基于光纖傳感的海纜振動信號錄播技術研究及實現(xiàn)

杜杰

（江蘇海上龍源風力發(fā)電有限公司，南通 226000）

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，光纖傳感技術已然成為海上風電場用于監(jiān)測外界信息的有力保障，通過光纖便可傳遞海纜外部的狀態(tài)信息，這大大縮減了人力物力成本[1]。但傳統(tǒng)監(jiān)測方式僅能實現(xiàn)外部振動信號的精準定位，無法判別外部振動信號的類型，而音頻內容可以通過人耳進行辨別。因此，本文將采集到的振動信號進行實時錄制存儲，并將其轉換成音頻信號進行播放，最終達到通過音頻播放內容來辨別外部振動信號類型的目的。

1 系統(tǒng)概述

1.1 需求分析及技術指標

本文提出的海纜振動信號錄播技術旨在為辨別外部入侵事件類型提供一種新的方法與思路[2]，即在精準定位的基礎上，能將振動信號解調成為音頻信號進行播放，因此振動信號錄播軟件應具有振動數(shù)據(jù)采集功能、音頻播放功能以及音頻實時記錄功能，如表1所示。

1.2 總體方案設計

基于光纖傳感的海纜振動信號錄播技術，顧名思義，錄為實時存儲包含振動位置點的原始數(shù)據(jù)，播是將解調得到的音頻信號連續(xù)輸出。因此，本文主要研究的內容是實現(xiàn)振動信號的存儲與播放，總體方案設計如圖1 所示：當外部振動信號作用于海纜時，首先通過基于Φ-OTDR 技術的分布式光纖振動探測器進行實時監(jiān)測，并將采集到的包含振動位置點的數(shù)據(jù)以隊列形式進行存儲，其次通過低通濾波器將已存儲數(shù)據(jù)做降噪處理并對其進行解調，最后使用譜減法降噪來提升音頻質量，實現(xiàn)音頻播放。

表1 需求分析及其技術指標

圖1 總體方案設計

1.3 軟件界面設計

振動信號錄播軟件界面如圖2 所示：其中設備管理是為了在開始采集數(shù)據(jù)時啟動分布式光纖振動探測器；監(jiān)測控制包含了本軟件的主要功能，通過樣本采集來實現(xiàn)振動信號的錄入及保存，解調為音頻信號后實現(xiàn)播放功能，同時將已解調的音頻信號實時記錄，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的回溯和使用；參數(shù)設置是為了設置振動信號的降噪?yún)?shù)值，以便及解調得到性能較為良好的音頻。

圖2 軟件界面設計

2 核心技術與實現(xiàn)

2.1 控制傳輸技術

當分布式光纖振動探測器實時監(jiān)測并采集作用于海纜的外部振動信號時，若以25MHz 的采樣率將任意時刻的數(shù)據(jù)都進行存儲，上位機的存儲空間會因數(shù)據(jù)量過大而癱瘓。因此，為了節(jié)省存儲空間，本文只將采集到的包含有振動信號的數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行實時存儲，并對其進行后續(xù)解調處理。由于該種傳輸方式對實時性和數(shù)據(jù)可靠性具有較高要求，本文的數(shù)據(jù)傳輸采用TCP 協(xié)議進行實現(xiàn)[3]。

若分布式光纖振動探測器為客戶端，上位機監(jiān)測軟件為接收端，則客戶端與接收端之間的數(shù)據(jù)傳輸應具有標識符，便于兩者均能識別數(shù)據(jù)，將設備編號、通道編號以及數(shù)據(jù)采集編號等格式定義后封裝在信息頭文件中。本文客戶端與接收端之間屬于雙向交互傳輸方式，如圖3 所示，接收端通過判定數(shù)據(jù)是否包含振動位置點來進行存儲，若存在振動位置點，則接收端發(fā)送指令至客戶端，客戶端接收指令后傳輸該振動位置點的數(shù)據(jù)至接收端，接收端存儲后再做后續(xù)處理；若不存在振動位置點，則接收端不接收數(shù)據(jù)，客戶端連續(xù)采集數(shù)據(jù)直至存在振動位置點。通過這種雙向交互傳輸方式，能快速地識別出有效信號，為后續(xù)解調播放處理奠定基礎。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程

2.2 緩存與隊列設計

相較于其他存儲方式，鏈表存儲結構不受數(shù)據(jù)大小制約，其可根據(jù)需求自適應調整隊列長度。因此，本文選用鏈表存儲結構來構建緩存隊列，以保證采集到的振動數(shù)據(jù)不會因緩存空間過小而出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象[4]。

