几秒之内实现实时预警“光纤振动传感技术”

几个月前，南京大胜关长江大桥铺设了分布式光纤探测与定位系统，可以几秒内实现实时预警，对全程监控范围突发事件进行定位，为应急处置提供准确的依据。




就像人的“感知神经系统”一样，这项“光纤振动传感技术”，可用于铁路、桥梁、油气管线和海底，通过连续监测对光纤沿线的外界扰动进行精确感知和精准定位，填补了国内空白。通过不同的模型识别，这一技术一般在几秒之内就可以实现预警，过去只能听到“有无动静”，如今可以听清楚“什么在动”“怎么动”。

这项“高精尖”的光纤振动传感技术，利用既有光缆，实现铁路沿线安全监测，属于国际首创。

今天，河马哥将从智能建筑的角度，给大家分析一下光纤传感技术的应用与特点。




01
光纤传感，信息化的重要标志

光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的进步而迅速发展起来，是衡量一个国家信息化程度的重要标志。目前，世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、振动、速度、加速度、声场、电流及电压等，被广泛应用于军事、航空航天、能源环保、高端装备制造、机器人、无人驾驶汽车、智能电网等诸多领域。

数据显示，2018年全球光纤传感市场规模有望超40亿美元。这项始于20世纪70年代的技术，因其一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点，以及几乎在各个领域的研究与应用，成为全球热点。而光纤振动监测预警系统就是通过光纤测量周围振动频率及位置来实现对危险源的判别与定位的。它分为信号采集与智能分析两部分。



02

光纤振动感应原理

光纤振动监测系统是同时利用了光纤作为定位传感器与微应变传感器两种功能。光纤在受到外界振动干扰的情况下会产生微应变，微应变会使其内部传送光信号的频率相位等发生细微变化，通过激光相干应力分析系统就可计算出振动点的频率、强度及位置信息。

微应变传感技术是基于“光的干涉”原理，通常使用两根单膜光纤来测量微应变，构成用于测量光的干涉波的传感器(如图1)。



激光器向光纤发射连续的激光束，如果光纤没有受到外界的扰动，如运动、声波和触动，或者两根光纤同步受到相同的干扰，反射回的光不会发生变化；如果光纤受到外界的扰动，反射回光的波形将会发生变化，并产生干涉图像，光检测器可检测到这一波形的变化，而且通过软件可以分辩出事件的真实情况，经处理后可检测出干扰强度与位置。相干激光器发射是连续波激光束，光纤传感器的频率响应范围从0Hz～1MHz，通常情况下只需1Hz～100KHz。这项技术可以用来检测动态应变，响应时间在毫秒级。

振动源位置计算：

L=1/2vt=ct/2n；

v=c/n；

L：振动点位置到干涉仪右端的距离；

t：时延时间；

c：真空中的光速；

n：光纤纤芯折射率。

为了精确定位，需要将光纤的长度信息准确录入到软件中，通过系统修正，定位精度可达±50m之内。



03

光纤振动半径与距离监测

利用光缆震作为分布式传感器是实现地下管道全线安全的最佳方法。要利用光缆实现对地下管道安全的实时保护，必须保证管道沿线有光缆铺设。新建管道可以随管道同沟直埋一根(或两根)4芯以上光缆专门用做振动监测的分布式传感器。已埋设的管道如有同沟铺设的光缆，可以利用光缆中富余光纤(必须有3根)来作为分布式传感器。对于没有同沟铺设光缆的，可以后期重新开挖铺设。

光纤有效监测半径

受当前仪器设备精度所限，只能分析出光纤横截面为中心半径2m内振动声音信号。即，光缆有效监测半径只有2m，所以，管道必须完全处在光缆为中心2m包络线之内，否则将有部分管体受不到有效保护(如图2)。



虽然光缆的有效监测半径受分析设备精度影响只有2m，但保护范围也不是不能扩大的，可以通过光缆铺设方式来解决监测保护范围问题。如在管道上方对称铺设2根光缆(见图3)就可有效解决保护半径过小问题。根据具体需要也可铺设多根来扩大保护范围。将光缆蛇形铺设在管道上方也是扩大保护范围的一种策略。蛇形铺设还可以提高检测震源位置的精度(见图4)。



最大有效监测长度

由于光纤中的激光随光纤长度和接头数量的增加，信号逐渐减弱，所以，光信号不可能无限远的传输。要确保信号达到良好的侦测效果，必须保证信号的信噪比＞10:1，并须保证光信号衰减＜25dB。光信号衰减按0.25dB/km，熔接按0.2dB/点，光分配器按3.6dB，光适配器按0.3dB/点计算，40km是比较合理的侦测长度。当然若能够保证信号强度与信噪比，突破40km的距离不是不可能。目前有的光缆振动监测系统就可测60km的距离。

