應(yīng)用于周界安防的防區(qū)型分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)

劉瀾濤,范鑫燁,2,趙和寧,畢麗平,朱存光,2,?；劬?2,房文敬,2

(1.聊城大學(xué) 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院,山東 聊城 252059; 2.聊城大學(xué) 山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 聊城 252059)

1 引言

光纖傳感系統(tǒng)能夠靈敏地感知壓力和振動(dòng)信號(hào),并具有傳感和信號(hào)傳輸功能,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直接或間接傳輸?shù)焦饫w的各種干擾,將傳感光纖上的微小振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),并傳輸?shù)叫盘?hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析、處理和智能識(shí)別,對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的入侵行為進(jìn)行報(bào)警。分布式光纖傳感系統(tǒng)是將傳感光纖沿場(chǎng)排布,并通過(guò)檢測(cè)技術(shù)測(cè)量或監(jiān)控沿光纖傳輸路徑的空間分布和時(shí)變信息[1]。在分布式測(cè)量中,傳感光纖上的每個(gè)點(diǎn)都可以作為傳感單元,不存在盲區(qū)。所以,分布式測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)沿光纖長(zhǎng)度的連續(xù)檢測(cè),降低光纖傳感系統(tǒng)的誤報(bào)率和漏報(bào)率。分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)因其在安全防范、全分布式傳感和大范圍測(cè)量等方面的顯著優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)外越來(lái)越受到人們的重視[2]。防區(qū)型分布式光纖傳感系統(tǒng)是分布式光纖傳感系統(tǒng)的一種,它由許多防區(qū)組合而成,當(dāng)振動(dòng)發(fā)生于某一防區(qū)時(shí),此防區(qū)探測(cè)到振動(dòng)信號(hào),通過(guò)解調(diào)技術(shù)得知振動(dòng)產(chǎn)生的位置,將振動(dòng)信號(hào)定位至這一防區(qū)[3]。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于鋪設(shè)且適合大范圍的測(cè)量振動(dòng)信號(hào),它被廣泛應(yīng)用于入侵防范、機(jī)械故障診斷和輸油管道泄漏等監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

邁克爾遜干涉儀是一種基于干涉技術(shù)的光纖傳感器,具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。與馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x相比,邁克爾遜干涉儀可以有效避免偏振態(tài)衰落對(duì)光纖傳感系統(tǒng)的影響,適合構(gòu)成防區(qū)型分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)[4]。它利用正向傳光信號(hào)檢測(cè)被測(cè)量,可以獲得高信噪比的信號(hào),適用于靜態(tài)信號(hào)和動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量,且其通常選擇低相干光源作為入射光,光強(qiáng)與傳感結(jié)構(gòu)的相位差有關(guān)。因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、條紋對(duì)比度好、信噪比高、條紋數(shù)與測(cè)量位移的計(jì)算關(guān)系簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的研究和應(yīng)用。然而,當(dāng)光被邁克爾遜干涉儀中的反射鏡反射后,光程差變長(zhǎng),導(dǎo)致了干涉條紋可見(jiàn)度的下降,減小了傳感器的檢測(cè)范圍。當(dāng)使用寬帶光源時(shí),短相干長(zhǎng)度將減小光強(qiáng)范圍,存在測(cè)量上的局限性。為了消除光纖的偏振效應(yīng)影響,該系統(tǒng)中往往需要加裝保偏光纖,一定程度上增加了系統(tǒng)成本,從而限制了該方案在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本文提出了一種基于NB-IoT的防區(qū)型分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用窄帶光源、邁克爾遜干涉儀和步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)。偏振光的振動(dòng)方向可通過(guò)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)任意的角度,從而獲得所需要的偏振態(tài),避免加裝保偏光纖的額外開(kāi)銷,節(jié)省成本。此外,步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)所導(dǎo)致干涉光的強(qiáng)弱呈現(xiàn)有規(guī)律的變化,改善了邁克爾遜干涉儀干涉條紋的可見(jiàn)度,擴(kuò)大了傳感系統(tǒng)的檢測(cè)范圍,增強(qiáng)了傳感系統(tǒng)的實(shí)用性。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的定位精度、探測(cè)率和信噪比,且利用NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

