（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）雙馬赫—曾德爾型分布式光纖入侵探測系統(tǒng)定位技術(shù)研究.pdf

杭州電子科技大學(xué)碩十學(xué)位論文 摘要 隨著科技的進步及社會的發(fā)展，人們對安防的需求越來越大，要求也越來越高。分向式 光纖入侵探測系統(tǒng)是基于光纖傳感技術(shù)發(fā)展起來的- - f - j 新型安防技術(shù)，具有靈敏度高、探測 距離遠、抗電磁干擾、成本低、耐腐蝕等多方面優(yōu)點，在管道泄露檢測、周界安全等領(lǐng)域極 具應(yīng)用前景。特別是在石油、化工等易燃易爆環(huán)境下，傳統(tǒng)的電子安防設(shè)備由于電火花的存 在，要做到符合防爆標(biāo)準(zhǔn)，非常困難；而光纖入侵探測使用的光纖傳感技術(shù)，本身就是防爆 的，應(yīng)用范圍更廣。 分布式光纖入侵探測技術(shù)分為反射型和干涉型兩大類，在干涉型分布式光纖傳感技術(shù)中， 雙馬赫一曾德爾型光纖傳感技術(shù)因其較優(yōu)越的定位性能和較低的成本，更受關(guān)注。但在工程應(yīng) 用過程中，雙馬赫一曾德爾型光纖入侵探測系統(tǒng)定位不穩(wěn)定，缺乏可靠性。本文在此背景下， 研究了影響系統(tǒng)定位性能的關(guān)鍵技術(shù)，并在嵌入式中實現(xiàn)了該系統(tǒng)。文章具體從以下幾個方 面進行了研究。第一章闡述了課題研究的背景和意義。第二章介紹了雙馬赫一曾德爾干涉定位 原理了并詳細介紹了基于互相關(guān)算法求取延時差的原理。第三章分析了影響系統(tǒng)互相關(guān)定位 性能的一些關(guān)鍵因素，首先分析、對比了三種不同互相關(guān)算法的定位效果，最終得出基于f f t 的快速互相關(guān)是定位性能最好的；其次分析了互相關(guān)原始數(shù)據(jù)長度、干涉信號采樣率和相關(guān) 系數(shù)長度對系統(tǒng)定位性能的影響，并對互相關(guān)系數(shù)長度的選取與傳感光纖的長度的關(guān)系進行 了分析；再次對噪聲和干涉信號頻率對互相關(guān)定位穩(wěn)定性的影蚋進行了分析，并提出了一種 定位自動篩選算法用于提高系統(tǒng)定位精度和穩(wěn)定性；最后分析了偏振態(tài)衰落對系統(tǒng)定位性能 的影響，并選擇了一種偏振衰落解決方案。第四章在第三章的理論分析基礎(chǔ)上，將雙m z 定 位算法進行了設(shè)計實現(xiàn)；首先對d s p 軟件開發(fā)平臺和軟件總體方案進行了介紹，然后詳細分 析 f f t 算法原理和軟件實現(xiàn)方法，并在d s p 中實現(xiàn)基于f f t i 拘快速互相關(guān)定位算法，最后介 紹了定位結(jié)果自動篩選算法和偏振控制算法在d s p 中的實現(xiàn)方法。第五章搭建了系統(tǒng)實驗平 臺，對系統(tǒng)定位原理和定位效果進行了實驗驗證。第六章對本論文進行總結(jié)，總結(jié)自己做出 的工作，并針對研究的不足提出展望。 本文通過對基于雙馬赫一曾德爾干涉定位系統(tǒng)的研究，分析了互相關(guān)算法的選取，互相關(guān) 函數(shù)參數(shù)、干涉信號、偏振衰落等因數(shù)對系統(tǒng)定位性能的影響，并提出了一些相應(yīng)解決方法， 提高了系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性。最后在d s p 中實現(xiàn)了互相關(guān)算法，并通過實驗對系統(tǒng)定位性 能進行了驗證。 關(guān)鍵詞：分布式光纖；入侵探測：定位；馬赫曾德爾干涉儀；快速互相關(guān)；f f t 杭州電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n ds o c i e t y ，t h er e q u i r i n go fp e o p l e sg r o w i n g d e m a n df o rs e c u r i t yb e c o m e dh i g h e ra n dh i g h e r d i s t r i b u t e df i b e ro p t i ci n t r u s i o nd e t e c t i o n s y s t e mi san e wt y p eo fs e c u r i t y t e c h n o l o g yb a s e do no p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y i th a s