多芯光纖安防工程一體化同步感知系統(tǒng)

馮 謙，馬天驕，歐進(jìn)萍

(1.中國(guó)地震局 地震研究所，湖北 武漢 430071；2.中國(guó)地震局 地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.中國(guó)地震局 工程力學(xué)研究所 中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳） 土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518055)

安防工程的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容之一是外部入侵?jǐn)_動(dòng)，包括各類(lèi)人為、車(chē)輛、施工及環(huán)境作用導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)振動(dòng)、變形、失穩(wěn)及溫度異常。擾動(dòng)類(lèi)型和強(qiáng)度的識(shí)別對(duì)施工安全、建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)維管養(yǎng)及災(zāi)害預(yù)警至關(guān)重要。分布式光纖傳感器感知傳輸一體化、耐久性強(qiáng)及監(jiān)測(cè)范圍廣的特點(diǎn)使其在安防監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段的分布式光纖安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用相位敏感光時(shí)域反射儀（phase-sensitive optical time domain reflectometry，φ-OTDR）技術(shù)。φ-OTDR主要用于入侵定位和頻率提取，現(xiàn)已應(yīng)用于周界安防、邊坡防護(hù)和長(zhǎng)距離管線的安全監(jiān)測(cè)。

目前，φ-OTDR的擾動(dòng)探測(cè)方法主要以時(shí)頻特征提取為核心，借助分類(lèi)算法實(shí)現(xiàn)定位與模式識(shí)別。例如：Xu等提出了擾動(dòng)事件的多特征識(shí)別方法，利用信號(hào)的時(shí)頻信息構(gòu)造了短時(shí)能量比、電平通過(guò)率、振動(dòng)持時(shí)和功率譜能量比等特征，通過(guò)支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)了90%準(zhǔn)確率的擾動(dòng)入侵分類(lèi)。Wang等利用小波能量譜分析從原始振動(dòng)信號(hào)中提取特征向量，利用相關(guān)向量機(jī)實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)定位與模式分類(lèi)。Zhao等針對(duì)提高信噪比與定位精度的問(wèn)題，在小波高頻分量定位的基礎(chǔ)上，提出了分段平均差分法，獲得了9.348 3 dB的信噪比，且減少了擾動(dòng)定位的計(jì)算體量。Sun等為提高計(jì)算時(shí)效性，設(shè)計(jì)散射矩陣從時(shí)空域信號(hào)圖樣中提取特征向量進(jìn)行擾動(dòng)識(shí)別。該方法在1 s以?xún)?nèi)的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到97.8%。

上述分布式安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在擾動(dòng)定位與模式識(shí)別方面取得了較好成果，但大多基于普通單模光纖，監(jiān)測(cè)指標(biāo)單一，可用于后處理的信息量不足，特征分析局限在時(shí)頻域，不能同步感知溫度、應(yīng)變等參量，難以區(qū)分時(shí)頻特征相似的事件，未能實(shí)現(xiàn)精細(xì)化火災(zāi)（過(guò)熱）預(yù)警等功能，更無(wú)法定量識(shí)別擾動(dòng)，進(jìn)而無(wú)法評(píng)估入侵強(qiáng)度。

近年來(lái)，多芯光纖的傳感研究為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)分布式感知測(cè)量技術(shù)的突破提供了可靠途徑。多芯光纖在一根光纖中集成了多個(gè)纖芯，彼此相互獨(dú)立，具有低串?dāng)_、高通量的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在各纖芯中形成干涉結(jié)構(gòu)或配置不同感測(cè)模塊，光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）、布里淵光時(shí)域反射儀（Brillouin optical time domain reflectometry，BOTDR），以及拉曼光時(shí)域反射儀（Raman optical time domain reflectometry，ROTDR）等（準(zhǔn)）分布式傳感技術(shù)可以整合至同一根光纖，實(shí)現(xiàn)3維曲率重構(gòu)、多物理場(chǎng)同步測(cè)量、溫度應(yīng)變解耦等功能。因此，多芯光纖空分復(fù)用技術(shù)兼顧分布式傳感系統(tǒng)在測(cè)點(diǎn)密度和覆蓋范圍上優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，能有機(jī)結(jié)合各傳感子模塊，實(shí)現(xiàn)多參量同步感知。這使得多芯光纖在安防工程中能提供更全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由此提取更豐富的擾動(dòng)特征以滿足多樣化功能需求，實(shí)現(xiàn)綜合分析評(píng)估。

