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    多芯光纖安防工程一體化同步感知系統(tǒng)

    2022-07-27 10:20:06馬天驕歐進(jìn)萍
    工程科學(xué)與技術(shù) 2022年4期
    關(guān)鍵詞:纖芯參量圍欄

    馮 謙,馬天驕,歐進(jìn)萍

    (1.中國(guó)地震局 地震研究所,湖北 武漢 430071;2.中國(guó)地震局 地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071;3.中國(guó)地震局 工程力學(xué)研究所 中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080;4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 土木與環(huán)境工程學(xué)院,廣東 深圳 518055)

    安防工程的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容之一是外部入侵?jǐn)_動(dòng),包括各類(lèi)人為、車(chē)輛、施工及環(huán)境作用導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)振動(dòng)、變形、失穩(wěn)及溫度異常。擾動(dòng)類(lèi)型和強(qiáng)度的識(shí)別對(duì)施工安全、建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)維管養(yǎng)及災(zāi)害預(yù)警至關(guān)重要。分布式光纖傳感器感知傳輸一體化、耐久性強(qiáng)及監(jiān)測(cè)范圍廣的特點(diǎn)使其在安防監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)?,F(xiàn)階段的分布式光纖安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用相位敏感光時(shí)域反射儀(phase-sensitive optical time domain reflectometry,φ-OTDR)技術(shù)。φ-OTDR主要用于入侵定位和頻率提取,現(xiàn)已應(yīng)用于周界安防、邊坡防護(hù)和長(zhǎng)距離管線的安全監(jiān)測(cè)。

    目前,φ-OTDR的擾動(dòng)探測(cè)方法主要以時(shí)頻特征提取為核心,借助分類(lèi)算法實(shí)現(xiàn)定位與模式識(shí)別。例如:Xu等提出了擾動(dòng)事件的多特征識(shí)別方法,利用信號(hào)的時(shí)頻信息構(gòu)造了短時(shí)能量比、電平通過(guò)率、振動(dòng)持時(shí)和功率譜能量比等特征,通過(guò)支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)了90%準(zhǔn)確率的擾動(dòng)入侵分類(lèi)。Wang等利用小波能量譜分析從原始振動(dòng)信號(hào)中提取特征向量,利用相關(guān)向量機(jī)實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)定位與模式分類(lèi)。Zhao等針對(duì)提高信噪比與定位精度的問(wèn)題,在小波高頻分量定位的基礎(chǔ)上,提出了分段平均差分法,獲得了9.348 3 dB的信噪比,且減少了擾動(dòng)定位的計(jì)算體量。Sun等為提高計(jì)算時(shí)效性,設(shè)計(jì)散射矩陣從時(shí)空域信號(hào)圖樣中提取特征向量進(jìn)行擾動(dòng)識(shí)別。該方法在1 s以?xún)?nèi)的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到97.8%。

    上述分布式安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在擾動(dòng)定位與模式識(shí)別方面取得了較好成果,但大多基于普通單模光纖,監(jiān)測(cè)指標(biāo)單一,可用于后處理的信息量不足,特征分析局限在時(shí)頻域,不能同步感知溫度、應(yīng)變等參量,難以區(qū)分時(shí)頻特征相似的事件,未能實(shí)現(xiàn)精細(xì)化火災(zāi)(過(guò)熱)預(yù)警等功能,更無(wú)法定量識(shí)別擾動(dòng),進(jìn)而無(wú)法評(píng)估入侵強(qiáng)度。

    近年來(lái),多芯光纖的傳感研究為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)分布式感知測(cè)量技術(shù)的突破提供了可靠途徑。多芯光纖在一根光纖中集成了多個(gè)纖芯,彼此相互獨(dú)立,具有低串?dāng)_、高通量的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在各纖芯中形成干涉結(jié)構(gòu)或配置不同感測(cè)模塊,光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,F(xiàn)BG)、布里淵光時(shí)域反射儀(Brillouin optical time domain reflectometry,BOTDR),以及拉曼光時(shí)域反射儀(Raman optical time domain reflectometry,ROTDR)等(準(zhǔn))分布式傳感技術(shù)可以整合至同一根光纖,實(shí)現(xiàn)3維曲率重構(gòu)、多物理場(chǎng)同步測(cè)量、溫度應(yīng)變解耦等功能。因此,多芯光纖空分復(fù)用技術(shù)兼顧分布式傳感系統(tǒng)在測(cè)點(diǎn)密度和覆蓋范圍上優(yōu)勢(shì)的同時(shí),能有機(jī)結(jié)合各傳感子模塊,實(shí)現(xiàn)多參量同步感知。這使得多芯光纖在安防工程中能提供更全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),由此提取更豐富的擾動(dòng)特征以滿足多樣化功能需求,實(shí)現(xiàn)綜合分析評(píng)估。