2 分布式光纖傳感系統(tǒng)

本系統(tǒng)由前端和后端兩部分組成,前端放在室內(nèi),后端放在室外防護(hù)區(qū)。前端由光纖振動(dòng)預(yù)警主機(jī)、工控主機(jī)、傳輸光纜組成,后端由分割包、終端盒和振動(dòng)光纜構(gòu)成。

圖1列舉了兩個(gè)防區(qū)的光纖傳感系統(tǒng),光纖振動(dòng)預(yù)警主機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供光源,分割包和終端盒共同組成了邁克爾遜干涉儀,光經(jīng)過(guò)傳輸光纜傳送到分割包中,再依次傳送到振動(dòng)光纜和下一防區(qū)分割包。振動(dòng)光纜將外界振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),然后回送到光纖振動(dòng)預(yù)警主機(jī)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,預(yù)警系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理。根據(jù)設(shè)置的參數(shù),將入侵所在防區(qū)顯示在工控主機(jī)的屏幕上。

2.1 光纖傳感系統(tǒng)的前端

圖2列舉了兩個(gè)防區(qū)傳感系統(tǒng)的前端構(gòu)成圖。LD為激光器,為整個(gè)系統(tǒng)提供光源。由于1 550 nm光纖損耗小的特點(diǎn),可以保證良好的傳輸信息。OI為光隔離器,可以防止光源受到由背向反射或信號(hào)產(chǎn)生的不良影響。OS為分光器,激光器發(fā)出的光進(jìn)入分光器中按1∶1的分光比形成兩束光路。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,分光器可以節(jié)省相應(yīng)的成本,由分光器分出的光進(jìn)入兩路相同的光纖傳感系統(tǒng)中。CIR為光纖環(huán)形器,PD為光電探測(cè)器。光進(jìn)入環(huán)形器后通過(guò)2端口輸出,且電機(jī)上的開(kāi)關(guān)可以控制反射鏡使通過(guò)2端口的光發(fā)生反射,從而通過(guò)3端口進(jìn)入PD1和PD2。電機(jī)的作用是旋轉(zhuǎn)光纖,以調(diào)節(jié)偏振和改善邁克爾遜干涉儀干涉條紋的可見(jiàn)度。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)位移的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)輸入脈沖信號(hào)時(shí),轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生角度或位移的變化。3端口進(jìn)入PD1和PD2中的光可以由PD1和PD2把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)軟件可以調(diào)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。G1和G2為干涉儀,光進(jìn)入干涉儀后,PD3和PD4把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以用于信號(hào)的采集。信號(hào)采集板把采集到的信號(hào)進(jìn)行處理后通過(guò)電腦輸出和顯示,并根據(jù)相應(yīng)的波形圖來(lái)判斷報(bào)警信息[5]。

圖2 傳感器系統(tǒng)組成示意圖

2.2 光纖傳感系統(tǒng)的后端

光纖振動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)本質(zhì)上是一種干涉型光纖傳感器。圖3是兩個(gè)防區(qū)的光纖傳感系統(tǒng)后端的組成示意圖,兩端是系統(tǒng)的終端盒,中間則是分割包,圖中FRM是反射鏡,C1和C2是濾波器。

系統(tǒng)的傳感方式采用邁克爾遜干涉儀,并通過(guò)單模光纖邁克爾遜干涉儀來(lái)測(cè)量振動(dòng)信息[6]。兩個(gè)干涉臂為普通單模光纖。從激光器輸出的激光通常具有很好的相干性。相干光在整個(gè)傳播過(guò)程中保持相同的相位差、頻率或波形。這樣的兩束光可以在傳播過(guò)程中產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉,也就是相長(zhǎng)干涉、相消干涉[7]。激光在分束后合并產(chǎn)生穩(wěn)定的相干條紋,通過(guò)相干激光動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)[8],將探測(cè)靈敏度鎖定在最高位置,使得探測(cè)均勻性得到保障。