本研究以多芯光纖空分復(fù)用技術(shù)為支撐，面向安防工程提出了一套多芯光纖一體化同步感知系統(tǒng)，將φ-OTDR、ROTDR、FBG等光纖傳感技術(shù)復(fù)用于7芯光纖，可同步監(jiān)測(cè)頻率、分布式及點(diǎn)式的應(yīng)變和溫度、擾動(dòng)范圍及持時(shí)等多個(gè)參量，基于此實(shí)現(xiàn)了多參量入侵定位、多指標(biāo)擾動(dòng)定量評(píng)估及模式區(qū)分、精細(xì)化火災(zāi)預(yù)警和溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。在防護(hù)圍欄上布設(shè)該系統(tǒng)，通過(guò)7種模擬工況測(cè)試了上述功能的實(shí)用效果。

1 系統(tǒng)與功能設(shè)計(jì)

1.1 多芯光纖傳感機(jī)理

為同步采集多個(gè)環(huán)境和結(jié)構(gòu)響應(yīng)參量，本系統(tǒng)采用的主要傳感技術(shù)包括：

1）相位敏感光時(shí)域反射儀技術(shù)（φ-OTDR）。外界擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致光纖對(duì)應(yīng)位置折射率發(fā)生變化，從而改變散射點(diǎn)間的相位差，φ-OTDR采用強(qiáng)相干光源，所以相位波動(dòng)會(huì)引起瑞利散射光干涉光強(qiáng)的變化，由此可以捕捉擾動(dòng)的位置及時(shí)頻信息。

2）拉曼分布式測(cè)溫技術(shù)（Raman distributed temperature sensing，RDTS）。拉曼散射最主要的應(yīng)用是長(zhǎng)距離分布式溫度測(cè)量。拉曼散射中的反斯托克斯光只對(duì)溫度敏感，其強(qiáng)度受溫度調(diào)制，而斯托克斯光沒(méi)有這個(gè)特征，所以?xún)烧叩膹?qiáng)度比僅為溫度的函數(shù)。通過(guò)分路器得到兩種光，再經(jīng)解調(diào)即可獲得光纖沿線的溫度場(chǎng)。

3）光纖布拉格光柵（FBG）。當(dāng)寬光譜光源入射到光纖時(shí)，F(xiàn)BG將反射回一個(gè)中心波長(zhǎng)為其布拉格波長(zhǎng)的窄帶光波，反射波長(zhǎng)漂移量與應(yīng)變或溫度增量呈線性關(guān)系，經(jīng)標(biāo)定后可以精確反映被測(cè)對(duì)象的點(diǎn)式應(yīng)變。本系統(tǒng)定制的7芯光纖刻寫(xiě)有10個(gè)間隔約2 m的準(zhǔn)分布式FBG，以此滿足重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位的精確應(yīng)變測(cè)量需求，輔助φ-OTDR定量評(píng)估擾動(dòng)。在拉制成纖后，對(duì)7芯裸纖指定位置清除涂覆層，使用不同周期相位掩膜板刻寫(xiě)光柵，依次完成后整體再以Hytrel緊套管封裝。此工藝會(huì)對(duì)所有纖芯引入光柵，但實(shí)測(cè)時(shí)僅使用中間纖芯作為FBG通道，φ-OTDR與RDTS則使用了不同響應(yīng)帶寬的光電探測(cè)器，與FBG反射信號(hào)互不干擾。

4）多芯光纖空分復(fù)用。多芯光纖的每個(gè)纖芯可作為獨(dú)立通道進(jìn)行感知測(cè)量，借助扇入扇出耦合器可與不同采集解調(diào)模塊相適配，在時(shí)間和空間上做到同步傳感、傳輸。本系統(tǒng)將上述技術(shù)復(fù)用于7芯光纖（空余纖芯為后續(xù)功能補(bǔ)充所用），其配置見(jiàn)圖1。此外，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了同步觸發(fā)采集電路，統(tǒng)一發(fā)放觸發(fā)信號(hào)至各光源模塊、脈沖和頻移調(diào)制模塊、采集卡等，保證各傳感通道時(shí)間坐標(biāo)一致。

圖1 7芯光纖通道配置Fig. 1 Channel configuration of the 7-core fibre

1.2 多參量擾動(dòng)定位方法

在擾動(dòng)定位階段，對(duì)于光柵覆蓋范圍內(nèi)的入侵事件可同時(shí)根據(jù)FBG應(yīng)變時(shí)程與φ-OTDR信號(hào)予以定位，較單模光纖傳感器更具可靠性。對(duì)于長(zhǎng)距離大范圍的定位需求，則主要依靠φ-OTDR纖芯。為進(jìn)一步降低誤報(bào)率、提高擾動(dòng)定位精度，本系統(tǒng)采用4種擾動(dòng)定位方法。

