陳麗娟，李志軍，孫立書(shū)，高 健

(1.黑龍江科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150022;2.浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)系，浙江溫州325011)

0 引言

礦井下人員定位系統(tǒng)被列為礦井下六大避險(xiǎn)系統(tǒng)之一。目前，常用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)人員定位系統(tǒng)包括以以太網(wǎng)、SUPER-RFID(Radio Frequency IDentification)、Zigbee、微功率為代表的定位系統(tǒng)。但都存在一些缺點(diǎn)和不足:如對(duì)井下人員監(jiān)控的位置不夠精確;需要安裝大量的基站，成本高;設(shè)備必須是本安和防爆的，因?yàn)槭怯性吹?，礦難發(fā)生停電后，無(wú)法正常工作等。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者提出了基于子環(huán)分布式光纖定位的礦井救援系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有無(wú)源、高靈敏度和高光信噪比等特點(diǎn)。在礦難發(fā)生時(shí)，被困人員可以通過(guò)敲擊地面和巷道壁，產(chǎn)生震蕩信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)光纖傳輸?shù)骄仍ㄎ幌到y(tǒng)中，對(duì)被困人員進(jìn)行高精度的定位，為事故搶險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)光纖傳感系統(tǒng)，亟待解決的問(wèn)題是當(dāng)檢測(cè)的物體面積巨大或是很長(zhǎng)的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)，如何檢測(cè)到震動(dòng)的參數(shù)(如頻率和位置等)信息。一些震動(dòng)傳感系統(tǒng)使用光纖環(huán)干涉儀檢測(cè)光纖震動(dòng)點(diǎn)，也有傳感結(jié)構(gòu)中利用Sagnac理論和其他額外的元件實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)［1］，還有傳感系統(tǒng)如OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)是使用密集光束檢測(cè)到震動(dòng)信息等。

改進(jìn)的方法通常使用額外的元件獲得信息，但增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本。如文獻(xiàn)［2］使用了波分復(fù)用技術(shù)的同時(shí)也使用了額外的光源、檢測(cè)器和多個(gè)耦合器。為避免這些缺點(diǎn)，Tatsuya等［3］提出了分布式震動(dòng)傳感系統(tǒng)的位置檢測(cè)技術(shù)，該結(jié)構(gòu)可以檢測(cè)到震動(dòng)行為，但精確度不高。

筆者設(shè)計(jì)的子環(huán)分布式光纖定位礦井救援系統(tǒng)，能檢測(cè)具體的振動(dòng)位置，具有精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，額外成本低等特點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由一個(gè)SLD(Super Luminesent Diode)光源，一個(gè)3×3耦合器，一個(gè)2×2耦合器和一個(gè)圖像檢測(cè)器組成，并將光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的子環(huán)通過(guò)2×2耦合器耦合到主環(huán)上。主環(huán)傳感光纖的長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，光束在單模光纖中傳輸?shù)乃俣葹閏，當(dāng)光源產(chǎn)生的光傳輸?shù)?×3耦合器上時(shí)，將光分成兩束擁有等光強(qiáng)的相干光束即順時(shí)針光束和逆時(shí)針光束［4］。

順時(shí)針CW(ClockWise)和逆時(shí)針CCW(Counter-Clock Wise)方向的光束經(jīng)過(guò)傳感光纖傳輸重新相遇在3×3耦合器［5］。它們每束光分別經(jīng)2×2耦合器又分成兩束光，一束仍然經(jīng)由子環(huán)傳感光纖順時(shí)針傳輸，另一束經(jīng)由子環(huán)傳感光纖逆時(shí)針傳輸。如此下去，可以被2×2耦合器分離n次［6］，n=0，1，2，3，…(見(jiàn)圖2)。

圖1 分布式震動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Distributed vibration sensor system

圖2 通過(guò)子環(huán)n次等效傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Equivalent sensor system through the sub-ring n times

因?yàn)楸?×2耦合器分成的兩束光經(jīng)過(guò)的光路徑相似，經(jīng)過(guò)的子環(huán)光纖的次數(shù)相同，所以在3×3耦合器相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉［7，8］。

2 光纖定位理論分析

SLD光能量可以表示為I，因?yàn)?×3耦合器的-3 dB效應(yīng)，順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较虻墓馐鴱?qiáng)度都是因?yàn)檎饎?dòng)位置是在中心點(diǎn)(Z0=0)的兩側(cè)，它引起順時(shí)針和逆時(shí)針兩光束產(chǎn)生相位差θ(t)。3×3耦合器引入了一個(gè)的相位差［10］。因?yàn)镃W和CCW光束都會(huì)通過(guò)2×2耦合器n次，所以CW和CCW在傳感光纖中的傳輸光強(qiáng)都是當(dāng)光源遇到被2×2耦合器分離相同次數(shù)(n次)的兩束光時(shí)，因?yàn)閮墒饨?jīng)過(guò)震動(dòng)點(diǎn)的位置不同而產(chǎn)生干涉，傳感器輸出功率的幅值是但由于震動(dòng)點(diǎn)不同，會(huì)引起變化的相位差，經(jīng)過(guò)n次分離的傳感器輸出的功率值設(shè)為Pn(τ)，可以表示為