    本研究以多芯光纖空分復(fù)用技術(shù)為支撐,面向安防工程提出了一套多芯光纖一體化同步感知系統(tǒng),將φ-OTDR、ROTDR、FBG等光纖傳感技術(shù)復(fù)用于7芯光纖,可同步監(jiān)測(cè)頻率、分布式及點(diǎn)式的應(yīng)變和溫度、擾動(dòng)范圍及持時(shí)等多個(gè)參量,基于此實(shí)現(xiàn)了多參量入侵定位、多指標(biāo)擾動(dòng)定量評(píng)估及模式區(qū)分、精細(xì)化火災(zāi)預(yù)警和溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。在防護(hù)圍欄上布設(shè)該系統(tǒng),通過(guò)7種模擬工況測(cè)試了上述功能的實(shí)用效果。

    1 系統(tǒng)與功能設(shè)計(jì)

    1.1 多芯光纖傳感機(jī)理

    為同步采集多個(gè)環(huán)境和結(jié)構(gòu)響應(yīng)參量,本系統(tǒng)采用的主要傳感技術(shù)包括:

    1)相位敏感光時(shí)域反射儀技術(shù)(φ-OTDR)。外界擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致光纖對(duì)應(yīng)位置折射率發(fā)生變化,從而改變散射點(diǎn)間的相位差,φ-OTDR采用強(qiáng)相干光源,所以相位波動(dòng)會(huì)引起瑞利散射光干涉光強(qiáng)的變化,由此可以捕捉擾動(dòng)的位置及時(shí)頻信息。

    2)拉曼分布式測(cè)溫技術(shù)(Raman distributed temperature sensing,RDTS)。拉曼散射最主要的應(yīng)用是長(zhǎng)距離分布式溫度測(cè)量。拉曼散射中的反斯托克斯光只對(duì)溫度敏感,其強(qiáng)度受溫度調(diào)制,而斯托克斯光沒(méi)有這個(gè)特征,所以?xún)烧叩膹?qiáng)度比僅為溫度的函數(shù)。通過(guò)分路器得到兩種光,再經(jīng)解調(diào)即可獲得光纖沿線的溫度場(chǎng)。

    3)光纖布拉格光柵(FBG)。當(dāng)寬光譜光源入射到光纖時(shí),F(xiàn)BG將反射回一個(gè)中心波長(zhǎng)為其布拉格波長(zhǎng)的窄帶光波,反射波長(zhǎng)漂移量與應(yīng)變或溫度增量呈線性關(guān)系,經(jīng)標(biāo)定后可以精確反映被測(cè)對(duì)象的點(diǎn)式應(yīng)變。本系統(tǒng)定制的7芯光纖刻寫(xiě)有10個(gè)間隔約2 m的準(zhǔn)分布式FBG,以此滿足重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位的精確應(yīng)變測(cè)量需求,輔助φ-OTDR定量評(píng)估擾動(dòng)。在拉制成纖后,對(duì)7芯裸纖指定位置清除涂覆層,使用不同周期相位掩膜板刻寫(xiě)光柵,依次完成后整體再以Hytrel緊套管封裝。此工藝會(huì)對(duì)所有纖芯引入光柵,但實(shí)測(cè)時(shí)僅使用中間纖芯作為FBG通道,φ-OTDR與RDTS則使用了不同響應(yīng)帶寬的光電探測(cè)器,與FBG反射信號(hào)互不干擾。

    4)多芯光纖空分復(fù)用。多芯光纖的每個(gè)纖芯可作為獨(dú)立通道進(jìn)行感知測(cè)量,借助扇入扇出耦合器可與不同采集解調(diào)模塊相適配,在時(shí)間和空間上做到同步傳感、傳輸。本系統(tǒng)將上述技術(shù)復(fù)用于7芯光纖(空余纖芯為后續(xù)功能補(bǔ)充所用),其配置見(jiàn)圖1。此外,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了同步觸發(fā)采集電路,統(tǒng)一發(fā)放觸發(fā)信號(hào)至各光源模塊、脈沖和頻移調(diào)制模塊、采集卡等,保證各傳感通道時(shí)間坐標(biāo)一致。

    圖1 7芯光纖通道配置Fig. 1 Channel configuration of the 7-core fibre

    1.2 多參量擾動(dòng)定位方法

    在擾動(dòng)定位階段,對(duì)于光柵覆蓋范圍內(nèi)的入侵事件可同時(shí)根據(jù)FBG應(yīng)變時(shí)程與φ-OTDR信號(hào)予以定位,較單模光纖傳感器更具可靠性。對(duì)于長(zhǎng)距離大范圍的定位需求,則主要依靠φ-OTDR纖芯。為進(jìn)一步降低誤報(bào)率、提高擾動(dòng)定位精度,本系統(tǒng)采用4種擾動(dòng)定位方法。