1）高階中心矩法。該方法對(duì)φ-OTDR信號(hào)按式（1）計(jì)算各位置

l

處的信號(hào)高階中心矩

D

作為第1類(lèi)定位參量：

式中：max為取最大值；為

t

時(shí)刻光纖位置

l

處在時(shí)間窗

T

內(nèi)的瑞利散射信號(hào)（Rayleigh backscattering signal，RBS）時(shí)間序列；mean(～,

T

)為在

T

內(nèi)取均值；次冪

n

為增強(qiáng)信噪比，本文取4。信號(hào)中心矩的計(jì)算過(guò)程本質(zhì)上利用了系統(tǒng)和環(huán)境噪聲圍繞信號(hào)真值小幅波動(dòng)的特點(diǎn)，在高階放大作用下可直觀區(qū)分出突變點(diǎn)位。2）極差法。該方法計(jì)算時(shí)間窗內(nèi)各位置點(diǎn)的信號(hào)極差

D

作為第2類(lèi)定位參量：

式中，min為取最小值運(yùn)算。信號(hào)極差為差分定位參量的一種，盡管理論上以初始RBS作為基準(zhǔn)即可得到差分峰值，但由于相位噪聲、光源頻漂和溫度波動(dòng)的影響，很多情況下效果并不理想。搜索動(dòng)態(tài)時(shí)間窗內(nèi)的信號(hào)極差，能較好地捕捉短時(shí)間內(nèi)信號(hào)的起伏，不受基線漂移影響，且計(jì)算量較小。

3）空間平均峰度法。該方法計(jì)算空間平均峰度作為第3類(lèi)定位參量

D

，

t

時(shí)刻位置

l

處的

D

由式（3）得到：

4）特征頻率法。對(duì)于管線泄漏、工程振動(dòng)等具有一定頻譜但強(qiáng)度較弱的擾動(dòng)，上述3類(lèi)參量信噪比可能過(guò)低，為此本系統(tǒng)使用特征頻率法進(jìn)行定位。首先，對(duì)各位置點(diǎn)的RBS時(shí)間維信號(hào)進(jìn)行帶通濾波；然后，移動(dòng)時(shí)間窗逐步作短時(shí)傅里葉變換，取窗格內(nèi)響應(yīng)最大的頻率作為特征頻率；最后，對(duì)其乘以此頻率的信號(hào)幅值形成最終的定位熱點(diǎn)圖像。

考慮到不同定位參量對(duì)外界作用類(lèi)型的敏感程度各異，因此多參量定位方法可有效提高識(shí)別精度。故在決策時(shí)取上述參量中吻合度最高的兩類(lèi)定位圖像的熱點(diǎn)展寬中心之均值作為定位結(jié)果。此外，結(jié)構(gòu)或環(huán)境局部異常溫度變化也屬于一類(lèi)特殊的擾動(dòng)形式，本系統(tǒng)通過(guò)拉曼測(cè)溫纖芯可實(shí)時(shí)測(cè)量沿纖溫度場(chǎng)，通過(guò)OTDR原理能直接定位異常點(diǎn)位，且不受變形、振動(dòng)等因素的影響。

1.3 多指標(biāo)擾動(dòng)定量方法

由于直檢型φ-OTDR的光強(qiáng)信號(hào)與光纖變形之間具有隨機(jī)的非線性、多值映射關(guān)系，無(wú)法定量監(jiān)測(cè)擾動(dòng)強(qiáng)度，因此不具備危險(xiǎn)性的外部作用會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)。擾動(dòng)量化分析可剔除干擾事件，進(jìn)一步為模式識(shí)別、預(yù)警評(píng)估等提供更豐富的量化特征。

本系統(tǒng)采用多指標(biāo)擾動(dòng)定量方法，以FBG纖芯的應(yīng)變時(shí)程為依據(jù)，計(jì)算擾動(dòng)發(fā)生2 s內(nèi)的應(yīng)變時(shí)程包絡(luò)線均值（average strain envelope，ASE），以此作為第1類(lèi)指標(biāo)；但FBG所得為點(diǎn)式應(yīng)變且刻寫(xiě)數(shù)量有限，難以反映整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)，如果擾動(dòng)處在光柵串組之外，則無(wú)法求得ASE。為此，本文提出RBS擾動(dòng)量化算法，以φ-OTDR纖芯的RBS振動(dòng)信號(hào)為依據(jù)進(jìn)一步構(gòu)建擾動(dòng)指標(biāo)，其計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

圖2 RBS擾動(dòng)量化計(jì)算過(guò)程Fig. 2 Overall flowchart of the perturbation quantification based on RBS

