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)實驗室,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信號,并具有傳感和信號傳輸功能,可以實時監(jiān)測直接或間接傳輸?shù)焦饫w的各種干擾,將傳感光纖上的微小振動轉(zhuǎn)化為電信號,并傳輸?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)進(jìn)行分析、處理和智能識別,對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的入侵行為進(jìn)行報警。分布式光纖傳感系統(tǒng)是將傳感光纖沿場排布,并通過檢測技術(shù)測量或監(jiān)控沿光纖傳輸路徑的空間分布和時變信息[1]。在分布式測量中,傳感光纖上的每個點(diǎn)都可以作為傳感單元,不存在盲區(qū)。所以,分布式測量能夠?qū)崿F(xiàn)沿光纖長度的連續(xù)檢測,降低光纖傳感系統(tǒng)的誤報率和漏報率。分布式光纖振動傳感系統(tǒng)因其在安全防范、全分布式傳感和大范圍測量等方面的顯著優(yōu)勢,在國內(nèi)外越來越受到人們的重視[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)振動發(fā)生于某一防區(qū)時,此防區(qū)探測到振動信號,通過解調(diào)技術(shù)得知振動產(chǎn)生的位置,將振動信號定位至這一防區(qū)[3]。因其結(jié)構(gòu)簡單、便于鋪設(shè)且適合大范圍的測量振動信號,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)。與馬赫曾德爾干涉儀相比,邁克爾遜干涉儀可以有效避免偏振態(tài)衰落對光纖傳感系統(tǒng)的影響,適合構(gòu)成防區(qū)型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)[4]。它利用正向傳光信號檢測被測量,可以獲得高信噪比的信號,適用于靜態(tài)信號和動態(tài)信號的測量,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)簡單、條紋對比度好、信噪比高、條紋數(shù)與測量位移的計算關(guān)系簡單等優(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,導(dǎo)致了干涉條紋可見度的下降,減小了傳感器的檢測范圍。當(dāng)使用寬帶光源時,短相干長度將減小光強(qiáng)范圍,存在測量上的局限性。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)。偏振光的振動方向可通過步進(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銷,節(jié)省成本。此外,步進(jìn)電機(jī)的移動所導(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度,擴(kuò)大了傳感系統(tǒng)的檢測范圍,增強(qiáng)了傳感系統(tǒng)的實用性。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的定位精度、探測率和信噪比,且利用NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、實時通信和遠(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、終端盒和振動光纜構(gòu)成。

圖1列舉了兩個防區(qū)的光纖傳感系統(tǒng),光纖振動預(yù)警主機(jī)為整個系統(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)過傳輸光纜傳送到分割包中,再依次傳送到振動光纜和下一防區(qū)分割包。振動光纜將外界振動信號轉(zhuǎn)換為光信號,然后回送到光纖振動預(yù)警主機(jī)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,預(yù)警系統(tǒng)對信號進(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列舉了兩個防區(qū)傳感系統(tǒng)的前端構(gòu)成圖。LD為激光器,為整個系統(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為光電探測器。光進(jìn)入環(huán)形器后通過2端口輸出,且電機(jī)上的開關(guān)可以控制反射鏡使通過2端口的光發(fā)生反射,從而通過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度。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)位移的電動機(jī)。當(dāng)輸入脈沖信號時,轉(zhuǎn)子會產(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把光信號轉(zhuǎn)換為電信號,從而驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動。通過軟件可以調(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把光信號轉(zhuǎn)換為電信號以用于信號的采集。信號采集板把采集到的信號進(jìn)行處理后通過電腦輸出和顯示,并根據(jù)相應(yīng)的波形圖來判斷報警信息[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,并通過單模光纖邁克爾遜干涉儀來測量振動信息[6]。兩個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。相干光在整個傳播過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程中產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉,也就是相長干涉、相消干涉[7]。激光在分束后合并產(chǎn)生穩(wěn)定的相干條紋,通過相干激光動態(tài)調(diào)制技術(shù)[8],將探測靈敏度鎖定在最高位置,使得探測均勻性得到保障。

邁克爾遜干涉儀通過調(diào)整干涉臂的長度和改變介質(zhì)的折射率可以獲得干涉中兩個光束的不同光程,從而形成不同的干涉圖樣[9]。邁克爾遜干涉儀可以將兩個光束完全分離,通過鏡面平移改變光程差,從而可以方便地測量光路。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急酆托盘柋?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)入光電探測器,從而測得光強(qiáng)信號[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現(xiàn)相位調(diào)制[11]。對于相位調(diào)制型光纖振動傳感系統(tǒng)來說,主要利用的物理效應(yīng)為光纖彈光效應(yīng),即在光信號傳輸過程中,當(dāng)光纖材料受到外力的作用而產(chǎn)生應(yīng)變時,由于光纖折射率的變化,光信號的傳播特性發(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,從而檢測出被測物理量[12]。光纖傳感系統(tǒng)中,把載波光攜帶的信號轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)度的變化就是光的解調(diào)過程。當(dāng)兩相干光束同時照射在同一光電探測器上時,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量,但可以通過干涉條紋通過的明暗變化來反映。因此,可以通過檢測回光的光強(qiáng)信號來解調(diào)相位差[13]。兩相干光束分別稱為信號光和參考光,一般來說,參考光不受信號調(diào)制,因此光場可以分別表示為