    1)高階中心矩法。該方法對(duì)φ-OTDR信號(hào)按式(1)計(jì)算各位置

    l

    處的信號(hào)高階中心矩

    D

    作為第1類(lèi)定位參量:

    式中:max為取最大值;為

    t

    時(shí)刻光纖位置

    l

    處在時(shí)間窗

    T

    內(nèi)的瑞利散射信號(hào)(Rayleigh backscattering signal,RBS)時(shí)間序列;mean(~,

    T

    )為在

    T

    內(nèi)取均值;次冪

    n

    為增強(qiáng)信噪比,本文取4。信號(hào)中心矩的計(jì)算過(guò)程本質(zhì)上利用了系統(tǒng)和環(huán)境噪聲圍繞信號(hào)真值小幅波動(dòng)的特點(diǎn),在高階放大作用下可直觀區(qū)分出突變點(diǎn)位。2)極差法。該方法計(jì)算時(shí)間窗內(nèi)各位置點(diǎn)的信號(hào)極差

    D

    作為第2類(lèi)定位參量:

    式中,min為取最小值運(yùn)算。信號(hào)極差為差分定位參量的一種,盡管理論上以初始RBS作為基準(zhǔn)即可得到差分峰值,但由于相位噪聲、光源頻漂和溫度波動(dòng)的影響,很多情況下效果并不理想。搜索動(dòng)態(tài)時(shí)間窗內(nèi)的信號(hào)極差,能較好地捕捉短時(shí)間內(nèi)信號(hào)的起伏,不受基線漂移影響,且計(jì)算量較小。

    3)空間平均峰度法。該方法計(jì)算空間平均峰度作為第3類(lèi)定位參量

    D

    ,

    t

    時(shí)刻位置

    l

    處的

    D

    由式(3)得到:

    4)特征頻率法。對(duì)于管線泄漏、工程振動(dòng)等具有一定頻譜但強(qiáng)度較弱的擾動(dòng),上述3類(lèi)參量信噪比可能過(guò)低,為此本系統(tǒng)使用特征頻率法進(jìn)行定位。首先,對(duì)各位置點(diǎn)的RBS時(shí)間維信號(hào)進(jìn)行帶通濾波;然后,移動(dòng)時(shí)間窗逐步作短時(shí)傅里葉變換,取窗格內(nèi)響應(yīng)最大的頻率作為特征頻率;最后,對(duì)其乘以此頻率的信號(hào)幅值形成最終的定位熱點(diǎn)圖像。

    考慮到不同定位參量對(duì)外界作用類(lèi)型的敏感程度各異,因此多參量定位方法可有效提高識(shí)別精度。故在決策時(shí)取上述參量中吻合度最高的兩類(lèi)定位圖像的熱點(diǎn)展寬中心之均值作為定位結(jié)果。此外,結(jié)構(gòu)或環(huán)境局部異常溫度變化也屬于一類(lèi)特殊的擾動(dòng)形式,本系統(tǒng)通過(guò)拉曼測(cè)溫纖芯可實(shí)時(shí)測(cè)量沿纖溫度場(chǎng),通過(guò)OTDR原理能直接定位異常點(diǎn)位,且不受變形、振動(dòng)等因素的影響。

    1.3 多指標(biāo)擾動(dòng)定量方法

    由于直檢型φ-OTDR的光強(qiáng)信號(hào)與光纖變形之間具有隨機(jī)的非線性、多值映射關(guān)系,無(wú)法定量監(jiān)測(cè)擾動(dòng)強(qiáng)度,因此不具備危險(xiǎn)性的外部作用會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)。擾動(dòng)量化分析可剔除干擾事件,進(jìn)一步為模式識(shí)別、預(yù)警評(píng)估等提供更豐富的量化特征。

    本系統(tǒng)采用多指標(biāo)擾動(dòng)定量方法,以FBG纖芯的應(yīng)變時(shí)程為依據(jù),計(jì)算擾動(dòng)發(fā)生2 s內(nèi)的應(yīng)變時(shí)程包絡(luò)線均值(average strain envelope,ASE),以此作為第1類(lèi)指標(biāo);但FBG所得為點(diǎn)式應(yīng)變且刻寫(xiě)數(shù)量有限,難以反映整體結(jié)構(gòu)響應(yīng),如果擾動(dòng)處在光柵串組之外,則無(wú)法求得ASE。為此,本文提出RBS擾動(dòng)量化算法,以φ-OTDR纖芯的RBS振動(dòng)信號(hào)為依據(jù)進(jìn)一步構(gòu)建擾動(dòng)指標(biāo),其計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