m a n yo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs e n s i t i v i t y ，l o n gd e t e c t i o nd i s t a n c e ，l o wc o s t ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，i n t e g r a t a b l ea n di m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n ds oo n s oi th a sw i d e l ya p p l i c a t i o np r o s p e c ti nl e a kd e t e c t i o n ，p e r i m e t e rs e c u r i t ya n do t h e rf i e l d s e s p e c i a l l yi nt h ep e t r o l e u m ，c h e m i c a la n d o t h e rf l a m m a b l ea n de x p l o s i v ee n v i r o n m e n t ，t h e t r a d i t i o n a le l e c t r o n i cs e c u r i t ye q u i p m e n ta r ed i f f i c u l tt ob ei nl i n ew i t he x p l o s i o n p r o o f s t a n d a r db e c a u s et h e p r e s e n c e o fs p a r k h o w e v e r ，f i b e r o p t i ci n t r u s i o nd e t e c t i o ni s a n t i e x p l o s i o nb e c a u s ei t s b a s e do nf i b e r o p t i cs e n s i n gt e c h n o l o g y s oi th a sm o r ew i d e l y a p p l i c a t i o np r o s p e c t d i s t r i b u t e df i b e ro p t i ci n t r u s i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sd i v i d e di n t or e f l e c t i v ea n d i n t e r f e r e n c e b a s e d d u a lm a c h z e h n d e rt e c h n o l o g y ，a so n eo ft h ei n t e r f e r o m e t r i cd i s t r i b u t e d f i b e ro p t i cs e n s i n gt e c h n o l o g y ，h a sb e e np a ym o r ea t t e n t i o ni ni n t e r f e r o m e t r i cd is t r i b u t e d o p t i c a lv i b r a t i o ns e n s o r sb e c a u s ei t sm o r es u p e r i o rp o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c ea n dl o w e rc o s t ， b u ti t si n s t a b i l i t yi nt h ep r o c e s so fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s s ot h i sp a p e rs t u d i e ds o m ek e y f a c t o r sw h i c h i m p a c t t h e s y s t e mp o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c e ，a n di m p l e m e n t e d i t i n e m b e d s y s t e m t h es p e c i f i c a r t i c l e sw e r es t u d i e df r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s t h ef i r s t c h a