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)。光電探測器接收的干涉光強(qiáng)度為

圖5 振動和壓力使光路發(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,把引起的振動解調(diào)變換為傳輸光的相位變化并實現(xiàn)振源的準(zhǔn)確定位且直觀的在軟件界面上顯示出來[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,越來越多的被應(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)、光纖振動預(yù)警主機(jī)和設(shè)置的防區(qū)構(gòu)成。由光纖振動預(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?并可通過移動設(shè)備實時查詢[17]。本系統(tǒng)可在云端整理和查詢數(shù)據(jù),不需要實時在室內(nèi)觀測預(yù)警信息。通過NB-IoT技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云數(shù)據(jù)庫中,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,通過移動設(shè)備來檢測預(yù)警信息。

圖6 網(wǎng)絡(luò)傳輸單元示意圖

4 測試結(jié)果

圖7是聲音振動信號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)表示了振動信號侵入的幅度。在相同幅值和同一光纖長度下設(shè)置采樣點(diǎn),通過施加不同力度大小的振動信號,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)了侵入信號的強(qiáng)度大小。在5 000 個采樣點(diǎn)的區(qū)間中,波形圖的平均波峰數(shù)量小于5 個時為輕度侵入信號,5～10 個之間為中度侵入信號,10～20 個之間為重度侵入信號,大于20 個時為超重度侵入信號。系統(tǒng)可以通過波形圖的疏密程度來判斷外力侵入的等級大小,并根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的報警等級,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

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

圖9 施加21 Hz振動信號的波形圖

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

圖10 施加18 Hz振動信號的波形圖

通過對不同頻率振動信號的對比和連續(xù)外力侵入的測試,系統(tǒng)可以敏感的檢測出振動信息并快速做出判斷。軟件可以通過時域和頻域兩個角度觀測振動信號,直觀的顯示出不同的標(biāo)志頻率和振動信號施加的開始時間及結(jié)束時間,并且還可以判斷侵入信號的幅度大小。當(dāng)傳感系統(tǒng)檢測到侵入信號時,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)過多次實驗驗證,系統(tǒng)的每個防區(qū)都可以實現(xiàn)150 m到2 000 m固定范圍中小振動信號的探測,并可探測出20 Hz以下的次聲波信號,單次報警事件的響應(yīng)時間小于3 s,發(fā)生頻率小于每秒10 次時的多次報警事件的響應(yīng)時間小于5 s,誤報率小于每天一次,且連續(xù)觸碰、敲擊兩次以上探測率接近100%。

本系統(tǒng)可以通過云數(shù)據(jù)庫建立項目和產(chǎn)品,并由AT指令檢測模塊的狀態(tài),通過AT+CPIN?和AT+CSQ?測試SIM卡的狀態(tài)和信號強(qiáng)度,AT+TCMQTTCONN設(shè)置連接參數(shù)并建立云平臺的連接。訂閱TOPIC后,便可實現(xiàn)云端設(shè)備的控制。并由AT+TCMQTTPUB把設(shè)備信息上傳到云端,最終實現(xiàn)設(shè)備之間的聯(lián)動。通過數(shù)據(jù)開發(fā)的功能實現(xiàn)客戶端的推送和移動設(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)測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文設(shè)計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)備接近探測的實用性防護(hù),使其能夠很好的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)監(jiān)測、滲漏探測、交通運(yùn)輸、光纖通信、環(huán)境測量和工程項目的安全生產(chǎn)中。

系統(tǒng)的前端一部分通過電腦檢測振動信號并可判斷不同的振動源。當(dāng)檢測到侵入信號后,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)生的時間、地點(diǎn)和類型,并同時記錄事件處理時長,對易發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。另一部分通過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),通過移動設(shè)備記錄預(yù)警信息。若有未處理的預(yù)警信息,便可由移動設(shè)備給出提醒。同時,上傳到云端的數(shù)據(jù)由客戶端實時推送,更便捷的查詢預(yù)警信息。

系統(tǒng)的后端可以根據(jù)不同工程項目所需的光纖長度設(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)探測出振動信號的時候,就可以鎖定是哪個防區(qū)產(chǎn)生了預(yù)警信息。