    圖2 RBS擾動(dòng)量化計(jì)算過(guò)程Fig. 2 Overall flowchart of the perturbation quantification based on RBS

    該算法包含3個(gè)計(jì)算階段。第1階段,預(yù)處理。設(shè)置系統(tǒng)已知參數(shù),根據(jù)第1.2節(jié)的定位方法確定擾動(dòng)位置,提取該區(qū)段的RBS圖樣。第2階段,建立實(shí)用散射模型。讀取RBS圖樣,以瑞利散射模型為內(nèi)嵌物性方程,建立光纖變形與光強(qiáng)信號(hào)圖樣的數(shù)組映射關(guān)系,設(shè)計(jì)了模擬RBS生成器和多參數(shù)優(yōu)化求解器以實(shí)現(xiàn)模型關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)變–光強(qiáng)非線性方程組求解,由此建立可供實(shí)際應(yīng)用的實(shí)用散射模型。該階段運(yùn)算會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)RBS集進(jìn)行迭代學(xué)習(xí),計(jì)算出模型最優(yōu)關(guān)鍵參數(shù)和等效初始應(yīng)變,其中,關(guān)鍵參數(shù)指光纖的平均折射率、瑞利損耗系數(shù)、等效散射點(diǎn)間隔和功率因子4項(xiàng),確定關(guān)鍵參數(shù)的原則為盡可能使瑞利散射模型具備與真實(shí)系統(tǒng)一致的信號(hào)響應(yīng)。如果人為設(shè)定或計(jì)算不佳得到次優(yōu)解,會(huì)導(dǎo)致模型偏離真實(shí)系統(tǒng),致使后續(xù)應(yīng)變計(jì)算失準(zhǔn),產(chǎn)生誤差傳遞,因此需采用多參數(shù)優(yōu)化方法予以求解。第3階段,擾動(dòng)量化分析。讀取擾動(dòng)時(shí)的RBS圖樣,以第2階段所得數(shù)學(xué)模型為函數(shù)媒介,通過(guò)自然計(jì)算方法近似求解每條RBS對(duì)應(yīng)的1維應(yīng)變場(chǎng)并沿時(shí)間軸、長(zhǎng)度軸張成應(yīng)變時(shí)空分布矩陣,隨后導(dǎo)出該矩陣的最大應(yīng)變能均方根(square root of the maximum strain energy,RMSE)、時(shí)均應(yīng)變(time-averaged strain,TAS)和應(yīng)變變異系數(shù)(strain deviation,SD)即矩陣標(biāo)準(zhǔn)差,此三者分別與結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)力響應(yīng)、宏觀變形程度和荷載性質(zhì)相關(guān)。將上述3種指標(biāo)歸一化構(gòu)成3維基矢量,取其模長(zhǎng)為綜合量化指標(biāo)(disturbance index,DI),可進(jìn)一步減少光源頻漂、溫度波動(dòng)及局部擬合欠佳導(dǎo)致的求解誤差。最后,綜合評(píng)估FBG與φ-OTDR所得定量指標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)強(qiáng)度的多指標(biāo)量化分析。

    1.4 系統(tǒng)安防監(jiān)測(cè)功能設(shè)計(jì)

    基于上述多芯光纖傳感機(jī)理與擾動(dòng)定位定量方法,本系統(tǒng)的功能組成如圖3所示。

    圖3 多芯光纖安防工程一體化同步感知系統(tǒng)框架Fig. 3 Framework of the multicore fibre based monolithic sensing system of security engineering

    具體系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下:

    1)多參量擾動(dòng)定位與多指標(biāo)擾動(dòng)定量識(shí)別。通過(guò)φ-OTDR光強(qiáng)時(shí)序信息和FBG應(yīng)變時(shí)程提取擾動(dòng)特征,構(gòu)建多種定位、定量指標(biāo)。φ-OTDR通道采用的RBS擾動(dòng)量化算法在求解分布式應(yīng)變場(chǎng)時(shí),依靠同一時(shí)刻各FBG的應(yīng)變值確定應(yīng)變求解域,提高其可解范圍和計(jì)算精度;反之,φ-OTDR的結(jié)果更能反映整體結(jié)構(gòu)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng),所得指標(biāo)可以彌補(bǔ)FBG單點(diǎn)測(cè)量對(duì)擾動(dòng)評(píng)估的不足。該設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了分布式與點(diǎn)式測(cè)量各自的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)充、結(jié)果互佐的效果。

    2)關(guān)鍵區(qū)域點(diǎn)式應(yīng)變與細(xì)部溫度監(jiān)測(cè)。覆蓋光柵串組的區(qū)域由FBG傳感纖芯監(jiān)測(cè)局部結(jié)構(gòu)響應(yīng),配合其他纖芯定位并量化擾動(dòng);同時(shí)可根據(jù)拉曼溫度場(chǎng)的定位結(jié)果針對(duì)性地測(cè)量細(xì)部溫度。