其中

使用DC(Direct Current)濾波器，AC(Alternate Current)原件的輸出為

假設(shè)θ(t)=Acos(2πft)，這里幅值A(chǔ)和震動(dòng)頻率f完全作用于輸出功率。如果的相位差和θ(t)的值足夠小，AC光源就擁有很好的線性，可表示為

三角函數(shù)可以等效為

隨著τn的變化，傳感器輸出有所改變，其范圍受震動(dòng)頻率和位置的影響。

P0(τ)，P1(τ)，P2(τ)可等效為

其中P0(τ)，P1(τ)，P2(τ)分別為光束經(jīng)過(guò)2×2耦合器分離0，1，2次的輸出功率。

設(shè)相對(duì)強(qiáng)度分別為D1=4P1/P0，D2=16P2/P0，即

則

可見(jiàn)z0計(jì)算依賴(lài)于不同數(shù)值，但卻與輸出強(qiáng)度P0(τ)，P1(τ)，P2(τ)相關(guān)。

3 數(shù)值仿真及分析

如圖1所示，在實(shí)驗(yàn)室建立了檢測(cè)系統(tǒng)。使用PZT(Piezoelectric)相移作為信號(hào)源，頻率和幅值分別為100 Hz和100 mV。傳感光纖長(zhǎng)度為25 km，子環(huán)長(zhǎng)度為2 km。這里，T是光源的周期時(shí)間，n是光束通過(guò)子環(huán)的次數(shù)。

n=0時(shí)，輸出信號(hào)P0(τ);n=1時(shí)輸出信號(hào)P1(τ);n=2時(shí)輸出信號(hào)P2(τ)。下面通過(guò)仿真證明震動(dòng)定位可以實(shí)現(xiàn)。由式(9)，式(10)，可以得到輸出強(qiáng)度D1和D2隨頻率變化的曲線(見(jiàn)圖3和圖4)。

將得到的D1，D2應(yīng)用式(7)和式(12)會(huì)得到震動(dòng)的位置，不同頻率混合卻有相同的定位結(jié)果，所以系統(tǒng)定位點(diǎn)很準(zhǔn)確。

圖3 不同震動(dòng)點(diǎn)D1隨頻率變化值Fig.3 Different vibration D1varies with frequency value

圖4 不同震動(dòng)點(diǎn)D2隨頻率變化值Fig.4 Different vibration D2varies with frequency value

圖5 z0計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值的比較Fig.5 z0calculated values compared with the actual measured value

圖3展現(xiàn)了在不同給定信號(hào)頻率下，同一個(gè)震動(dòng)點(diǎn)的 P0/4P1，圖 4展現(xiàn)了 P0/16P2的仿真圖形。data0，data1，data2 分別代表了 z0=0，1，2 km 時(shí)在不同給定信號(hào)頻率下，同一個(gè)震動(dòng)點(diǎn)的P0/16P2。實(shí)際系統(tǒng)中通過(guò)示波器觀察得到P0，P1，P2的值，做成比例與仿真的圖形相比較即可得到運(yùn)算出的z0即震動(dòng)點(diǎn)位置。

圖5給出了實(shí)際測(cè)量震動(dòng)點(diǎn)位置與計(jì)算仿真位置的比較圖。由圖5可見(jiàn)，實(shí)際震動(dòng)點(diǎn)取1，2，3，…，20 km時(shí)，計(jì)算值z(mì)0(圖5中離散數(shù)值)基本等于該值，大致與實(shí)際震動(dòng)點(diǎn)在一條直線上，誤差最大在2‰左右，對(duì)被困礦工的快速救援沒(méi)有影響。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了基于子環(huán)分布式光纖定位的礦井救援系統(tǒng)，在礦井救援系統(tǒng)中，大范圍震動(dòng)檢測(cè)可以通過(guò)加入一個(gè)2×2的耦合器實(shí)現(xiàn)。通過(guò)理論分析和數(shù)值分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可檢測(cè)到發(fā)生在光纖環(huán)上震動(dòng)的幅值和位置，定位精準(zhǔn)性較高。該系統(tǒng)設(shè)置簡(jiǎn)單，易于在井下的復(fù)雜背景下實(shí)現(xiàn)。在礦難發(fā)生時(shí)，該系統(tǒng)可以很精準(zhǔn)地通過(guò)礦工敲動(dòng)地面或巷道壁得到震動(dòng)信號(hào)，檢測(cè)到礦工的具體位置，為礦難援救提供了科學(xué)依據(jù)。

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