邁克爾遜干涉儀通過(guò)調(diào)整干涉臂的長(zhǎng)度和改變介質(zhì)的折射率可以獲得干涉中兩個(gè)光束的不同光程,從而形成不同的干涉圖樣[9]。邁克爾遜干涉儀可以將兩個(gè)光束完全分離,通過(guò)鏡面平移改變光程差,從而可以方便地測(cè)量光路。圖4為邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)圖。耦合器平分成功率相等的兩束光,分別進(jìn)入?yún)⒖急酆托盘?hào)臂,經(jīng)兩臂末端的反射鏡作用后沿原光路返回,干涉發(fā)生在耦合器處,而后進(jìn)入光電探測(cè)器,從而測(cè)得光強(qiáng)信號(hào)[10]。

圖3 室外防護(hù)區(qū)組成示意圖

如圖5所示,外部物理量(應(yīng)力、應(yīng)變等)可以改變傳輸光的相位從而實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制[11]。對(duì)于相位調(diào)制型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)來(lái)說(shuō),主要利用的物理效應(yīng)為光纖彈光效應(yīng),即在光信號(hào)傳輸過(guò)程中,當(dāng)光纖材料受到外力的作用而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),由于光纖折射率的變化,光信號(hào)的傳播特性發(fā)生改變的效應(yīng)。

圖4 邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)圖

由彈光效應(yīng)引起的折射率變化可用折射率橢球方程的系數(shù)改變來(lái)表示

(1)

式中Δn為光纖中特定方向上的折射率變化量,ΔX為折射率橢球特定方向系數(shù)變化。

在被測(cè)物理量的作用下,光纖內(nèi)部傳輸?shù)墓獾南辔话l(fā)生變化。干涉測(cè)量技術(shù)可以將相位的變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化,從而檢測(cè)出被測(cè)物理量[12]。光纖傳感系統(tǒng)中,把載波光攜帶的信號(hào)轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)度的變化就是光的解調(diào)過(guò)程。當(dāng)兩相干光束同時(shí)照射在同一光電探測(cè)器上時(shí),光電流的幅值就是兩相干光束相位差的函數(shù)。兩相干光之間的相位差值不能被直接測(cè)量,但可以通過(guò)干涉條紋通過(guò)的明暗變化來(lái)反映。因此,可以通過(guò)檢測(cè)回光的光強(qiáng)信號(hào)來(lái)解調(diào)相位差[13]。兩相干光束分別稱為信號(hào)光和參考光,一般來(lái)說(shuō),參考光不受信號(hào)調(diào)制,因此光場(chǎng)可以分別表示為

U1=A1exp{i[ω1t+ξ(t)+φ1]} ,

(2)

U2=A2exp[i(ω2t+φ2)],

(3)

式中ω為角頻率,ξ(t)為調(diào)制量,φ為初始相位,將以上兩式相加并整理可得干涉光強(qiáng)信號(hào)的表達(dá)式為

I=I0+I0kcos[Δωt+Δφ+ξ(t)] ,

(4)

式中Δω與Δφ分別為雙光束的角頻率差與初始相位差,I0為峰值光強(qiáng)。光電探測(cè)器接收的干涉光強(qiáng)度為

圖5 振動(dòng)和壓力使光路發(fā)生變化

(5)

式中Δφ=φ1-φ2,φ1和φ2分別為兩束光波的初相位;I0為入射光強(qiáng)度;δ為參考臂和傳感臂的光衰減系數(shù)。去掉直流分量,可以得到

(6)

光電探測(cè)器輸出電流的變化由兩相干光束的初始相位和相位變化決定,通過(guò)干涉可以將兩光束的相位差轉(zhuǎn)化為電流的變化[14]。本系統(tǒng)正是利用這一原理,把引起的振動(dòng)解調(diào)變換為傳輸光的相位變化并實(shí)現(xiàn)振源的準(zhǔn)確定位且直觀的在軟件界面上顯示出來(lái)[15]。

