分布式光纤振动检测系统信号后处理算法研究

李常，王晨，尚盈，赵文安，曹冰，黄胜，倪家升，王昌

(齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014)

分布式光纤振动检测系统是分布式传感技术的一种，不仅具有普通光纤传感技术耐高温、防雷、防水、抗腐蚀及抗电子干扰的优越特性，而且更能体现光纤分布延伸的优势[1-4]。该系统以同一根光纤作为传感器件和传输介质，对长达几十公里的光纤不同位置处的振动信号进行探测并定位，实现真正的分布式测量。

目前分布式振动检测系统的探测距离、空间分辨率及测量频率等性能指标都已经达到了工程应用的要求[5-6]，然而在实际应用中，由于系统具有较高的灵敏度[7]，现场环境中低频、大幅值、周期性的信号(如风吹、舞动、海浪等)都会引起系统的振动，干扰检测效果，导致误报率升高。国内外针对减小误报率的动态阈值法[8]、小波去噪法[9]等没有从根本上去除此类噪声信号，反而增加了信息冗余，而基于频谱特征分析的模式识别[10]在工程应用上难度较大。因此，研究如何去除此类噪声能够促进分布式光纤振动检测系统在工程领域的应用。

基于相位敏感及φ-OTDR原理的分布式振动检测系统(DVS)，利用光时域反射进行定位，利用后向瑞利散射的相干效应[11]探测振动。 针对DVS系统在实际工程应用中存在容易受到环境噪声影响的现象，本文对系统原始信号进行了理论上的滤波模拟及现场实验，以提高系统信噪比。

1 系统原理及结构

基于相位敏感及φ-OTDR原理的分布式振动检测系统使用窄线宽激光器，激光经AOM调制后变成强相干的脉冲光进入待测光纤中，当传感光纤收到外界振动影响时，对应位置处的光纤折射率就会发生变化从而引起对应位置的光相位变化。由于干涉作用，相位的变化将引起后向散射光光强的变化，根据光强变化及时间即可定位光纤上的振动位置。系统基本结构见图1。

图1 DVS系统结构图Fig.1 DVS system structure

图1中DFB-LD为窄线宽激光器，输出的连续激光经声光调制(AOM)调制成脉冲光，再经掺铒光纤放大器(A)放大后入射到光纤，光纤的瑞利后向散射信号再放大后由一个光电探测器(PD)探测光强，最后采集到计算机进行数据处理。

2 原始信号滤波模拟分析

分布式光纤振动检测系统(DVS)采集PD原始信号后，通过对数据进行差分、降采样平均算法解调出整条光纤上的振动强度，对于环境中的低频噪声信号能否通过滤波器进行滤除，我们建立了系统模型并进行了模拟分析。

由图1可知，DVS系统使用一个PD直接接收后向瑞利散射光，光强I满足：

I=A+Bcos[f(t)+φ0]，

其中，f(t)为待测信号，A为直流分量，B为增益系数，φ0为初相位。实际情况中存在电路直流噪声Anosie、增益噪声Bnoise、信号噪声φnoise，公式可增加为

I=(A+Anoise)+(B+Bnoise)cos[f(t)+φnoise+φ0]。

通过更改Anosie、Bnoise、φnoise与待测信号的关系、添加或更改信号处理方法等即可得出DVS系统在各个环境条件下对信号增敏保真的情况。

这里主要针对实际应用中由风、海浪等产生的环境噪声φnoise，其信号具有大幅值、低频、周期性的特征，因此公式中各参数定义为：A=5，B=1，φ0=0.001，Anosie=Bnoise=0，待测信号f(t)为0.1 rad 100 Hz正弦，φnoise为0.1 rad 1 Hz正弦，滤波器采用5阶Butterworth高通滤波器，20 Hz低截至频率，模拟信号时长50 s，系统采样频率为1.2 kHz。

图2a为模拟产生的原始信号，对其直接滤波后输出如图2b所示，可见截至频率20 Hz以下皆被滤波，但20 Hz处出现凸起，且待测100 Hz信号被混频成99 Hz与101 Hz两个成分并出现高阶谐波，效果不理想。

图2 信号滤波对比Fig.2 Signal filtering contrast

在DVS系统对振动信号的解调算法中，我们对光强I进行差分及降采样平均运算。因此，对模拟原始信号滤波后进行差分及降采样平均处理，如图3所示，1 Hz的低频噪声信号被去除。模拟结果表明，对DVS系统原始信号经过高通滤波后差分及平均处理，可以过滤掉风吹、海浪等引入的大幅值、低频、周期性的环境噪声。

图3 滤波后差分及平均处理Fig.3 Differential and average processing after filtering

3 现场实验效果

图4 围栏布置现场Fig.4 Fence layout

针对以上理论分析，我们进行了现场实验验证。在实验场地的围栏上布置长度为1 700 m的光缆，间隔一定的距离用扎带将光缆捆扎在围栏上，布置效果如图4所示。

在实验环境没有其他人为因素干扰下，系统检测到的光缆振动曲线如图5所示，可以看出DVS系统具有较高的灵敏度，能够检测到现场环境中低频、大幅值、周期性的信号(如风吹、车辆等)引起的光缆振动。

在光缆1 480 m处进行攀爬实验，对系统滤波前后检测效果进行对比，结果如图6所示。图6a显示1 480 m处攀爬引起的振动与环境中低频噪声引起的振动无法仅通过幅值大小区别开来，而图6b显示对原始信号滤波后，低频、大幅值的环境噪声被滤除，保留了攀爬位置信号。进一步提取攀爬过程中某一时刻滤波前后的振动信号进行对比分析，如图6c所示，滤波后攀爬位置处信号信噪比由原来的10.2 dB提高到16.2 dB，信噪比提升50%以上，滤波效果明显。此外，对环境噪声和攀爬位置处信号做频域分析可知(图7)，环境噪声信号频率主要集中在低频段，攀爬位置的信号包含高频分量，因此通过对分布式光纤振动检测系统原始信号进行滤波处理，能够有效地去除环境中低频、大幅值、周期性环境噪声，提高系统信噪比。

图5 环境背景噪声Fig.5 Environmental background noise

图6 攀爬信号滤波效果对比Fig.6 Filtering effect comparison of climbing signal

图7 信号频域分析Fig.7 Signal frequency domain analysis

4 结论

本文对一种相位敏感的光纤分布式振动检测系统的原始信号进行了滤波模拟和现场实验，实验中系统滤波能够有效地去除环境中大幅值、低频、周期性噪声信号，保留攀爬位置处的目标信号，并且系统信噪比提高50%，进一步提升了分布式光纤检测系统在工程领域应用的实用性。然而实验过程中对整条光缆信号同时滤波，数据运算量大，造成了一定的系统延时，并且光缆不同位置所处的环境不同，使用相同滤波参数会对效果有一定的影响，因此如何分区、分参数滤波，提升滤波算法及系统性能是今后着力改进和研究的方向。

参考文献：

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