該算法包含3個(gè)計(jì)算階段。第1階段，預(yù)處理。設(shè)置系統(tǒng)已知參數(shù)，根據(jù)第1.2節(jié)的定位方法確定擾動(dòng)位置，提取該區(qū)段的RBS圖樣。第2階段，建立實(shí)用散射模型。讀取RBS圖樣，以瑞利散射模型為內(nèi)嵌物性方程，建立光纖變形與光強(qiáng)信號(hào)圖樣的數(shù)組映射關(guān)系，設(shè)計(jì)了模擬RBS生成器和多參數(shù)優(yōu)化求解器以實(shí)現(xiàn)模型關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)變–光強(qiáng)非線性方程組求解，由此建立可供實(shí)際應(yīng)用的實(shí)用散射模型。該階段運(yùn)算會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)RBS集進(jìn)行迭代學(xué)習(xí)，計(jì)算出模型最優(yōu)關(guān)鍵參數(shù)和等效初始應(yīng)變，其中，關(guān)鍵參數(shù)指光纖的平均折射率、瑞利損耗系數(shù)、等效散射點(diǎn)間隔和功率因子4項(xiàng)，確定關(guān)鍵參數(shù)的原則為盡可能使瑞利散射模型具備與真實(shí)系統(tǒng)一致的信號(hào)響應(yīng)。如果人為設(shè)定或計(jì)算不佳得到次優(yōu)解，會(huì)導(dǎo)致模型偏離真實(shí)系統(tǒng)，致使后續(xù)應(yīng)變計(jì)算失準(zhǔn)，產(chǎn)生誤差傳遞，因此需采用多參數(shù)優(yōu)化方法予以求解。第3階段，擾動(dòng)量化分析。讀取擾動(dòng)時(shí)的RBS圖樣，以第2階段所得數(shù)學(xué)模型為函數(shù)媒介，通過(guò)自然計(jì)算方法近似求解每條RBS對(duì)應(yīng)的1維應(yīng)變場(chǎng)并沿時(shí)間軸、長(zhǎng)度軸張成應(yīng)變時(shí)空分布矩陣，隨后導(dǎo)出該矩陣的最大應(yīng)變能均方根（square root of the maximum strain energy，RMSE）、時(shí)均應(yīng)變（time-averaged strain，TAS）和應(yīng)變變異系數(shù)（strain deviation，SD）即矩陣標(biāo)準(zhǔn)差，此三者分別與結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)力響應(yīng)、宏觀變形程度和荷載性質(zhì)相關(guān)。將上述3種指標(biāo)歸一化構(gòu)成3維基矢量，取其模長(zhǎng)為綜合量化指標(biāo)（disturbance index，DI），可進(jìn)一步減少光源頻漂、溫度波動(dòng)及局部擬合欠佳導(dǎo)致的求解誤差。最后，綜合評(píng)估FBG與φ-OTDR所得定量指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)強(qiáng)度的多指標(biāo)量化分析。

1.4 系統(tǒng)安防監(jiān)測(cè)功能設(shè)計(jì)

基于上述多芯光纖傳感機(jī)理與擾動(dòng)定位定量方法，本系統(tǒng)的功能組成如圖3所示。

圖3 多芯光纖安防工程一體化同步感知系統(tǒng)框架Fig. 3 Framework of the multicore fibre based monolithic sensing system of security engineering

具體系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下：

1）多參量擾動(dòng)定位與多指標(biāo)擾動(dòng)定量識(shí)別。通過(guò)φ-OTDR光強(qiáng)時(shí)序信息和FBG應(yīng)變時(shí)程提取擾動(dòng)特征，構(gòu)建多種定位、定量指標(biāo)。φ-OTDR通道采用的RBS擾動(dòng)量化算法在求解分布式應(yīng)變場(chǎng)時(shí)，依靠同一時(shí)刻各FBG的應(yīng)變值確定應(yīng)變求解域，提高其可解范圍和計(jì)算精度；反之，φ-OTDR的結(jié)果更能反映整體結(jié)構(gòu)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)，所得指標(biāo)可以彌補(bǔ)FBG單點(diǎn)測(cè)量對(duì)擾動(dòng)評(píng)估的不足。該設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了分布式與點(diǎn)式測(cè)量各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)充、結(jié)果互佐的效果。

2）關(guān)鍵區(qū)域點(diǎn)式應(yīng)變與細(xì)部溫度監(jiān)測(cè)。覆蓋光柵串組的區(qū)域由FBG傳感纖芯監(jiān)測(cè)局部結(jié)構(gòu)響應(yīng)，配合其他纖芯定位并量化擾動(dòng)；同時(shí)可根據(jù)拉曼溫度場(chǎng)的定位結(jié)果針對(duì)性地測(cè)量細(xì)部溫度。