    3)精細(xì)化火災(zāi)(過(guò)熱)預(yù)警與溫度補(bǔ)償。拉曼分布式測(cè)溫纖芯RDTS實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境和結(jié)構(gòu)溫度,實(shí)現(xiàn)過(guò)熱預(yù)警功能;與每個(gè)FBG空間位置、采集時(shí)間對(duì)應(yīng)的拉曼溫度時(shí)程乘以相應(yīng)熱敏系數(shù)后得到FBG波長(zhǎng)漂移的溫度增量并予以剔除(所有FBG均事先通過(guò)水浴實(shí)驗(yàn)標(biāo)定了其熱敏系數(shù)),實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量的溫度補(bǔ)償。

    4)預(yù)警發(fā)布和報(bào)告生成。開(kāi)發(fā)可視化交互界面及監(jiān)測(cè)程序,具備實(shí)時(shí)呈現(xiàn)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)動(dòng)態(tài)圖像、自主分析并發(fā)布預(yù)警信息、生成監(jiān)測(cè)報(bào)告書(shū)等功能。

    2 工程應(yīng)用實(shí)例

    本系統(tǒng)已布設(shè)于武漢地震工程研究院邊界防護(hù)圍欄。該單位存放有大量貴重精密儀器,對(duì)人員干擾、周邊振動(dòng)較為敏感,亟需布置一套入侵?jǐn)_動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以防安全事故發(fā)生。本研究受業(yè)主委托,針對(duì)其辦公樓南側(cè)周界鐵制圍欄布設(shè)多芯光纖安防工程一體化同步感知系統(tǒng)。邊界總長(zhǎng)約122 m,高1.8 m。共由27個(gè)單元組成,節(jié)間長(zhǎng)度3.2 m,含常開(kāi)門(mén)1處。

    監(jiān)測(cè)路徑共包含3種類(lèi)型。1)標(biāo)準(zhǔn)圍欄:遵循U型布設(shè)原則,增加單位跨度上的光纖感知區(qū)域以提高識(shí)別率,如圖4(a)所示。用502膠水分段張拉固定后,每30 cm用扎帶綁扎至圍欄上,再涂覆環(huán)氧膠固定,凝固后涂覆防銹漆。兩個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)單元各覆蓋有4組FBG。2)東側(cè)門(mén)禁:布設(shè)方法與前者類(lèi)似,其路徑見(jiàn)圖4(b),光纖經(jīng)過(guò)東側(cè)門(mén)禁后向西繞回,并沿圍欄下方地面溝槽內(nèi)部敷設(shè)80 m。3)機(jī)房圍墻:沿頂端直線布設(shè)。監(jiān)測(cè)區(qū)域光纖總長(zhǎng)約340 m。

    圖4 光纖布設(shè)路徑Fig. 4 Deployment path of the optical fibre

    為評(píng)估本系統(tǒng)的工作性能,布設(shè)完成后模擬真實(shí)擾動(dòng)事件進(jìn)行工況測(cè)試,工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表1,包括門(mén)禁開(kāi)關(guān)、非法逾越、人為入侵(3種形式,即擺錘沖擊圍欄、鐵棍敲擊圍欄、質(zhì)量塊沖擊圍欄)、工程振動(dòng)、火災(zāi)(過(guò)熱)預(yù)警等工況。

    表1 模擬擾動(dòng)工況
    Tab. 1 Disturbance tests

    工況名稱(chēng)測(cè)試方法門(mén)禁開(kāi)關(guān)開(kāi)門(mén)、步行通過(guò)、關(guān)門(mén)非法逾越晃動(dòng)圍欄人為入侵1擺錘沖擊圍欄人為入侵2鐵棍敲擊圍欄人為入侵3質(zhì)量塊沖擊圍欄工程振動(dòng)激振器振動(dòng)地面火災(zāi)(過(guò)熱)預(yù)警暖風(fēng)源加熱圍欄光纖

    3 測(cè)試結(jié)果及分析

    3.1 多參量擾動(dòng)定位結(jié)果

    進(jìn)行擾動(dòng)定位測(cè)試,先后實(shí)施門(mén)禁開(kāi)關(guān)、工程振動(dòng)、非法逾越、人為入侵1、人為入侵2等5個(gè)工況,實(shí)施方式如表1所列。

    以門(mén)禁開(kāi)關(guān)工況為例,圖5展示了光強(qiáng)信號(hào)圖樣及定位結(jié)果的可視化監(jiān)測(cè)界面。定位參量識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖6,其中,

    D

    D

    直觀反映了兩次出入事件的位置與持時(shí)(17~33 s、55~71 s)。

    圖5 門(mén)禁開(kāi)關(guān)工況可視化監(jiān)測(cè)界面Fig. 5 Visual UI of the access control test