p t e rd e s c r i b e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e c h a p t e ri id e s c r i b e st h e d u a l m a t h z e h n d e ri n e r f e r o m e t e rp o s i t i o n i n gp i i n c i p l e s ，a n dd e t a i l st h ep r i n c i p l eo fs t r i k ed e l a y b a s e do ni h ec r o s s c o r r e l a t i o na l g o r i t h m c h a p t e ri i ia n a l y z e st h ek e yf a c t o r sw h i c hi m p a c t t h es y s t e mp o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c e f i r s t l y ，c o m p a r i n gp o s i t i o n i n gr e s u l t so ft h r e ed i f f e r e n t c r o s s c o r r e l a t i o na l g o r i t h m ，a n dc o n c l u d e dt h a tt h ef a s tf f t b a s e dc o r r e l a t i o ni st h eb e so n e s e c o n d l y ，a n a l y s i st h ei m p a c to ft h eo r i g i n a ld a t al e n g t h ，s a m p l i n gr a t e a n di n t e r f e r e n c e s i g n a lc o r r e l a t i o f il e n g t ht ot h es y s t e mp o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c e ，a n da n a l y s i st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h el e n g t ho ft h es e l e c t e dc r o s s c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h e 1 e n g t ho ft h es e n s i n g f i b e r t h i r t y ，a n a l y s i s t h ei m p a c to fs y s t e mp o s i t i o n i n gs t a b i l i t ya b o u tn o i s ea n dt h e f r e q u e n c yo fi n t e r f e r e n c e s i g n a l a n dp r e s e n t sa p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m f o ra u t o m a t i c s c r e e n i n gs y s t e mt oi m p r o v ep o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n ds t a b i l i t y ，f i n a l l y ，a n a l y s i st h ei m p a c t o fs y s t e mp o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c ea b o u tp o l a r i z a t i o nf a d i n g ，a n dp r e s e n t sap o l a r i z a t i o n f a d i n gs o l u t i o n 杭州電子科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 c h a p t e ri vd e s i g n e da n da c h i e v e dt h ed u l - m zp o s i t i o n i n ga l g o r i t h mi nd s pb a s e d o nt h et h e o r e t i c a lo fc h a p t e ri i i