3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸單元

圖6為網(wǎng)絡(luò)傳輸單元示意圖,網(wǎng)絡(luò)傳輸采用了基于STM32F103的NB-IoT模塊,MCU控制器和NB-IoT通信模塊之間通過(guò)USART串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于NB-IoT接入廣、功耗低、覆蓋強(qiáng)和成本低的優(yōu)勢(shì),越來(lái)越多的被應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)通信應(yīng)用中[16]。

光纖傳感系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸單元、工控主機(jī)、光纖振動(dòng)預(yù)警主機(jī)和設(shè)置的防區(qū)構(gòu)成。由光纖振動(dòng)預(yù)警主機(jī)產(chǎn)生的預(yù)警信息,可由NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸單元傳輸?shù)皆贫?并可通過(guò)移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)查詢[17]。本系統(tǒng)可在云端整理和查詢數(shù)據(jù),不需要實(shí)時(shí)在室內(nèi)觀測(cè)預(yù)警信息。通過(guò)NB-IoT技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云數(shù)據(jù)庫(kù)中,進(jìn)而可以顯示到客戶端[18]。并可向控制模塊發(fā)送AT指令,通過(guò)移動(dòng)設(shè)備來(lái)檢測(cè)預(yù)警信息。

圖6 網(wǎng)絡(luò)傳輸單元示意圖

4 測(cè)試結(jié)果

圖7是聲音振動(dòng)信號(hào)直接作用在光纖上產(chǎn)生的波形圖,圖8是羊角錘敲擊光纖的波形圖。圖中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn),縱坐標(biāo)表示了振動(dòng)信號(hào)侵入的幅度。在相同幅值和同一光纖長(zhǎng)度下設(shè)置采樣點(diǎn),通過(guò)施加不同力度大小的振動(dòng)信號(hào),圖7的波形圖較為稀疏,圖8的波形圖較為密集,稀疏的波形圖代表了較輕的侵入,而密集的波形圖則反映了較重的侵入,在同一采樣區(qū)間內(nèi),波峰及波谷的數(shù)量多少體現(xiàn)了侵入信號(hào)的強(qiáng)度大小。在5 000 個(gè)采樣點(diǎn)的區(qū)間中,波形圖的平均波峰數(shù)量小于5 個(gè)時(shí)為輕度侵入信號(hào),5～10 個(gè)之間為中度侵入信號(hào),10～20 個(gè)之間為重度侵入信號(hào),大于20 個(gè)時(shí)為超重度侵入信號(hào)。系統(tǒng)可以通過(guò)波形圖的疏密程度來(lái)判斷外力侵入的等級(jí)大小,并根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警等級(jí),能夠很好的應(yīng)用在周界安防等領(lǐng)域。

圖8 重度侵入波形示意圖

埋地測(cè)試中,油鎬在電力管道上施加振動(dòng)信號(hào),如圖9所示,在15時(shí)42分到15時(shí)47分的時(shí)間段內(nèi)在光纖傳感系統(tǒng)的后端施加振動(dòng)信號(hào)。當(dāng)光纖感受到振動(dòng)后,系統(tǒng)的波形圖開(kāi)始發(fā)生變化,圖中可以明顯的看出施加信號(hào)的振動(dòng)標(biāo)志頻率21 Hz和開(kāi)始及結(jié)束的時(shí)間。圖9的下方能夠顯示振動(dòng)信號(hào)侵入的幅度大小。圖10是施加18 Hz振動(dòng)信號(hào)時(shí)光纖傳感系統(tǒng)的波形變化圖,振動(dòng)時(shí)間持續(xù)約15 min,振動(dòng)的標(biāo)志頻率、幅值和開(kāi)始及結(jié)束的時(shí)間能夠直觀的在圖中顯示出來(lái)。

圖9 施加21 Hz振動(dòng)信號(hào)的波形圖

圖11是連續(xù)兩次外力侵入的波形圖。車輛移動(dòng)過(guò)程中,第一次施加的是130 Hz的振動(dòng)信號(hào),第二次施加的是120 Hz的振動(dòng)信號(hào)。從圖中可以看出系統(tǒng)受到了兩次的外力侵入,并且有兩個(gè)不同的波峰變化。