    由圖6可知:

    D

    的信噪比最佳,達(dá)到16.56 dB;

    D

    噪點(diǎn)較多但峰值中心與

    D

    相符;同時(shí)

    D

    也在對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)明顯突增;三者峰值定位結(jié)果為265.8 m(圖6中紅色虛線),符合門(mén)禁所在的實(shí)際位置260~273 m。

    圖6 門(mén)禁開(kāi)關(guān)工況下定位參量特征圖像Fig. 6 Feature maps of the localization parameters in the access control test

    在工程振動(dòng)工況(圖7)中,通過(guò)定頻馬達(dá)激勵(lì)地面,經(jīng)瀝青和混凝土基質(zhì)后振動(dòng)會(huì)急劇衰減,溝槽內(nèi)光纖響應(yīng)較弱,故采用特征頻率法進(jìn)行定位。以40 Hz激振為例,工程振動(dòng)工況的特征頻率和信號(hào)中心矩的定位結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8(a)可知,其特征頻率的熱點(diǎn)呈現(xiàn)明顯的連續(xù)窄帶圖樣,集中在327 m處,實(shí)測(cè)值為42.55 Hz,定位和頻率結(jié)果與實(shí)際工況相符。由于擾動(dòng)過(guò)小,

    D

    等3種定位參量的信噪比較低,圖8(b)以

    D

    結(jié)果為例,可見(jiàn)振動(dòng)信號(hào)幾乎被噪聲淹沒(méi)。因此,特征頻率法可與前述方法相互補(bǔ)充,多種定位參量發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì),進(jìn)一步擴(kuò)展了本系統(tǒng)的擾動(dòng)感知域。

    圖7 工程振動(dòng)工況Fig. 7 Engineering vibration test

    圖8 工程振動(dòng)工況定位參量特征圖像(40 Hz)Fig. 8 Feature maps of the engineering vibration at 40 Hz

    人為入侵1(擺錘沖擊圍欄)、非法逾越、人為入侵2(鐵棍敲擊圍欄)工況的

    D

    、

    D

    、

    D

    計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。圖9(a)~(c)中,為了驗(yàn)證多點(diǎn)定位能力同步施加了門(mén)禁開(kāi)關(guān)工況。由圖9可知,各工況定位誤差<1 m,且定位指標(biāo)的時(shí)域圖像展現(xiàn)出不同特征。例如:如圖9(a)~(c)所示,對(duì)圍欄102 m處施加擺錘沖擊的同時(shí)開(kāi)合門(mén)禁,兩處擾動(dòng)均可被同時(shí)識(shí)別,門(mén)禁

    D

    的熱點(diǎn)展寬和持時(shí)恒定,擺錘沖擊的熱點(diǎn)則隨時(shí)間呈明顯指數(shù)型塌縮。如圖9(e)所示,150 m處非法逾越工況造成帶狀片段式的

    D

    熱點(diǎn),與人為晃動(dòng)的作用形式吻合。如圖9(g)~(i)所示,鐵棍敲擊185 m處時(shí),

    D

    D

    的熱點(diǎn)展寬達(dá)到約55 m,而

    D

    則呈現(xiàn)明顯單點(diǎn)峰值,定位效果更好。由此可見(jiàn),本系統(tǒng)使用多種參量協(xié)同定位,不僅提高了定位精度,還可從熱點(diǎn)圖像中得到豐富的特征信息以供模式識(shí)別使用。

    圖9 不同工況下各定位參量特征圖像Fig. 9 Feature maps of the localization parameters in different tests

    3.2 多指標(biāo)擾動(dòng)強(qiáng)度量化結(jié)果

    實(shí)施人為入侵3工況(質(zhì)量塊沖擊圍欄)測(cè)試系統(tǒng)的擾動(dòng)定量評(píng)估能力。該工況通過(guò)自由下擺形式對(duì)圍欄施加5種質(zhì)量塊所致的沖擊荷載,質(zhì)量塊分別為0.05、0.50、1.00、1.50和2.00 kg,實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖10,沖擊距離依次為10、15、20 cm,共產(chǎn)生15個(gè)沖擊強(qiáng)度,每個(gè)沖擊強(qiáng)度重復(fù)3次并對(duì)結(jié)果取平均。先以高階中心矩法進(jìn)行擾動(dòng)定位,再計(jì)算FBG應(yīng)變時(shí)程的ASE,定位及定量結(jié)果見(jiàn)圖11。定位參量首先鎖定擾動(dòng)中心為111 m,定位結(jié)果見(jiàn)圖11(a)。提取沖擊位置臨近2個(gè)FBG的應(yīng)變時(shí)程,其中距離沖擊點(diǎn)最近的FBG2應(yīng)變時(shí)程見(jiàn)圖11(b),其振幅隨沖擊質(zhì)量同步增大。FBG1和FBG2應(yīng)變時(shí)程的ASE見(jiàn)圖11(c)、(d)。對(duì)比圖11(c)、(d)可以看出:FBG2整體動(dòng)力響應(yīng)更大,F(xiàn)BG1所得ASE則更?。浑S著沖擊距離或沖擊質(zhì)量的增加,ASE也逐步增大,反映了沖擊荷載的遞增趨勢(shì),由此可直觀區(qū)分不同擾動(dòng)的強(qiáng)度。

