茅昕

【摘要】 本文介紹了一種基于單模-多模-單模結(jié)構(gòu)的光纖振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以多模光纖為傳感光纖，以單模光纖為信號(hào)取樣光纖，當(dāng)有外力作用于光纖或光纖所布放的數(shù)據(jù)中心區(qū)域圍欄或機(jī)房地面時(shí)，系統(tǒng)接收到的光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。通過分析接收光強(qiáng)度的變化規(guī)律可判斷傳感光纖所在區(qū)域的振動(dòng)幅頻信息，實(shí)現(xiàn)對入侵行為的判斷。通過實(shí)驗(yàn)確定了不同布設(shè)方式所對應(yīng)的信號(hào)頻域特征，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的頻域識(shí)別算法。結(jié)果顯示系統(tǒng)具有良好的靈敏度和抗擾度，適用于數(shù)據(jù)中心的外圍和機(jī)房內(nèi)安防監(jiān)測。

【關(guān)鍵字】 光纖振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng) 單模-多模-單模結(jié)構(gòu)

引言

近年來，各行業(yè)均在大力推進(jìn)信息化建設(shè)，數(shù)據(jù)中心作為大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)各類信息化應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施，近年來獲得了迅猛的發(fā)展。

數(shù)據(jù)中心規(guī)模越大，其所提供的數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)等能力越強(qiáng)，所服務(wù)對象的重要程度越高。文中針對數(shù)據(jù)中心占地面積大，核心區(qū)域?qū)ΡO(jiān)控設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性和抗電磁波干擾強(qiáng)度要求較高等特點(diǎn)，提出一種基于單模-多模-單模結(jié)構(gòu)的光纖振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，并對振動(dòng)信號(hào)頻譜進(jìn)行了分析，將功率閾值法升級為頻譜分析法，以提高系統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的漏報(bào)/誤報(bào)率較低，適用于掛網(wǎng)、鋪地布設(shè)方式，可作為數(shù)據(jù)中心安全監(jiān)控的有效手段。

一、振動(dòng)監(jiān)測原理

基于單模-多模-單模結(jié)構(gòu)的光纖振動(dòng)傳感器，其多模光纖內(nèi)的模式受外界作用發(fā)生改變，進(jìn)而引起散斑的能量分布發(fā)生變化。

假設(shè)僅關(guān)注多模光纖中的一階模，那么在輸出端橫截面S區(qū)域內(nèi)檢測到的光功率可以近似表示為：

其中γ為與光纖材料有關(guān)的參數(shù)，F(xiàn)（t）為振動(dòng)引起的光纖內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間變化函數(shù)。

二、實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)際的光纖振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。其工作原理是激光器輸出光經(jīng)單模光纖傳輸至多模光纖，介質(zhì)振動(dòng)變化引起多模光纖輸出光場的散斑圖樣空間分布的變化，經(jīng)反射鏡返回后，有部分光強(qiáng)進(jìn)入單模光纖接收橫截面內(nèi)，該光強(qiáng)受外部振動(dòng)信號(hào)調(diào)制，光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)光探測器轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過系統(tǒng)采集后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對外界振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測。

測試過程中在數(shù)據(jù)中心外圍選取了一段金屬圍欄，在圍欄上捆扎單芯多模光纜，記為“掛網(wǎng)布設(shè)”。在數(shù)據(jù)中心機(jī)房地板下敷設(shè)單芯多模光纜，記為“埋地布設(shè)”。人為搖動(dòng)金屬圍欄和踩踏地板，記錄下各自對應(yīng)的振幅和信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)，如圖2所示。

從上圖中可以觀察到，當(dāng)振動(dòng)介質(zhì)和布設(shè)方式一定時(shí)，其由外界引起的阻尼震蕩信號(hào)在頻域存在幾個(gè)特殊的峰值，可以將這幾個(gè)峰值作為振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別特征。如果僅用振動(dòng)的能量閾值作為判斷依據(jù)，難以設(shè)置一個(gè)兩者兼顧的參數(shù)值，容易出現(xiàn)誤報(bào)或者漏報(bào)的情況。在頻域?qū)φ駝?dòng)信號(hào)做進(jìn)一步的分析很有必要。為了驗(yàn)證在頻域?qū)φ駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行處理提高系統(tǒng)性能的可行性，設(shè)計(jì)了一組對照試驗(yàn)。比較在同樣的布設(shè)條件和同等外力作用下，使用能量閾值判斷和對信號(hào)做頻譜分析后，系統(tǒng)的誤報(bào)率和漏報(bào)率有無區(qū)別。

掛網(wǎng)布設(shè)的測試設(shè)置：為盡量真實(shí)的模擬使用環(huán)境，在圍欄的一側(cè)用工業(yè)風(fēng)扇產(chǎn)生7～20米/秒的風(fēng)力，同時(shí)使用拉力測試儀以30Kg拉力反復(fù)拉動(dòng)圍欄各20次。

測試結(jié)果：在風(fēng)速為7米/秒，12米/秒的情況下，閾值法與頻譜法的漏報(bào)、誤報(bào)均為0次。當(dāng)風(fēng)速為20米/秒時(shí)，閾值法測試出現(xiàn)了1次誤報(bào)。

埋地布設(shè)的測試設(shè)置：使用一個(gè)50g重的金屬球，從不同的高度落下，模擬地板上的不同踩踏力度。每個(gè)高度重復(fù)測試20次。

測試結(jié)果：高度為150厘米時(shí)，閾值法與頻譜法的漏報(bào)、誤報(bào)均為0次。下降到100厘米時(shí)，閾值法出現(xiàn)了1次漏報(bào)。下降到30厘米時(shí)，由于產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)太弱，閾值法出現(xiàn)了5次漏報(bào)，1次誤報(bào)。頻譜法出現(xiàn)了2次漏報(bào)。

試驗(yàn)記錄表明，在兩種布設(shè)情況下，頻率法的系統(tǒng)表現(xiàn)均優(yōu)于閾值法的表現(xiàn)。特別是在高風(fēng)速條件下，閾值法受到干擾產(chǎn)生了誤報(bào)；在小球掉落試驗(yàn)時(shí)，30厘米高度落下的小球沖擊力較小，閾值法難以設(shè)置一個(gè)合適的閾值條件，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)的漏報(bào)率和誤報(bào)率同時(shí)上升。而這兩種測試條件都是數(shù)據(jù)中心安全監(jiān)控中極有可能出現(xiàn)的情況，典型如大風(fēng)天氣，一個(gè)體重較輕的入侵者等等。因此，設(shè)計(jì)與實(shí)際布設(shè)情況相結(jié)合的頻域振動(dòng)信號(hào)處理方法在數(shù)據(jù)中心的安全監(jiān)控中是很有必要的。

三、結(jié)論

本文提出的模式型光纖振動(dòng)監(jiān)測方法具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、布設(shè)手段多樣低等優(yōu)點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過頻域分析提高系統(tǒng)性能的可行性。在實(shí)驗(yàn)中我們重點(diǎn)優(yōu)化了室外的大風(fēng)環(huán)境和室內(nèi)的微小入侵動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)的漏報(bào)和誤報(bào)表現(xiàn)。該報(bào)警系統(tǒng)適合于數(shù)據(jù)中心等高安全要求場所的室內(nèi)和室外周界安全監(jiān)測。endprint