3）精細(xì)化火災(zāi)（過(guò)熱）預(yù)警與溫度補(bǔ)償。拉曼分布式測(cè)溫纖芯RDTS實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境和結(jié)構(gòu)溫度，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱預(yù)警功能；與每個(gè)FBG空間位置、采集時(shí)間對(duì)應(yīng)的拉曼溫度時(shí)程乘以相應(yīng)熱敏系數(shù)后得到FBG波長(zhǎng)漂移的溫度增量并予以剔除（所有FBG均事先通過(guò)水浴實(shí)驗(yàn)標(biāo)定了其熱敏系數(shù)），實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)量的溫度補(bǔ)償。

4）預(yù)警發(fā)布和報(bào)告生成。開(kāi)發(fā)可視化交互界面及監(jiān)測(cè)程序，具備實(shí)時(shí)呈現(xiàn)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)動(dòng)態(tài)圖像、自主分析并發(fā)布預(yù)警信息、生成監(jiān)測(cè)報(bào)告書(shū)等功能。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

本系統(tǒng)已布設(shè)于武漢地震工程研究院邊界防護(hù)圍欄。該單位存放有大量貴重精密儀器，對(duì)人員干擾、周邊振動(dòng)較為敏感，亟需布置一套入侵?jǐn)_動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以防安全事故發(fā)生。本研究受業(yè)主委托，針對(duì)其辦公樓南側(cè)周界鐵制圍欄布設(shè)多芯光纖安防工程一體化同步感知系統(tǒng)。邊界總長(zhǎng)約122 m，高1.8 m。共由27個(gè)單元組成，節(jié)間長(zhǎng)度3.2 m，含常開(kāi)門(mén)1處。

監(jiān)測(cè)路徑共包含3種類(lèi)型。1）標(biāo)準(zhǔn)圍欄：遵循U型布設(shè)原則，增加單位跨度上的光纖感知區(qū)域以提高識(shí)別率，如圖4（a）所示。用502膠水分段張拉固定后，每30 cm用扎帶綁扎至圍欄上，再涂覆環(huán)氧膠固定，凝固后涂覆防銹漆。兩個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)單元各覆蓋有4組FBG。2）東側(cè)門(mén)禁：布設(shè)方法與前者類(lèi)似，其路徑見(jiàn)圖4（b），光纖經(jīng)過(guò)東側(cè)門(mén)禁后向西繞回，并沿圍欄下方地面溝槽內(nèi)部敷設(shè)80 m。3）機(jī)房圍墻：沿頂端直線布設(shè)。監(jiān)測(cè)區(qū)域光纖總長(zhǎng)約340 m。

圖4 光纖布設(shè)路徑Fig. 4 Deployment path of the optical fibre

為評(píng)估本系統(tǒng)的工作性能，布設(shè)完成后模擬真實(shí)擾動(dòng)事件進(jìn)行工況測(cè)試，工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，包括門(mén)禁開(kāi)關(guān)、非法逾越、人為入侵（3種形式，即擺錘沖擊圍欄、鐵棍敲擊圍欄、質(zhì)量塊沖擊圍欄）、工程振動(dòng)、火災(zāi)（過(guò)熱）預(yù)警等工況。

表1 模擬擾動(dòng)工況
Tab. 1 Disturbance tests

工況名稱(chēng)測(cè)試方法門(mén)禁開(kāi)關(guān)開(kāi)門(mén)、步行通過(guò)、關(guān)門(mén)非法逾越晃動(dòng)圍欄人為入侵1擺錘沖擊圍欄人為入侵2鐵棍敲擊圍欄人為入侵3質(zhì)量塊沖擊圍欄工程振動(dòng)激振器振動(dòng)地面火災(zāi)（過(guò)熱）預(yù)警暖風(fēng)源加熱圍欄光纖

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 多參量擾動(dòng)定位結(jié)果

進(jìn)行擾動(dòng)定位測(cè)試，先后實(shí)施門(mén)禁開(kāi)關(guān)、工程振動(dòng)、非法逾越、人為入侵1、人為入侵2等5個(gè)工況，實(shí)施方式如表1所列。

以門(mén)禁開(kāi)關(guān)工況為例，圖5展示了光強(qiáng)信號(hào)圖樣及定位結(jié)果的可視化監(jiān)測(cè)界面。定位參量識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖6，其中，

D

和

D

直觀反映了兩次出入事件的位置與持時(shí)（17～33 s、55～71 s）。

圖5 門(mén)禁開(kāi)關(guān)工況可視化監(jiān)測(cè)界面Fig. 5 Visual UI of the access control test

