模式型光纤振动监测在数据中心安防中的应用

茅昕

【摘要】 本文介绍了一种基于单模-多模-单模结构的光纤振动监测系统。该系统以多模光纤为传感光纤，以单模光纤为信号取樣光纤，当有外力作用于光纤或光纤所布放的数据中心区域围栏或机房地面时，系统接收到的光强度会发生相应变化。通过分析接收光强度的变化规律可判断传感光纤所在区域的振动幅频信息，实现对入侵行为的判断。通过实验确定了不同布设方式所对应的信号频域特征，并设计了相应的频域识别算法。结果显示系统具有良好的灵敏度和抗扰度，适用于数据中心的外围和机房内安防监测。

【关键字】 光纤振动监测系统 单模-多模-单模结构

引言

近年来，各行业均在大力推进信息化建设，数据中心作为大数据、云计算和移动互联网各类信息化应用的基础设施，近年来获得了迅猛的发展。

数据中心规模越大，其所提供的数据计算、存储等能力越强，所服务对象的重要程度越高。文中针对数据中心占地面积大，核心区域对监控设备的稳定性、可靠性和抗电磁波干扰强度要求较高等特点，提出一种基于单模-多模-单模结构的光纤振动监测系统，并对振动信号频谱进行了分析，将功率阈值法升级为频谱分析法，以提高系统振动监测性能。实验结果表明该振动监测系统的漏报/误报率较低，适用于挂网、铺地布设方式，可作为数据中心安全监控的有效手段。

一、振动监测原理

基于单模-多模-单模结构的光纤振动传感器，其多模光纤内的模式受外界作用发生改变，进而引起散斑的能量分布发生变化。

假设仅关注多模光纤中的一阶模，那么在输出端横截面S区域内检测到的光功率可以近似表示为：

其中γ为与光纤材料有关的参数，F（t）为振动引起的光纤内应力随时间变化函数。

二、实验测试

实际的光纤振动监测系统如图1所示。其工作原理是激光器输出光经单模光纤传输至多模光纤，介质振动变化引起多模光纤输出光场的散斑图样空间分布的变化，经反射镜返回后，有部分光强进入单模光纤接收横截面内，该光强受外部振动信号调制，光强信号经光探测器转为电信号，经过系统采集后进行相应的数据处理，实现对外界振动信号的监测。

测试过程中在数据中心外围选取了一段金属围栏，在围栏上捆扎单芯多模光缆，记为“挂网布设”。在数据中心机房地板下敷设单芯多模光缆，记为“埋地布设”。人为摇动金属围栏和踩踏地板，记录下各自对应的振幅和信号频谱数据，如图2所示。

从上图中可以观察到，当振动介质和布设方式一定时，其由外界引起的阻尼震荡信号在频域存在几个特殊的峰值，可以将这几个峰值作为振动信号的识别特征。如果仅用振动的能量阈值作为判断依据，难以设置一个两者兼顾的参数值，容易出现误报或者漏报的情况。在频域对振动信号做进一步的分析很有必要。为了验证在频域对振动信号进行处理提高系统性能的可行性，设计了一组对照试验。比较在同样的布设条件和同等外力作用下，使用能量阈值判断和对信号做频谱分析后，系统的误报率和漏报率有无区别。

挂网布设的测试设置：为尽量真实的模拟使用环境，在围栏的一侧用工业风扇产生7～20米/秒的风力，同时使用拉力测试仪以30Kg拉力反复拉动围栏各20次。

测试结果：在风速为7米/秒，12米/秒的情况下，阈值法与频谱法的漏报、误报均为0次。当风速为20米/秒时，阈值法测试出现了1次误报。

埋地布设的测试设置：使用一个50g重的金属球，从不同的高度落下，模拟地板上的不同踩踏力度。每个高度重复测试20次。

测试结果：高度为150厘米时，阈值法与频谱法的漏报、误报均为0次。下降到100厘米时，阈值法出现了1次漏报。下降到30厘米时，由于产生的振动信号太弱，阈值法出现了5次漏报，1次误报。频谱法出现了2次漏报。

试验记录表明，在两种布设情况下，频率法的系统表现均优于阈值法的表现。特别是在高风速条件下，阈值法受到干扰产生了误报；在小球掉落试验时，30厘米高度落下的小球冲击力较小，阈值法难以设置一个合适的阈值条件，结果导致系统的漏报率和误报率同时上升。而这两种测试条件都是数据中心安全监控中极有可能出现的情况，典型如大风天气，一个体重较轻的入侵者等等。因此，设计与实际布设情况相结合的频域振动信号处理方法在数据中心的安全监控中是很有必要的。

三、结论

本文提出的模式型光纤振动监测方法具有系统结构简单、抗干扰能力强、布设手段多样低等优点，并通过实验验证了通过频域分析提高系统性能的可行性。在实验中我们重点优化了室外的大风环境和室内的微小入侵动作时系统的漏报和误报表现。该报警系统适合于数据中心等高安全要求场所的室内和室外周界安全监测。endprint