當數(shù)據(jù)開始存儲時，數(shù)據(jù)從最新寫入的數(shù)據(jù)緩存節(jié)點位置開始寫入，直至該緩存空間寫滿，再從下一個節(jié)點位置繼續(xù)寫入。同理，當數(shù)據(jù)需要讀出時，依次按照節(jié)點位置將緩存區(qū)域的數(shù)據(jù)讀出，并釋放已經讀取完畢的內存空間。通過該種方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分塊存儲，既保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性，還降低了漏報振動信號的可能性。

為了方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)以csv 格式進行存儲，每個文件都具有相同信息的文件頭，可通過頭文件區(qū)分采樣間隔及采集時間等信息。

2.3 播放設計

當海纜外部發(fā)生敲擊等入侵事件時，分布式光纖振動探測器采集到的數(shù)據(jù)包含了入侵事件的幅度和相位信息，將該數(shù)據(jù)存儲解調之后能無失真播放，對于辨別入侵事件的類型具有重要意義。而WAVE 音頻文件使用脈沖編碼調制（PCM）格式，其能直接存儲采樣的聲音數(shù)據(jù)，是一種不失真的音頻格式文件，因此，本文選用WAVE 格式作為音頻信號輸出格式[5]。

音頻播放流程如圖4 所示：首先打開音頻播放設備，然后接收音頻數(shù)據(jù)并將其存儲至緩存區(qū)域中，當數(shù)據(jù)接收完畢后將數(shù)據(jù)從緩存區(qū)域寫入到音頻播放設備，完成音頻輸出，最后關閉緩存空間和輸出設備。

圖4 音頻播放流程

3 算法實現(xiàn)

3.1 振動信號預處理

分布式光纖振動探測器采集到的原始振動信號，包含了測試環(huán)境的噪聲以及探測系統(tǒng)內部器件的噪聲，為了能使入侵信號的幅度以及相位等特征信息清晰顯示，需對原始振動信號做降噪處理[6-7]。多次實驗測試發(fā)現(xiàn)，混入的噪聲大都分布在高頻區(qū)域，故對原始振動信號做低通濾波處理。實驗發(fā)現(xiàn)截止頻率為1200Hz 的巴特沃斯低通濾波器對噪聲有明顯抑制效果，如圖5 所示。

3.2 音頻信號降噪處理

對已存儲的數(shù)據(jù)做解調處理后，得到的音頻文件包含噪聲，對用戶的聽覺感受不太友好，故選用譜減法進行降噪處理[8]。

譜減法，即將帶噪聲信號與噪聲信號分別做傅里葉變換，將兩者頻譜相減得到純凈信號頻譜，再對純凈信號頻譜做傅里葉逆變換得到純凈信號，其流程圖如圖5 所示，其中噪聲信號與純凈信號兩者相互獨立，且滿足頻域可加特性。本文中的帶噪聲信號即為原始振動信號解調得到的音頻信號，噪聲信號則選取了海纜外部沒有受到入侵事件時所采集的信號。

圖5 振動信號處理

圖6 音頻信號降噪處理

4 測試與說明

4.1 測試激勵源

為了模擬海纜外部環(huán)境受到入侵事件，本文在海纜外部沿線的任意位置作為敲擊點。當發(fā)生敲擊事件時，由于光纖折射率發(fā)生變化，該點的相位也發(fā)生變化，則分布式光纖振動探測器采集到的該點的背向瑞利散射光功率也有相應變化。通過該種模擬方式，測試振動信號的錄播技術實現(xiàn)情況。

4.2 測試流程

本文通過以下流程測試海纜振動信號的錄播功能：

（1）啟動分布式光纖振動探測器；

（2）啟動振動信號錄播軟件界面并設置鋪設海纜的起始位置；

（3）點擊振動信號錄播界面的開始采集按鈕；

（4）敲擊海纜沿線任一位置點并查看采集情況。

4.3 測試結果

對海纜沿線某一位置點持續(xù)一段時間的敲擊動作，如圖7 所示：通過振動信號錄播軟件可以看到振動數(shù)據(jù)的實時采集情況，該位置點的幅度和能量均在敲擊時刻有較大的起伏，與無敲擊動作的位置點能量變化有明顯區(qū)別，點擊播放按鈕可聽到已解調的音頻信號，人耳可辨別是敲擊聲。

5 結語

本文以分布式光纖振動探測器為采集設備，通過敲擊海纜任意位置點模擬海纜外部入侵事件，將采集到的振動信號的特征信息經過預處理去除噪聲后，解調為音頻文件，人耳可辨別播放的音頻為敲擊聲。該種錄播技術的研究及實現(xiàn)為長距離工程監(jiān)測領域中的識別外部入侵事件類型提供了新的方法與思路，具有廣闊的應用前景。

圖7 測試結果