圖10 施加18 Hz振動(dòng)信號(hào)的波形圖

通過(guò)對(duì)不同頻率振動(dòng)信號(hào)的對(duì)比和連續(xù)外力侵入的測(cè)試,系統(tǒng)可以敏感的檢測(cè)出振動(dòng)信息并快速做出判斷。軟件可以通過(guò)時(shí)域和頻域兩個(gè)角度觀測(cè)振動(dòng)信號(hào),直觀的顯示出不同的標(biāo)志頻率和振動(dòng)信號(hào)施加的開(kāi)始時(shí)間及結(jié)束時(shí)間,并且還可以判斷侵入信號(hào)的幅度大小。當(dāng)傳感系統(tǒng)檢測(cè)到侵入信號(hào)時(shí),便可產(chǎn)生預(yù)警信息,并上傳到系統(tǒng)日志中。如表1所示,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)的每個(gè)防區(qū)都可以實(shí)現(xiàn)150 m到2 000 m固定范圍中小振動(dòng)信號(hào)的探測(cè),并可探測(cè)出20 Hz以下的次聲波信號(hào),單次報(bào)警事件的響應(yīng)時(shí)間小于3 s,發(fā)生頻率小于每秒10 次時(shí)的多次報(bào)警事件的響應(yīng)時(shí)間小于5 s,誤報(bào)率小于每天一次,且連續(xù)觸碰、敲擊兩次以上探測(cè)率接近100%。

本系統(tǒng)可以通過(guò)云數(shù)據(jù)庫(kù)建立項(xiàng)目和產(chǎn)品,并由AT指令檢測(cè)模塊的狀態(tài),通過(guò)AT+CPIN?和AT+CSQ?測(cè)試SIM卡的狀態(tài)和信號(hào)強(qiáng)度,AT+TCMQTTCONN設(shè)置連接參數(shù)并建立云平臺(tái)的連接。訂閱TOPIC后,便可實(shí)現(xiàn)云端設(shè)備的控制。并由AT+TCMQTTPUB把設(shè)備信息上傳到云端,最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)。通過(guò)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的功能實(shí)現(xiàn)客戶端的推送和移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理。

圖11 連續(xù)兩次外力侵入的波形圖

表1 光纖傳感系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于邁克爾遜干涉儀的新型分布式光纖傳感系統(tǒng)。由于成本較為低廉,傳感系統(tǒng)能夠滿足小周界防護(hù)和大型設(shè)備接近探測(cè)的實(shí)用性防護(hù),使其能夠很好的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、滲漏探測(cè)、交通運(yùn)輸、光纖通信、環(huán)境測(cè)量和工程項(xiàng)目的安全生產(chǎn)中。

系統(tǒng)的前端一部分通過(guò)電腦檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)并可判斷不同的振動(dòng)源。當(dāng)檢測(cè)到侵入信號(hào)后,相應(yīng)的預(yù)警信息便可上傳到系統(tǒng)日志中。系統(tǒng)日志可以記錄事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和類型,并同時(shí)記錄事件處理時(shí)長(zhǎng),對(duì)易發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。另一部分通過(guò)NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)傳輸單元上傳到云端,并可由AT指令控制信息的收發(fā),通過(guò)移動(dòng)設(shè)備記錄預(yù)警信息。若有未處理的預(yù)警信息,便可由移動(dòng)設(shè)備給出提醒。同時(shí),上傳到云端的數(shù)據(jù)由客戶端實(shí)時(shí)推送,更便捷的查詢預(yù)警信息。

系統(tǒng)的后端可以根據(jù)不同工程項(xiàng)目所需的光纖長(zhǎng)度設(shè)置不同的防區(qū)數(shù)量,并增加相應(yīng)的分割包和終端盒的數(shù)量。當(dāng)探測(cè)出振動(dòng)信號(hào)的時(shí)候,就可以鎖定是哪個(gè)防區(qū)產(chǎn)生了預(yù)警信息。