由圖6可知：

D

的信噪比最佳，達(dá)到16.56 dB；

D

噪點(diǎn)較多但峰值中心與

D

相符；同時(shí)

D

也在對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)明顯突增；三者峰值定位結(jié)果為265.8 m（圖6中紅色虛線），符合門(mén)禁所在的實(shí)際位置260～273 m。

圖6 門(mén)禁開(kāi)關(guān)工況下定位參量特征圖像Fig. 6 Feature maps of the localization parameters in the access control test

在工程振動(dòng)工況（圖7）中，通過(guò)定頻馬達(dá)激勵(lì)地面，經(jīng)瀝青和混凝土基質(zhì)后振動(dòng)會(huì)急劇衰減，溝槽內(nèi)光纖響應(yīng)較弱，故采用特征頻率法進(jìn)行定位。以40 Hz激振為例，工程振動(dòng)工況的特征頻率和信號(hào)中心矩的定位結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8（a）可知，其特征頻率的熱點(diǎn)呈現(xiàn)明顯的連續(xù)窄帶圖樣，集中在327 m處，實(shí)測(cè)值為42.55 Hz，定位和頻率結(jié)果與實(shí)際工況相符。由于擾動(dòng)過(guò)小，

D

等3種定位參量的信噪比較低，圖8（b）以

D

結(jié)果為例，可見(jiàn)振動(dòng)信號(hào)幾乎被噪聲淹沒(méi)。因此，特征頻率法可與前述方法相互補(bǔ)充，多種定位參量發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，進(jìn)一步擴(kuò)展了本系統(tǒng)的擾動(dòng)感知域。

圖7 工程振動(dòng)工況Fig. 7 Engineering vibration test

圖8 工程振動(dòng)工況定位參量特征圖像（40 Hz）Fig. 8 Feature maps of the engineering vibration at 40 Hz

人為入侵1（擺錘沖擊圍欄）、非法逾越、人為入侵2（鐵棍敲擊圍欄）工況的

D

、

D

、

D

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。圖9（a）～（c）中，為了驗(yàn)證多點(diǎn)定位能力同步施加了門(mén)禁開(kāi)關(guān)工況。由圖9可知，各工況定位誤差＜1 m，且定位指標(biāo)的時(shí)域圖像展現(xiàn)出不同特征。例如：如圖9（a）～（c）所示，對(duì)圍欄102 m處施加擺錘沖擊的同時(shí)開(kāi)合門(mén)禁，兩處擾動(dòng)均可被同時(shí)識(shí)別，門(mén)禁

D

的熱點(diǎn)展寬和持時(shí)恒定，擺錘沖擊的熱點(diǎn)則隨時(shí)間呈明顯指數(shù)型塌縮。如圖9（e）所示，150 m處非法逾越工況造成帶狀片段式的

D

熱點(diǎn)，與人為晃動(dòng)的作用形式吻合。如圖9（g）～（i）所示，鐵棍敲擊185 m處時(shí)，

D

和

D

的熱點(diǎn)展寬達(dá)到約55 m，而

D

則呈現(xiàn)明顯單點(diǎn)峰值，定位效果更好。由此可見(jiàn)，本系統(tǒng)使用多種參量協(xié)同定位，不僅提高了定位精度，還可從熱點(diǎn)圖像中得到豐富的特征信息以供模式識(shí)別使用。

圖9 不同工況下各定位參量特征圖像Fig. 9 Feature maps of the localization parameters in different tests

3.2 多指標(biāo)擾動(dòng)強(qiáng)度量化結(jié)果

實(shí)施人為入侵3工況（質(zhì)量塊沖擊圍欄）測(cè)試系統(tǒng)的擾動(dòng)定量評(píng)估能力。該工況通過(guò)自由下擺形式對(duì)圍欄施加5種質(zhì)量塊所致的沖擊荷載，質(zhì)量塊分別為0.05、0.50、1.00、1.50和2.00 kg，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖10，沖擊距離依次為10、15、20 cm，共產(chǎn)生15個(gè)沖擊強(qiáng)度，每個(gè)沖擊強(qiáng)度重復(fù)3次并對(duì)結(jié)果取平均。先以高階中心矩法進(jìn)行擾動(dòng)定位，再計(jì)算FBG應(yīng)變時(shí)程的ASE，定位及定量結(jié)果見(jiàn)圖11。定位參量首先鎖定擾動(dòng)中心為111 m，定位結(jié)果見(jiàn)圖11（a）。提取沖擊位置臨近2個(gè)FBG的應(yīng)變時(shí)程，其中距離沖擊點(diǎn)最近的FBG2應(yīng)變時(shí)程見(jiàn)圖11（b），其振幅隨沖擊質(zhì)量同步增大。FBG1和FBG2應(yīng)變時(shí)程的ASE見(jiàn)圖11（c）、（d）。對(duì)比圖11（c）、（d）可以看出：FBG2整體動(dòng)力響應(yīng)更大，F(xiàn)BG1所得ASE則更?。浑S著沖擊距離或沖擊質(zhì)量的增加，ASE也逐步增大，反映了沖擊荷載的遞增趨勢(shì)，由此可直觀區(qū)分不同擾動(dòng)的強(qiáng)度。

