幾個月前，南京大勝關長江大橋鋪設分布式光纖檢測定位系統(tǒng)，可在幾秒鐘內實現(xiàn)實時預警，定位整個監(jiān)測范圍內的突發(fā)事件，為應急處理提供準確依據(jù)。

就像人類的“感覺神經(jīng)系統(tǒng)”一樣，這種“光纖振動傳感技術”可以應用于鐵路、橋梁、油氣管道和海底，通過連續(xù)監(jiān)測，可以準確地感知和定位外界擾動沿光纖的方向，從而填補了國內空的空白。通過不同的模型識別，該技術可以在幾秒鐘內實現(xiàn)預警。以前只聽得見“有沒有動靜”，現(xiàn)在聽得很清楚“什么在動”“怎么動”。

這種利用現(xiàn)有光纜實現(xiàn)鐵路沿線安全監(jiān)測的“高精度”光纖振動傳感技術，是國際首創(chuàng)。

今天河馬哥從智能建筑的角度分析光纖傳感技術的應用和特點。

01

光纖傳感——信息化的重要標志

光纖傳感技術始于1977年，隨著光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展，是衡量一個國家信息化程度的重要標志。目前世界上有溫度、壓力、流量、振動、速度、加速度、聲場、電流、電壓等數(shù)百種光纖傳感技術，廣泛應用于軍事、航空空航天、能源與環(huán)保、高端裝備制造、機器人、無人駕駛汽車、智能電網(wǎng)等諸多領域。

數(shù)據(jù)顯示，2018年全球光纖傳感市場預計將超過40億美元。這項始于20世紀70年代的技術以其獨特的優(yōu)勢成為全球熱點，這是其他載體和媒體無法比擬的，其研究和應用幾乎遍及所有領域。光纖振動監(jiān)測預警系統(tǒng)通過光纖測量周圍振動的頻率和位置，實現(xiàn)對危險源的識別和定位。分為信號采集和智能分析兩部分。

02

光纖振動感應原理

光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)同時使用光纖作為定位傳感器和微應變傳感器。當光纖受到外界振動的擾動時，會產(chǎn)生微應變，引起光纖內部傳輸?shù)墓庑盘柕念l率和相位發(fā)生微小變化。激光相干應力分析系統(tǒng)可以計算振動點的頻率、強度和位置信息。

微應變傳感技術是基于“光的干涉”原理。通常用兩根單膜光纖測量微應變，構成測量光干涉波的傳感器(如圖1所示)。

激光器向光纖發(fā)射連續(xù)的激光束。如果光纖沒有受到外界的干擾，如運動、聲波、觸摸等，或者兩根光纖同時受到相同的干擾，反射光不會發(fā)生變化；如果光纖受到外界干擾，反射光波形會發(fā)生變化，產(chǎn)生干涉像。光學探測器可以探測到這個波形的變化，通過軟件可以區(qū)分事件的真實情況。經(jīng)過處理，可以檢測出干涉強度和位置。相干激光器發(fā)射連續(xù)波激光束，光纖傳感器的頻率響應范圍為0hz ~ 1 MHz，通常只有1hz ~ 100 kHz。這種技術可用于檢測動態(tài)應變，響應時間以毫秒為單位。

振動源位置的計算:

l = 1/2vt = CT/2n；

v = c/n；

l:振動點到干涉儀右端的距離；

t:延遲時間；

c:真空中的光速；

n:光纖芯的折射率。

為了準確定位，需要將光纖的長度信息記錄到軟件中。經(jīng)過系統(tǒng)校正，定位精度可達50m m以內。

03

光纖振動半徑和距離監(jiān)測

利用光纜地震作為分布式傳感器是實現(xiàn)整個地下管線安全的最佳途徑。為了利用光纜實現(xiàn)地下管道安全的實時保護，需要保證光纜沿管道敷設。新建管道可與管道同溝直埋1根(或2根)4芯以上光纜，專門用作振動監(jiān)測的分布式傳感器。如果埋地管道有光纜敷設在同一溝內，光纜中多余的光纖(必須有三根)可以作為分布式傳感器。如果同一條溝內沒有敷設光纜，可以開挖，以后再敷設。

光纖有效監(jiān)控半徑

受目前儀器設備精度的限制，只能分析中心半徑2m以內光纖截面的振動聲信號。即光纜的有效監(jiān)測半徑只有2m，所以管道必須完全在以光纜為中心的封套內，否則部分管體得不到有效保護(如圖2)。

光纜有效監(jiān)測半徑雖然只受分析設備精度影響2m，但保護范圍不能擴大，監(jiān)測保護范圍問題可以通過敷設光纜解決。如果在管道上方對稱敷設兩根光纜(見圖3)，可以有效解決保護半徑過小的問題。根據(jù)具體需要，可以鋪設多根，擴大保護范圍。將光纜蛇形敷設在管道上也是一種擴大保護范圍的策略。蛇形敷設還可以提高探測震源位置的精度(見圖4)。

最大有效監(jiān)控長度

隨著光纖長度和接頭數(shù)量的增加，光纖中的激光信號逐漸減弱，光信號不可能無限遠地傳輸。要保證良好的檢測效果，信號的信噪比必須> 10: 1，光信號衰減必須< < 25dB。光信號衰減0.25dB/km，焊接0.2dB/點，光分配器3.6dB，光適配器0.3dB/點。40公里是合理的探測長度。當然，如果能保證信號強度和信噪比，突破40km的距離也不是不可能。目前，一些光纜振動監(jiān)測系統(tǒng)可以測量60公里的距離。