    圖10 質(zhì)量塊沖擊實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 10 Experimental configuration of the weight-impact test

    圖11 人為入侵3工況中多指標(biāo)擾動(dòng)定量分析FBG纖芯監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 11 Disturbance quantification results through multi-index analysis via channel FBG in the manual intrusion test 3

    采用RBS擾動(dòng)量化算法,對(duì)φ-OTDR纖芯的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行量化分析。為避免起始應(yīng)變過(guò)大而超出算法可解范圍,選擇每次沖擊后4.5 ~ 6.0 s之間的RBS作為學(xué)習(xí)集,每個(gè)學(xué)習(xí)集包含625×3個(gè)信號(hào)圖樣。由于沖擊起始時(shí)刻的信號(hào)(包含計(jì)算RMSE所必需的信號(hào))未被選為學(xué)習(xí)集,故不使用RMSE,而是采用TAS、SD與DI這3類(lèi)指標(biāo)進(jìn)行擾動(dòng)定量評(píng)估。完成定位計(jì)算后,通過(guò)多參數(shù)優(yōu)化模塊確定瑞利散射模型中未知關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值(即RBS擾動(dòng)量化算法的第2步),所得最優(yōu)關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表2。

    表2 質(zhì)量塊沖擊實(shí)驗(yàn)中瑞利散射模型的最優(yōu)關(guān)鍵參數(shù)
    Tab. 2 Optimal core parameters of the Rayleigh scattering model in the weight-impact test

    參數(shù)類(lèi)型最優(yōu)值平均折射率1.463 12瑞利損耗系數(shù)/m–11.578 95×10–5等效散射點(diǎn)間隔/m0.293 65功率因子0.539 10×10–3

    以?xún)?yōu)化后的瑞利散射模型為函數(shù)關(guān)系,根據(jù)擾動(dòng)RBS反解應(yīng)變場(chǎng),得出人為入侵3工況15種沖擊強(qiáng)度的擾動(dòng)指標(biāo),結(jié)果見(jiàn)圖12。由圖12可知:沿沖擊質(zhì)量增大方向,TAS的正相關(guān)性更明顯,在本例中的量化效果較好;而SD在1.5 kg附近出現(xiàn)跌落,并導(dǎo)致模量指標(biāo)DI也在此處減小。將SD與兩組FBG的ASE(圖11(c)、(d))對(duì)比可知,該沖擊質(zhì)量造成的ASE也存在低于趨勢(shì)線的情況,因此可能是由于擾動(dòng)工況本身的施加強(qiáng)度未達(dá)到預(yù)期導(dǎo)致SD減小。沿沖擊距離增大方向,3類(lèi)擾動(dòng)指標(biāo)在0.5 kg沖擊質(zhì)量以上的工況中均與沖擊距離呈良好正相關(guān)性,說(shuō)明擾動(dòng)強(qiáng)度過(guò)低時(shí)會(huì)影響方法的識(shí)別效果。此外,質(zhì)量塊沖擊本身存在一定不可控性,可能造成部分沖擊強(qiáng)度的擾動(dòng)指標(biāo)不穩(wěn)定。

    圖12 人為入侵3工況中多指標(biāo)擾動(dòng)定量分析φ-OTDR纖芯監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 12 Disturbance quantification results through multi-index analysis via Channel φ-OTDR in the manual intrusion test 3

    由此可見(jiàn),本文提出ASE、TAS、SD、DI等4類(lèi)量化指標(biāo)協(xié)同評(píng)估的多指標(biāo)擾動(dòng)定量方法可有效避免單一指標(biāo)不穩(wěn)定的弊端,使得本系統(tǒng)更具魯棒性。綜上,4類(lèi)定量指標(biāo)彼此佐證,成功區(qū)分了不同大小的沖擊荷載,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明本系統(tǒng)提出的擾動(dòng)定位/定量方法在實(shí)際結(jié)構(gòu)上具有較高的可靠性,解決了普通單模光纖安防系統(tǒng)無(wú)法量化入侵強(qiáng)度的問(wèn)題。