圖10 質(zhì)量塊沖擊實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 10 Experimental configuration of the weight-impact test

圖11 人為入侵3工況中多指標(biāo)擾動(dòng)定量分析FBG纖芯監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 11 Disturbance quantification results through multi-index analysis via channel FBG in the manual intrusion test 3

采用RBS擾動(dòng)量化算法，對(duì)φ-OTDR纖芯的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行量化分析。為避免起始應(yīng)變過(guò)大而超出算法可解范圍，選擇每次沖擊后4.5 ～ 6.0 s之間的RBS作為學(xué)習(xí)集，每個(gè)學(xué)習(xí)集包含625×3個(gè)信號(hào)圖樣。由于沖擊起始時(shí)刻的信號(hào)（包含計(jì)算RMSE所必需的信號(hào)）未被選為學(xué)習(xí)集，故不使用RMSE，而是采用TAS、SD與DI這3類(lèi)指標(biāo)進(jìn)行擾動(dòng)定量評(píng)估。完成定位計(jì)算后，通過(guò)多參數(shù)優(yōu)化模塊確定瑞利散射模型中未知關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值（即RBS擾動(dòng)量化算法的第2步），所得最優(yōu)關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 質(zhì)量塊沖擊實(shí)驗(yàn)中瑞利散射模型的最優(yōu)關(guān)鍵參數(shù)
Tab. 2 Optimal core parameters of the Rayleigh scattering model in the weight-impact test

參數(shù)類(lèi)型最優(yōu)值平均折射率1.463 12瑞利損耗系數(shù)/m–11.578 95×10–5等效散射點(diǎn)間隔/m0.293 65功率因子0.539 10×10–3

以?xún)?yōu)化后的瑞利散射模型為函數(shù)關(guān)系，根據(jù)擾動(dòng)RBS反解應(yīng)變場(chǎng)，得出人為入侵3工況15種沖擊強(qiáng)度的擾動(dòng)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)圖12。由圖12可知：沿沖擊質(zhì)量增大方向，TAS的正相關(guān)性更明顯，在本例中的量化效果較好；而SD在1.5 kg附近出現(xiàn)跌落，并導(dǎo)致模量指標(biāo)DI也在此處減小。將SD與兩組FBG的ASE（圖11（c）、（d））對(duì)比可知，該沖擊質(zhì)量造成的ASE也存在低于趨勢(shì)線的情況，因此可能是由于擾動(dòng)工況本身的施加強(qiáng)度未達(dá)到預(yù)期導(dǎo)致SD減小。沿沖擊距離增大方向，3類(lèi)擾動(dòng)指標(biāo)在0.5 kg沖擊質(zhì)量以上的工況中均與沖擊距離呈良好正相關(guān)性，說(shuō)明擾動(dòng)強(qiáng)度過(guò)低時(shí)會(huì)影響方法的識(shí)別效果。此外，質(zhì)量塊沖擊本身存在一定不可控性，可能造成部分沖擊強(qiáng)度的擾動(dòng)指標(biāo)不穩(wěn)定。

圖12 人為入侵3工況中多指標(biāo)擾動(dòng)定量分析φ-OTDR纖芯監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 12 Disturbance quantification results through multi-index analysis via Channel φ-OTDR in the manual intrusion test 3

由此可見(jiàn)，本文提出ASE、TAS、SD、DI等4類(lèi)量化指標(biāo)協(xié)同評(píng)估的多指標(biāo)擾動(dòng)定量方法可有效避免單一指標(biāo)不穩(wěn)定的弊端，使得本系統(tǒng)更具魯棒性。綜上，4類(lèi)定量指標(biāo)彼此佐證，成功區(qū)分了不同大小的沖擊荷載，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明本系統(tǒng)提出的擾動(dòng)定位/定量方法在實(shí)際結(jié)構(gòu)上具有較高的可靠性，解決了普通單模光纖安防系統(tǒng)無(wú)法量化入侵強(qiáng)度的問(wèn)題。