智能分析系统

对信号源的频率、位置可以通过计算得出，但对信号源种类及是否存在危险的判断可就需要靠智能分析系统了。智能分析系统是基于神经网络模式识别技术开发的，智能分析系统能对收到的信号进行分类处理，并能够自动学习人工处理模式，逐步修正判别误差，加强信号判别的准确程度。智能分析系统是通过对监测到的振动声音信号进行强度、节拍、频率、形态等多种分析而得出震源类型，过滤掉干扰及自然信号提取出正确报警信号的。

信号强度分析

信号强度分析是结合其他几项分析根据信号的强度分析信号源距离光缆垂直距离的远近，以声音幅度提示报警事件。声音信号类别与强度特征对应如表1。

序号

信号类别

强度特征

1

背景噪音

声音幅度很小，均匀无起伏

2

输油声响

声音幅度中偏小，均匀平稳

3

人为攻击

瞬间幅度可达饱和，断续或连续

4

电动工具

声音较强

5

挖掘设备

声音很强

6

冲击设备

声音极强

7

爆破

声音深度饱和

表1 信号强度特征对应表

信号节拍分析

信号节拍分析是以震源声音波群节拍特征提取环境扰动，得出声源类型。对应关系如表2。

序号

信号类别

节拍特征

1

气动工具

连发捶击

2

重型冲击锤

大力连发捶击

3

车辆行驶

沉闷续贯振动

表2 信号节拍特征对应表

信号频率分析

声音信号频率分析是以声源频率范围区分不同环境扰动。如表3。

序号

信号类别

频率范围

1

输油噪音

4000Hz以上

2

电动工具

1000Hz～2000Hz

3

运输工具

300Hz～800Hz

4

重型设备

200Hz以下

表3 信号频率特征对应表

信号形态分析

声音形态分析是以声音包络形态分析提示入侵事件。如表4。

序号

信号类别

形态特征

1

气动，电动工具

急升持续

2

手动挖掘工具

急升快降

表4 信号形态对应表

信号强度分析是结合其他几项分析根据信号的强度分析信号源距离光缆垂直距离的远近，以声音幅度提示报警事件。声音信号类别与强度特征对应如表1。

特征学习

声音特征学习是通过人工对收录可疑报警事件的确认或剔除作为数据库比对事件分析得出是手工挖掘还是机械挖掘；是水平钻孔还是垂直钻孔；是表面爆破还是子弹射击；是人为破坏还是自然灾害的。

声音智能过滤

信号过滤功能是将常见环境扰动、人类正常活动及常见干扰信号记录并保存用作常规信号过滤。如：自然风、雨、雷、电；人类生产活动用汽车，火车，生产加工环境噪音；无线电电磁干扰。



04

工程实例介绍

利用光缆可以实现地下管道安全预警，有效防止第三方破坏。安全预警系统分为监测中心与现场监测设备。监测中心由计算机及智能数据分析系统组成。现场监测设备由现场控制器(含光收发模块)、光分配模块、光相干模块及光耦合器等组成。光缆中的光纤作为分布式传感器，共需要3根光纤，两根作为探测光纤，一根作为信号回传光纤用于光缆沿线振动信号的拾取与传送。

光缆振动监测系统在管道安全预警系统应用如图5。




系统设备配置方案：

监控中心计算机：1套；

现场控制器、头尾探测器：每40km一套(具体数量应根据路由长度合理配备)；

信号隔离模块：若干套(根据现场地理情况配置)；

智能分析软件：1套。



05

光缆振动监测预警系统应用前景

光缆振动监测预警系统应用范围及其广泛，在国内使用前景极其广阔。光缆振动监测系统不光可以用于地下水、油、气管道的安全预警，还可以作为隐蔽式传感器对地面上的入侵行为进行侦测。如机场、车站、工厂、牧场的周界防范；还可以用于国界边境非法入境的安全管理。


而伴随着物联网技术的发展，光纤传感器将与无线传感技术一起在物联网中起到更为重要的作用。光纤同时具备宽带、大容量、远距离传输和可实现多参数、分布式、低能耗传感的显著优点，将在物联网中得到广泛应用。

从某种程度上可以说，没有光纤传感技术就没有物联网。它将成为物联网新宠，在未来的市场上占据更多份额。