f i r s t l y ，i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m so fa n dt h e g e n e r a ls o l u t i o n so fd s ps o f t w a r e t h e nd e t a i l e da n a l y s i st h ef f ta l g o r i t h mp r i n c i p l e ，a n d i m p l e m e n tt h ef f t - b a s e df a s tp o s i t i o n i n go fc r o s s c o r r e l a t i o na l g o r i t h mo nd s p f i n a l l y p r e s e n t e dt h er e s u l t so fa u t o m a t i cf i l t e r i n ga l g o r i t h mp o s i t i o n i n ga n dp o l a r i z a t i o nc o n t r o l a l g o r i t h mi nt h ed s p c h a p t e rv b u i l dae x p e r i m e n t a lp l a t f o r ms y s t e ma n de x p e r i m e n t e do n i t c h a p t e rv is u m m a r i z e st h et h e s i s ，s u m m e du pt om a k et h e i ro w nw o r ka n dl a c ko f r e s e a r c hp u tf o r w a r df o rf u r t h e rw o r k a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c ho f p o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nd o u b l em a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r a n a l y z i n gt h ek e yf a c t o rw i c hi m p a c t t h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，s u c ha st h e s e l e c t i o no fc r o s s - c o r r e l a t i o n a l g o r i t h m ，t h ep a r a m e t e r so fc r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ， i n t e r f e r i n gs i g n a l s ，p o l a r i z a t i o nf a d i n ga n ds oo n ，a n dp r o p o s e ds o m em e t h o d st oi m p r o v e t h ep o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m f i n a l l y ，i m p l e m e n t st h ec r o s s c o r r e l a t i o n a l g o r i t h m o nd s pa n dv e r i f i e st h e s y s t e mb yp o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c eb a s eo nt h e e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e do p t i c af i b e r ，i n t r u s i o nd e t e c t i o n ，l o c a t i o n ，m a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r ，f a s tc r o s s c o r r e l a t i o n ，f f t i i i 杭州電子科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 課題研究的背景及意義 隨著經(jīng)濟、社會的高速發(fā)展，人們的安全需求變得越來越大，尤其是在大型基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng) 域，比如像機場、輸油管道、監(jiān)獄、通信電纜等，安全形勢非常嚴(yán)峻，非法入侵事件也在急 劇增加。