3.3 火災(zāi)（過(guò)熱）預(yù)警工況結(jié)果

測(cè)試系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)與過(guò)熱點(diǎn)定位能力。本系統(tǒng)在兩根不同纖芯中復(fù)用RDTS與FBG，前者用于整體溫度場(chǎng)測(cè)量和局部異常溫度定位，后者可在其定位基礎(chǔ)上提取局部精確溫度結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離分布式火災(zāi)（過(guò)熱）預(yù)警。工況測(cè)試中使用暖風(fēng)源均勻加熱圍欄。

圖13為光纖沿線溫度場(chǎng)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)過(guò)程。由圖13可明顯看到：從1 min開(kāi)始，110 m附近出現(xiàn)熱點(diǎn)并持續(xù)升溫。此外，由于光纖沿程敷設(shè)介質(zhì)不同且部分區(qū)段處于背陰面，因此所得溫度場(chǎng)并非均勻分布。提取熱點(diǎn)位置臨近FBG的波長(zhǎng)時(shí)間序列得到其溫度時(shí)程，可見(jiàn)隨著持續(xù)加熱光柵附近溫度逐步遞增，在達(dá)到峰值（約14.4 ℃）后有小幅回落，整個(gè)過(guò)程與拉曼溫度圖像中110.8 m處的熱點(diǎn)時(shí)程特征高度吻合，驗(yàn)證了本系統(tǒng)對(duì)溫度場(chǎng)的異常點(diǎn)定位能力與細(xì)部測(cè)量能力。

圖13 火災(zāi)（過(guò)熱）預(yù)警工況下溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 13 Monitoring results of the temperature field in the fire (overheating) test

4 結(jié) 論

多芯光纖安防工程一體化同步感知系統(tǒng)通過(guò)空分復(fù)用φ-OTDR、RDTS和FBG 3種傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式應(yīng)變、溫度、頻率、響應(yīng)持時(shí)多參量同步傳感。通過(guò)在防護(hù)圍欄上實(shí)施7種擾動(dòng)工況驗(yàn)證了系統(tǒng)在感知測(cè)量和擾動(dòng)特征識(shí)別上的性能，可得如下結(jié)論：

1）本系統(tǒng)采用高階中心矩、信號(hào)極差、空間平均峰度及特征頻率等多種參量實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)定位，準(zhǔn)確識(shí)別了各類(lèi)工況作用位置，誤差＜1 m。

2）提出了多指標(biāo)擾動(dòng)定量方法，其中的RBS擾動(dòng)量化算法解決了直檢型φ-OTDR無(wú)法定量識(shí)別擾動(dòng)的問(wèn)題。結(jié)合FBG擾動(dòng)量化結(jié)果，所提出的4類(lèi)擾動(dòng)量化指標(biāo)在質(zhì)量塊沖擊測(cè)試中成功識(shí)別出15個(gè)強(qiáng)度的沖擊荷載。

3）RDTS測(cè)溫纖芯能監(jiān)測(cè)圍欄動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，成功識(shí)別了局部加熱點(diǎn)位，其結(jié)果與FBG纖芯高度吻合。

綜上，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多參量擾動(dòng)定位、多指標(biāo)強(qiáng)度量化分析、溫度補(bǔ)償、分布式溫度測(cè)量等功能。多參量混合傳感使得本系統(tǒng)可以基于多類(lèi)型的同步信息建立更復(fù)雜的模式特征。引入不同擾動(dòng)定位/定量指標(biāo)有效提高了系統(tǒng)的識(shí)別成功率、信息利用率，具有比傳統(tǒng)安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更高的可靠性、魯棒性。本系統(tǒng)是多芯光纖在安防工程領(lǐng)域傳感化應(yīng)用的成功實(shí)踐，有效解決了傳統(tǒng)安防系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息單一、可信度不足的問(wèn)題，突破了溫度應(yīng)變交叉敏感、缺乏定量感知能力等技術(shù)瓶頸，從而能服務(wù)于更復(fù)雜的工程應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)也應(yīng)注意到，本系統(tǒng)在功能集成和計(jì)算/測(cè)量精度方面還有進(jìn)一步完善的空間。例如：可在空余纖芯中復(fù)用馬赫增德干涉儀等技術(shù)，彌補(bǔ)系統(tǒng)在高頻測(cè)量上的短板；優(yōu)化光組模塊和解調(diào)算法，提高RDTS的測(cè)溫速率及精度，滿足時(shí)變溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)需求；此外，宜設(shè)計(jì)巖土擾動(dòng)、管道泄漏監(jiān)測(cè)等更多類(lèi)型的工程應(yīng)用場(chǎng)景以檢驗(yàn)系統(tǒng)的適用范圍。本研究將圍繞上述內(nèi)容開(kāi)展后續(xù)工作。