一种基于Sagnac干涉式的光纤振动传感技术

陈宇飞　谭冬生　刘小燕

摘要：以普通单模光纤作为振动传感媒介，利用振动在单模光纤中引起的弹光效应对光纤周围环境中的振动信号进行监控。通过Sagnac干涉的方式，将由弹光效应引起的光信号相位变化解调成为光强变化，再进行光电转换。对光电转换解调出来的信号通过归一化处理、预加重处理等一系列的算法方式作进一步分析处理，提取出不同振动事件的振动特征数据，以实现对单次冲击信号和连续振动信号的区分。以此实现对铁路沿线落石防护网上巨石滚落状况的监控。

关键词：Sagnac干涉； 弹光效应； 归一化处理； 预加重处理

中图分类号： TP 212 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.006

Abstract：By using ordinary single-mode fiber as the medium of vibration sensor， the vibration of photosynthetic efficiency in the single mode fiber is used to monitor the surrounding environment. Sagnac interference is caused by the elastic-optic effect from the change in the phase demodulation of the optical signal to the change of intensity for photoelectric conversion. We normalize the signal after photoelectric conversion and conduct pre-emphasis processing for further analysis and processing. A series of algorithm are used to extract the vibration features of different vibration data， in order to realize sequential single impact signal and vibration signal. By using the proposed method， rock-falling protection along the railway can be realized.

Keywords：Sagnac interference； elastic-optic effect； normalized processing； pre-emphasis processing

引 言

提出了一种基于Sagnac干涉仪原理的铁路沿线落石防护网检测分布式光纤振动传感技术，该技术以光纤作为传感器，并采用独特的检测技术对铁路沿线落石防护网上的振动信号进行测量或监控。本文所用的基于 Sagnac干涉仪原理的分布式光纤振动传感器，与传统的马赫-曾德干涉仪传感器[1]相比较，由于Sagnac干涉仪为零光程差，因此不存在两传感臂长度不一致引起的噪音，且对光源要求低，可使用高功率的宽带光源，更适合长距离检测。

1 振动监控原理

1.1 Sagnac干涉仪工作原理

图1所示的Sagnac干涉仪是应用于铁路沿线落石防护网的检测系统，整个系统由光源、光电转换器（PIN）、耦合器和信号处理几部分组成。光源发出的光经2×2耦合器分光后，分别沿Sagnac干涉仪光纤环的顺时针和逆时针方向传播，并先后经过图中所示的振动点。外部环境的振动信号作用到光纤上，使光纤的长度和折射率都发生变化，导致光纤中传播的导光相位被调制，经调制后的两路光在光电转换器处发生干涉。由于顺、逆两束光经过振动点的时间不同，两路光被调制后产生相位差，根据Sagnac效应，两束光在光电转换器处的干涉信号为[2]：

由此可以看出外界振动产生的压力P对于光纤中传播信号相位φ的影响。

1.3 光干涉技术

光的频率远高于光电接收器可以接收的频率，因此光电转换系统不能直接解调光信号相位的变化。只能通过光波的相干效应来将光的相位变化转化为光强变化来进行解调。因波的叠加而引起强度重新分布的现象，叫做波的干涉。产生干涉的条件称为相干条件，相干条件有三条[5]：（1）频率相同；（2）存在相互平行的振动分量；（3）相位差稳定。

2 系统设计

2.1 系统工作流程

图2所示为系统工作流程，主要有振动信号获取、信号干涉解调、信号采集、信号分析处理4个部分组成。

2.2 软件整体流程

系统通过特征提取及分类算法完成对扰动特征信息的动态提取、分析和比较，确定扰动的频率、幅度和类型等物理特征，实时给出分析结果或对非正常扰动给出预警信号，软件整体流程如图3所示。

软件采用时域信号处理和频域信号处理相结合的算法，在判断信号是报警信号还是干扰信号的同时，将这些参数储存于信号特征库中，进一步完善信号特征库，具备自我判断的功能。

3 振动分析

3.1 归一化处理

图4为信号处理流程图，其中归一化处理是第一个重要步骤。由于硬件设备光功率的不稳定等因素造成待识别信号总是存在或多或少的量程差异，为消除此影响有必要做归一化处理，使待测信号总是映射到同一标准刻度内。

3.2 预加重处理

环境干扰在频谱上表现是低频信息丰富，而人为干扰主要集中在高频段。采用类似于语音信号的预加重处理手段，以抑制低频信号突出高频信号。

3.3 振动事件检测

信号经过上述步骤的处理，从时域波形很难做出区分，为此需做进一步能差处理。将信号进行分帧，帧长240帧、帧重叠80帧，分别计算每帧信号的能量方差并计算上述每段（2 s）信号的能量方差的标准差STD。测试系统对石头滚落（冲击振动）和大风状态（连续振动）的信号进行测试，得到测试结果如图5～图8所示。

这些图形可清晰地表明：

（1）经过能差检测仍能完整地反映振动信号；

（2）图7中明显存在冲击性信号，而经过能差处理很好的体现出冲击信号的信号包络；

（3）图8所示的连续振动信号较为平稳。

4 总 结

本文提出了一种用光纤传感器来监控周围环境振动状况的监控系统。系统以Sagnac干涉仪为基础，通过对探测信号的数据归一化处理、预加重处理，振动事件分析等多种算法处理，能很好地区分事件地点的落石振动信号和大风振动信号。实验证明，测试系统可以很好地分辨出不同的振动事件，能对铁路周边落石防护网上落石状况进行实时监控。

参考文献：

[1] 周 琰，靳世久，张昀超，等.管道泄漏检测分布式光纤传感技术研究[J].光电子·激光，2005，16（8）：935-938.

[2] KURMER J P，KINGSLEY S A，LAUDO J S，et al.Distributed fiber optic acoustic sensor for leak detection[J].SPIE，1991，1586：117-128.

[3] 王慧文，江先进，赵长明，等.光纤传感技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2001：257-268.

[4] 李家泽，朱宝亮，魏光辉.晶体光学[M].北京：北京理工大学出版社，1989：126-128.

[5] YUAN L B，ZHOU L M，JIN W.Detection of acoustic emission in structure using Sagnac-like fiber-loop interferometer[J].Sensors and Actuators A：Physical，

2005，118（1）：6-13.

（编辑：刘铁英）