system, based on Sagnac structure uniquely constructed using linear installation, owes its improved reliability to the following steps: employing a set of optical fiber cable interference system for dual-fiber cable; given a fixed resolution of the fast Fourier transform over time, eliminating the denoising in the system using wavelet transform denoising method; and using the power spectrum estimation of wavelet denoising to secure the location of the notch point and thereby calculate the disturbance location-locating the vibration point. The experiment demonstrates that the system affords a more reliable stability and a higher positioning accuracy and could work better for the emergency rescue in mine accidents.

coal mine; rescue positioning; distributed optical fiber sensor; vibration sensor; Maximum Signal-to-noise ratio; wavelet denoising

2017-04-23

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項項目(2012YQ150213)

陳麗娟(1981-)，女，吉林省吉林人，講師，碩士，研究方向：礦井通信、通信網(wǎng)絡，E-mail:chenlijuan0131@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.022

TD76

2095-7262(2017)05-0560-05

A