    3.3 火災(zāi)(過(guò)熱)預(yù)警工況結(jié)果

    測(cè)試系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)與過(guò)熱點(diǎn)定位能力。本系統(tǒng)在兩根不同纖芯中復(fù)用RDTS與FBG,前者用于整體溫度場(chǎng)測(cè)量和局部異常溫度定位,后者可在其定位基礎(chǔ)上提取局部精確溫度結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離分布式火災(zāi)(過(guò)熱)預(yù)警。工況測(cè)試中使用暖風(fēng)源均勻加熱圍欄。

    圖13為光纖沿線溫度場(chǎng)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)過(guò)程。由圖13可明顯看到:從1 min開(kāi)始,110 m附近出現(xiàn)熱點(diǎn)并持續(xù)升溫。此外,由于光纖沿程敷設(shè)介質(zhì)不同且部分區(qū)段處于背陰面,因此所得溫度場(chǎng)并非均勻分布。提取熱點(diǎn)位置臨近FBG的波長(zhǎng)時(shí)間序列得到其溫度時(shí)程,可見(jiàn)隨著持續(xù)加熱光柵附近溫度逐步遞增,在達(dá)到峰值(約14.4 ℃)后有小幅回落,整個(gè)過(guò)程與拉曼溫度圖像中110.8 m處的熱點(diǎn)時(shí)程特征高度吻合,驗(yàn)證了本系統(tǒng)對(duì)溫度場(chǎng)的異常點(diǎn)定位能力與細(xì)部測(cè)量能力。

    圖13 火災(zāi)(過(guò)熱)預(yù)警工況下溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 13 Monitoring results of the temperature field in the fire (overheating) test

    4 結(jié) 論

    多芯光纖安防工程一體化同步感知系統(tǒng)通過(guò)空分復(fù)用φ-OTDR、RDTS和FBG 3種傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式應(yīng)變、溫度、頻率、響應(yīng)持時(shí)多參量同步傳感。通過(guò)在防護(hù)圍欄上實(shí)施7種擾動(dòng)工況驗(yàn)證了系統(tǒng)在感知測(cè)量和擾動(dòng)特征識(shí)別上的性能,可得如下結(jié)論:

    1)本系統(tǒng)采用高階中心矩、信號(hào)極差、空間平均峰度及特征頻率等多種參量實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)定位,準(zhǔn)確識(shí)別了各類(lèi)工況作用位置,誤差<1 m。

    2)提出了多指標(biāo)擾動(dòng)定量方法,其中的RBS擾動(dòng)量化算法解決了直檢型φ-OTDR無(wú)法定量識(shí)別擾動(dòng)的問(wèn)題。結(jié)合FBG擾動(dòng)量化結(jié)果,所提出的4類(lèi)擾動(dòng)量化指標(biāo)在質(zhì)量塊沖擊測(cè)試中成功識(shí)別出15個(gè)強(qiáng)度的沖擊荷載。

    3)RDTS測(cè)溫纖芯能監(jiān)測(cè)圍欄動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng),成功識(shí)別了局部加熱點(diǎn)位,其結(jié)果與FBG纖芯高度吻合。

    綜上,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多參量擾動(dòng)定位、多指標(biāo)強(qiáng)度量化分析、溫度補(bǔ)償、分布式溫度測(cè)量等功能。多參量混合傳感使得本系統(tǒng)可以基于多類(lèi)型的同步信息建立更復(fù)雜的模式特征。引入不同擾動(dòng)定位/定量指標(biāo)有效提高了系統(tǒng)的識(shí)別成功率、信息利用率,具有比傳統(tǒng)安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更高的可靠性、魯棒性。本系統(tǒng)是多芯光纖在安防工程領(lǐng)域傳感化應(yīng)用的成功實(shí)踐,有效解決了傳統(tǒng)安防系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息單一、可信度不足的問(wèn)題,突破了溫度應(yīng)變交叉敏感、缺乏定量感知能力等技術(shù)瓶頸,從而能服務(wù)于更復(fù)雜的工程應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)也應(yīng)注意到,本系統(tǒng)在功能集成和計(jì)算/測(cè)量精度方面還有進(jìn)一步完善的空間。例如:可在空余纖芯中復(fù)用馬赫增德干涉儀等技術(shù),彌補(bǔ)系統(tǒng)在高頻測(cè)量上的短板;優(yōu)化光組模塊和解調(diào)算法,提高RDTS的測(cè)溫速率及精度,滿足時(shí)變溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)需求;此外,宜設(shè)計(jì)巖土擾動(dòng)、管道泄漏監(jiān)測(cè)等更多類(lèi)型的工程應(yīng)用場(chǎng)景以檢驗(yàn)系統(tǒng)的適用范圍。本研究將圍繞上述內(nèi)容開(kāi)展后續(xù)工作。

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