智能分析系統(tǒng)

信號源的頻率和位置可以計算，但需要智能分析系統(tǒng)來判斷信號源的類型和是否有危險。基于神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別技術開發(fā)了智能分析系統(tǒng)。智能分析系統(tǒng)可以對接收到的信號進行分類處理，自動學習人工處理模式，逐步糾正判別錯誤，提高信號判別的準確性。智能分析系統(tǒng)通過分析監(jiān)測到的振動聲音信號的強度、拍頻、頻率和形狀來獲得聲源類型，濾除干擾和自然信號，提取正確的報警信號。

信號強度分析

信號強度分析是根據(jù)信號的強度分析信號源與光纜的垂直距離，以聲音幅度提示報警事件。聲音信號類別和強度特性對應于表1。

序列號

信號類別

強度特性

一個

背景噪聲

聲音的振幅很小，甚至沒有波動

2

機油傳輸噪音

聲音幅度小、均勻、穩(wěn)定

三

人工攻擊

瞬時振幅可以達到飽和，間歇或連續(xù)

四

電動工具

強音

五

采掘設備

聲音很強

六

沖擊設備

聲音極其強烈

七

炸毀

聲音深度飽和度

表1信號強度特性對應表

信號節(jié)拍分析

信號拍頻分析是根據(jù)源聲波群的拍頻特征提取環(huán)境擾動，得到聲源類型。對應關系見表2。

序列號

信號類別

節(jié)拍特征

一個

氣動工具

反復打擊

2

重型沖擊錘

用力地吹啊吹

三

車輛行駛

沉悶的連續(xù)振動

表2信號拍頻特性對應表

信號頻率分析

聲音信號的頻率分析是通過聲源的頻率范圍來區(qū)分不同的環(huán)境擾動。見表3。

序列號

信號類別

頻率范圍

一個

輸油噪音

超過4000赫茲

2

電動工具

1000赫茲~ 2000赫茲

三

運輸手段

300赫茲~ 800赫茲

四

重型設備

低于200赫茲

表3信號頻率特性對應表

信號形態(tài)學分析

語音形態(tài)學分析是通過語音包絡形態(tài)學分析來提示入侵事件。見表4。

序列號

信號類別

形態(tài)特征

一個

氣動和電動工具

急劇上升仍在繼續(xù)

2

手動挖掘工具

快速上升和下降

表4信號形態(tài)學對應表

信號強度分析是根據(jù)信號的強度分析信號源與光纜的垂直距離，以聲音幅度提示報警事件。聲音信號類別和強度特性對應于表1。

特征學習

聲音特征學習是將列出的可疑報警事件手動確認或排除作為數(shù)據(jù)庫進行對比事件分析，得到是手動挖掘還是機械挖掘；水平鉆孔或垂直鉆孔；是表面爆破還是子彈射擊；是人為破壞還是自然災害？

智能聲音過濾

信號濾波的作用是記錄和保存常見的環(huán)境干擾、正常的人類活動和常見的干擾信號，用于常規(guī)的信號濾波。如:自然風、雨、雷、電；汽車、火車以及人類生產(chǎn)活動的生產(chǎn)加工環(huán)境產(chǎn)生的噪聲；無線電電磁干擾。

04

工程實例介紹

使用光纜可以實現(xiàn)地下管線安全預警，有效防止第三方破壞。安全預警系統(tǒng)分為監(jiān)控中心和現(xiàn)場監(jiān)控設備。監(jiān)控中心由計算機和智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成?，F(xiàn)場監(jiān)控設備由現(xiàn)場控制器(包括光收發(fā)模塊)、光分配模塊、光相干模塊和光耦合器組成。作為一種分布式傳感器，光纜中的光纖需要三根光纖，兩根作為檢測光纖，一根作為信號返回光纖，沿光纜拾取和傳輸振動信號。

光纜振動監(jiān)測系統(tǒng)在管道安全預警系統(tǒng)中的應用如圖5所示。

系統(tǒng)設備配置方案:

監(jiān)控中心電腦:1臺；

現(xiàn)場控制器和頭尾探測器:每40公里一套(具體數(shù)量根據(jù)走線長度合理配備)；

信號隔離模塊:幾套(根據(jù)現(xiàn)場地理條件配置)；

智能分析軟件:1套。

05

光纜振動監(jiān)測預警系統(tǒng)的應用前景

光纜振動監(jiān)測預警系統(tǒng)應用廣泛，在我國的應用前景極其廣闊。光纜振動監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以用于地下水、石油和天然氣管道的安全預警，還可以作為一種隱蔽傳感器檢測地面的入侵行為。如機場、車站、工廠、牧場的周界防范；它還可用于國家邊境非法入境的安全管理。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，光纖傳感器將與無線傳感技術一起在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮越來越重要的作用。光纖具有寬帶、大容量、長距離傳輸和多參數(shù)、分布式、低能耗傳感等顯著優(yōu)勢，將在物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應用。

某種程度上，沒有光纖傳感技術就沒有物聯(lián)網(wǎng)。它將成為物聯(lián)網(wǎng)的新寵，在未來市場占據(jù)更多份額。