由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，入侵的手段變得越來越隱蔽和高超，人們迫切需要一種新型 入侵監(jiān)測系統(tǒng)填補傳統(tǒng)安防技術(shù)的不足。 機場作為一個客流集中，安全需求高的地方，近年來時常發(fā)生的機場入侵事件，2 0 0 7 年 6 月1 4 同，英國泰晤士報報道在過去幾個月暈，利納特機場的野兔突然間成倍增加，數(shù) 量達到8 0 至1 0 0 只。2 0 0 8 年2 月，英國倫敦西斯羅國際機場發(fā)塵兩次非法入侵跑道事件， 致使部分跑道臨時關(guān)閉。 在管道運輸方面，由于其安全、經(jīng)濟、無污染等優(yōu)點，在我國能源需求旺盛的背景下得 到了飛速的發(fā)展。隨著東北和和環(huán)渤海石油管道、西氣東輸管道、中國到中亞的油氣管道、 中緬天然氣管道、中俄石油管道等一大批油氣管道的建成投入使用，我國油氣管道的總長度 已經(jīng)超過1 0 萬公里。 油氣管道的高速發(fā)展為國民經(jīng)濟做出了重大貢獻，但其面臨的安全形勢不容樂觀，偷油 盜油、施工破壞、自然災(zāi)害等造成油氣管道破壞屢見不鮮，且呈快速發(fā)展的態(tài)勢。油氣管道 由于運輸?shù)氖歉邏骸⒁兹?、易爆物質(zhì)，所以一旦漏油不及時阻止，帶來的不緊緊是財產(chǎn)損失， 很可能會造成大面積污染，給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來毀滅性的破壞。 2 0 0 5 年9 月1 4 日，廣州珠江黃埔大橋$ 3 0 合同施工過程中，引橋下的泥土發(fā)生移位， 導(dǎo)致其下輸油管道出現(xiàn)兩處裂口，泄露5 噸柴油： 2 0 0 6 年1 2 月2 6 日，尼r 利亞拉各斯市，由于人為破壞輸油管道偷盜石油引起大火，發(fā) 生爆炸，造成2 0 0 多人死亡。 2 0 0 9 年1 2 月3 0 日凌晨，陜西省華縣，第三方施工破壞導(dǎo)致中石油地下輸油管道發(fā)生泄 漏，共泄露1 0 0 多噸柴油，在渭河形成污染帶，1 月2 日，污染水體由渭河進入黃河干流。3 日三門峽水庫河水被污染，油污一度流過大壩，對河南境內(nèi)水質(zhì)造成影響。 2 0 1 1 年9 月1 2 同，肯尼亞首都內(nèi)羅畢市中心3 英里處的輸油管道泄漏引發(fā)了大火，輸 油管道發(fā)生泄漏時，當(dāng)?shù)鼐用裨噲D趁機偷搶燃料，結(jié)果不幸陷入大 火，造成了至少5 5 人死亡。當(dāng)?shù)鼐毂硎?，事故原因可能是有人?意破壞管道以偷取燃料。 油管泄露給人們帶來了巨大的財產(chǎn)損失，甚至奪走了很多無辜 的生命。那些偷油的“油耗子”們卻為了一己私利無視偷油帶來的 一切后果，并且他們的偷油手段也越來越隱蔽，不容易被察覺。在圖1 1 偷油設(shè)備 杭州電子科技大學(xué)碩七學(xué)位論文 滄州河間向石家莊煉油廠之間的原油輸送管道( 簡稱河石輸油管線) 深澤縣息馬段，有偷油 賊在輸油管道上打孔后，安裝閥門、塑膠管等設(shè)備后夜問偷油，白天用泥土覆蓋，如圖1 1 所示。 類似上述的各種入侵事故還有很多，而且會越來越多，如何進行有效的檢測預(yù)防變得迫 在眉睫，傳統(tǒng)的安防技術(shù)如視頻監(jiān)控、人工巡視、電子圍欄、紅外對射等由于技術(shù)本身的缺 陷，應(yīng)用受到很大的局限性。比如視頻監(jiān)控、和人工巡視嚴(yán)重依賴工作人員素質(zhì)和天氣條件， 光線很暗，就失去作用了；電子圍欄和紅外對射等技術(shù)，需要室外供電，受天氣影響較大， 且不適合長距離檢測。 光纖傳感技術(shù)是利用光纖對外界環(huán)境物理量變化進行檢測，光纖振動傳感技術(shù)足其中最 具代表性的技術(shù)之一，具有探測范圍廣、電絕緣性好、抗電磁干擾能力強、靈敏度高、耐腐 蝕、功耗低、傳感部分無需供電、幾何形狀方便等諸多優(yōu)點，很好的彌補了傳統(tǒng)安防技術(shù)的 不足，是安防領(lǐng)域最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。 目前市場上常見的光纖振動傳感器主要用于周界安防，這些安防系統(tǒng)大多都是防區(qū)型的， 每個防區(qū)可對入侵進行檢測，但無法識別。對于較大的防區(qū)范圍，需要劃分成很多防區(qū)進行 布防，每個防區(qū)還需要配套相應(yīng)的有源設(shè)備與之匹配，隨著防區(qū)數(shù)的增加，安防成本也會急 劇上升。發(fā)生入侵時，也只能定位到某個防區(qū)，無法精確定位，明顯增加了監(jiān)控人員的工作 負擔(dān)。分布式光纖振動傳感技術(shù)具有同時獲取振動信息在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間和空間的分 布的能力，能夠很好地滿足當(dāng)今社會日益增長的安防需求，在國防邊境線、石油天然氣管道、 軍事基地、飛機場等長距離安防領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。 1 2 分布式光纖振動傳感技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 光纖傳感技術(shù)【l 卅是2 0 世紀(jì)7 0 年代伴隨光纖通信技術(shù)發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，當(dāng)光源發(fā) 出的激光經(jīng)過光纖時，光纖外界的環(huán)境因素如溫度、壓力、電磁場等物理量變化會引起光纖 內(nèi)光強度、相位和頻率等的變化。光纖傳感技術(shù)可以探測各種物理量，因而很快引起人們的 重視，光纖傳感測振動技術(shù)也很快被應(yīng)用于振動入侵探測。 分布式光纖傳感器【卜8 l 是光纖傳感器中最具發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)展方向之一，主要分為反射涉型 和干射型兩大類。反射型分布式光纖振動傳感器利用光纖在外部擾動作用下產(chǎn)生的 r a y l e i l h f 9 1 、r a m a n 1 2 1 、b r i l l o u i n l l 3 - 1 6 等效應(yīng)進行測量；干射型分布式光纖振動傳感器利 用各種形式的干涉裝置把振動對干涉光路中光波的相位調(diào)制信號進行解調(diào)，從而得道被測參 量信息。其中干涉型分布式光纖傳感技術(shù)中又分為需要解調(diào)出干涉信號絕對相位和無需解調(diào) 干涉信號絕對相位兩種。 對于需要解調(diào)出干涉信號絕對相位的定位方法，我們需要分離兩個變量：入侵行為作用 在光纖上的應(yīng)變8 ( 0 引起的光相位變化( ，) 和作用位置z 。通過兩種干涉結(jié)構(gòu)的干涉輸出聯(lián)立 方程，消除矽( ，) 解出作用位置z ，實現(xiàn)定位。常見的定位技術(shù)有雙薩克納克【1 。7 2 0 1 、薩克納克和 馬赫一曾德爾【2 1 - 2 2 1 、薩克納克和邁克耳遜【2 3 l 等。 2 抗州電子科技大學(xué)碩十學(xué)位論文 對于無需解出干涉信號絕對相位的定位方法，根據(jù)兩種干涉結(jié)構(gòu)的干涉輸出信號相關(guān)特 性，通過求取干涉信號相位之問的時i 、日j 延遲實現(xiàn)對入侵行為的定位。該方法在后續(xù)處理過程 中無需求取絕對相位的大量微分、積分運算，實現(xiàn)較為簡單。常見的定位技術(shù)有雙馬赫一曾德 爾 2 4 - 2 9 】。 干涉型分布式光纖傳感技術(shù)作為一種新型定位技術(shù)，具有靈敏度高、探測距離遠、抗電 磁干擾、成本低、耐腐蝕等多方面優(yōu)點，在管道泄露檢測、周界安全等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。 在以上干涉型分布式光纖傳感技術(shù)中，雙馬赫一曾德爾型傳感技術(shù)因其較優(yōu)越的定位性能和較 低的成本，更受關(guān)注。國際上已經(jīng)制造出基于此項技術(shù)的成熟的產(chǎn)品，如澳大利亞的f f t 公 司和美國的o p t e l l l o s 公司的電子光纖圍欄產(chǎn)品，探測距離達到8 0 k m 以上，定位精度達到 l o m ；而f i b e rs e n s y s 公司制造的輸油管道預(yù)警傳感器，探測距離更是達到1 3 0 k m 。但國內(nèi) 的研究一直處于起步的階段，1 9 8 3 年才第一次召開光纖傳感系統(tǒng)全國會議1 3 0 1 。目前我國在溫 度、壓力、應(yīng)變、振動等物理量的光纖檢測領(lǐng)域進行了大量的研究，取得了一定的研究成果， 但由于工業(yè)基礎(chǔ)薄弱、工藝水平和相關(guān)技術(shù)水平落后，光纖傳感技術(shù)水平與發(fā)達國家差距較 為明顯，在雙馬赫一曾德爾干涉定位技術(shù)領(lǐng)域，定位不穩(wěn)定，缺乏可靠性。因此，本文著重在 提高雙馬赫一曾德爾型傳感系統(tǒng)定位性能的方法上展丌研究，對該項定位技術(shù)的應(yīng)用普及具有 非常重大的現(xiàn)實意義。 1 3 本論文的主要工作 本論文分為六個部分。 第一部分：緒論。 第二部分：雙馬赫一曾德爾干涉技術(shù)及其傳感原理。介紹了雙馬赫一曾德爾干涉技術(shù)的定、 位原理。同時，對基于互相關(guān)技術(shù)的定位算法進行了詳細分析。 第三部分：基于互相關(guān)算法的定位性能研究。分析了影響互相關(guān)定位性能的一些關(guān)鍵因 素，并提出了相應(yīng)的改進方法，提高了系統(tǒng)的定位性能。 第四部分：雙m z 干涉定位算法的d s p 實現(xiàn)。在第三章互相關(guān)定位性能研究基礎(chǔ)上，將雙 m z 定位的算法在d s p 中進行設(shè)計實現(xiàn)。 第五部分：系統(tǒng)定位實驗。利用設(shè)計好的雙馬赫曾德爾干涉定位儀搭建了系統(tǒng)實驗平臺， 并進行了定位實驗，實驗結(jié)果很好的驗證了所設(shè)計系統(tǒng)定位性能。 第六部分：總結(jié)與展望 杭州電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 第2 章雙m z 干涉定位原理及系統(tǒng)組成 2 1 系統(tǒng)定位原理 2 1 1 光纖傳感原理 光纖傳感的基本原理是基于光纖的彈光效應(yīng)，又稱之為光彈效應(yīng)。當(dāng)光波在傳感光纖中 傳播時，溫度、壓力、電場、磁場、轉(zhuǎn)動、位移等外界因素作用于傳感光纖，會直接或問接 地引起光波的振幅、相位、波長、偏振念等特征參量發(fā)生變化，因此我們可以通過測量傳感 光纖中光的特征參量變化來確定光纖外部的環(huán)境變化。光纖傳感原理示意圖如圖2 1 所示。 光纖 入射光波 亡= = 舀 出射光波 二= 二= 令 幽2 1 光纖傳感原理 2 1 2 光纖入侵探測原理 光纖入侵探測利用的是光纖傳感中的振動探測原理，當(dāng)外界振動作用于傳感光纖時，光 纖內(nèi)部傳輸?shù)墓庑盘栂辔粫l(fā)生變化，由于相位變化信號不易檢測，我們用干涉技術(shù)將其轉(zhuǎn) 換為光強變化，再用光電裝換器件( p i n 管) 對其檢測。本系統(tǒng)采用的是一種典型的雙束光 纖干涉儀：馬赫一曾德爾( m a c h z e h n d e r ) 光纖干涉儀7 , 3 1 - 3 2 ( 簡稱m z 光纖干涉儀) ，其原理 如圖2 1 所示，相干光從激光器發(fā)出后，分別送入兩個長度基本相同的單模光纖( 即m - z 光 纖干涉儀的兩臂) ，其中一個為探測臂，另一個為參考臂。從兩光纖輸出的兩束激光疊加后將 產(chǎn)生干涉效應(yīng)。實用m - z 光纖干涉儀由分光和合光兩個光纖定向耦合器構(gòu)成，是全光纖化的 干涉儀，提高了抗干擾能力。 圖2 im z 光纖干涉儀原理 4 p i n p i n 杭州電乎科技人學(xué)碩士學(xué)位論芰 光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器c 1 分別送入探測臂和參考臂時，會在耦合器c 1 處發(fā)生反射，反 射光射入激光器會產(chǎn)生很大的相位噪聲，因此我們需要在光源耦合器c 1 處加入一個光纖隔離 器，使得激光器光源單向通過，反射光被隔離。 為了方便分析兩路p i n 管的輸出信號，我們忽略偏振效應(yīng)，假沒m 為信號臂，廠為參考 臂；e o 是光源的電場矢量；碭為光束從耦合器到參考端面，并反射回耦合器所需時間，o 為 光束從耦合器到待測物理端面，并反射回耦合器所需時間；為光束從耦合器到到待測物理 端面，并反射回耦合器所需相位延遲，似為光束從耦合器到到參考端面，并反射回耦合器所 需相位延遲；k 表示耦合器分束比，局表示直接傳輸部分，恐表示耦合傳輸部分。 我們由雙束干涉原理【2 9 3 3 】可知，兩個p i n 干涉輸出分別為： 巨= k 2 ，e x p ( f 辦) 毛。s o ( 0 ) + 島，e x p ( i ，) 毛，s o ( 0 ，) 最= 哎，e x p ( i , ) k 1 。e o ( r ，) + 也。e x p ( i 痧, 。) 毛，磊( ) 將光源電場矢量表示轉(zhuǎn)換為光強表示，兩個p i n 干涉輸出分別為： 1 1 = 1 0 1 一v c o s ( 妒m + q j 拋 1 2 = 1 0 1 一v c o s ( 妒m + 9 j 】 其中，o = 霹( ) = 曰( r ，) = ( f ，) 毛( f ，) ，表示進入光纖的光強；y 為干涉條紋對比度。 2 1 3 雙m z 干涉定位原理 為了實現(xiàn)對破壞行為的定位，我們利用馬赫一曾德爾干涉儀原理構(gòu)建了雙馬赫一曾德爾結(jié) 構(gòu)的干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)，如圖2 2 所示： i ei1 、：，s 2 ，i ：一一一j 三：i ，a t ) - 7 - 一j ! j l i j 二j ：；t ，1 ： 一c l 一、一：二一、一_ h 一2 一二二f 2 一二l 于_ 1 ；l d 一+ 一j ) 一一 十：二一，。，c 一 r ! 二j f 3 。 ! 。j 、一一一 rf 、) i 堙糾：一7 t 一 l j i 廣一1 圖2 2 雙馬赫一曾德干涉儀分布式傳感系統(tǒng) 在圖2 2 所示傳感結(jié)構(gòu)中，主要包括長相干光源l d ，1 2 耦合器c l 、c 3 、c 4 ，2 2 耦 合器c 2 ，傳感光纖f 1 、f 2 ，傳導(dǎo)光纖f 3 以及探測器p 1 、p 2 0 廠矗夕為外界作用振動，z 為定 位距離。l d 發(fā)出的激光經(jīng)c 1 后分正反兩路進行傳輸，當(dāng)外界振動作用在傳感光纖上時，兩 路信號分別在c 2 、c 3 上形成干涉，p 1 、p 2 對其光強進行接收。 根據(jù)干涉理論，p l 和p 2 接收到的干涉光強分別為： ，l 2 吉厶+ 吉厶c 。s ( ( 1 一k ) z x 矽( t - q ) ) ( 2 1 ) 1i 。+ 扣s 卜腳( 卜竿+ 萬) 眨2 ， 杭州電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 設(shè) i “囂囂一：( i i 叫聲一i 盤囂? ! r ”吾囂。1 則式( 2 1 ) 式和式( 2 2 ) 式可表示為： 芻丟厶+ 吉厶孟( 吼+ ( 1 一k ) 壩f 1 ) ) _ 苧塑! ! 一光二槔，- r 竺情：叮一- ，i ；暮皇苧苧! _ ( j 三三三三 t 中情 r _ 可卜了醉j _一1 f + 囂品一k 一 上兩式去掉直流項可得： v _ 8 1 i 。c 。s ( ( 1 一k ) 矽( f r ) ) 厶= 一吉1 0 c o s ( ( 1 一k ) 。一f ：) ) 將式( 2 7 ) 式取相反數(shù)，可得： ，= i 1 厶c 。s ( ( 1 一k ) ( ，一1 ) ) i 厶，2 言厶c 。s ( ( 1 - k ) 矽( f f z ) 式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 信號為同一外界振動引起的正反兩路干涉信號， 具有一定延時的互相關(guān)信號。設(shè)延時差為厶f ，可得： 一，n ( 2 z ) a r = r 2 一q m 三 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 因此i l r 幫1 2 ，為 ( 2 1 0 ) 由于延時厶r 是由于入侵信號沿正反兩路傳輸?shù)穆烦滩顩Q定的，考慮到路程差為2 z ，光 在光纖中的速度為c n ，可得： z ：生堅( 2 1 1 ) z = 一 z ， 2 力 其中，n 為光纖折射率、c 為真空中的光速。從( 2 1 1 ) 式可以看出，定位距離z 僅是 信號時延差厶f 的函數(shù)。所以求出兩路信號的時延差厶r ，就可求出定位距離z 。 2 1 4 互相關(guān)定位算法原理 2 1 4 1 相關(guān)系數(shù) 在實際工作中，我們經(jīng)常需要比較兩個信號波形是否相識，我們習(xí)慣從直從觀上比較波 形的起伏變化情況，可以看出下圖2 3 中的兩幅圖波形起伏不一樣，明顯不相似；圖2 4 中 的兩幅圖振幅不一樣，但形狀相似，因為圖2 4 中兩幅圖雖然振幅不一樣，若將朋放大口倍， 則粕與肋波形起伏變化基本相同，所以說與n 是相似的。 6 一 杭州電子科技入學(xué)碩士學(xué)砭論文 圖2 3 不相識的圖形( 上圖為碭，下圖為) 圖2 4 相識的圖形( 上圖為x n ，下圖為) 從上面的分析可以看出，只要某個取適當(dāng)?shù)臄?shù)a ，就可以使島與口哦( m 刀冬加) 相接 近。數(shù)學(xué)上為了定量的衡量兩個波形間的相似性，通常采用誤差能量法，即考慮誤差能量 q = 衰三而薹( 以川嘰) 2 娩j 2 ) 當(dāng)口取某個值，使q 的值達到最小時，x 。與口嘰相似程度最高。要求q 的最小值，即 求口使磐：o ，也即： 7 杭州電子科技人學(xué)碩一 ：學(xué)何論文 解得 塑：點蘭2(一口dy(訓(xùn)da n 2 一nl 七1 怠、l 一“。 = 南瞧x n y , - 糾- o ， 吒乩 口2 1 蘆一 此2 ”= j 、- 將式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 2 ) 可得到誤差能量 q = 礦哥 赫一劃 ”m 兒2 磊q _ 1 _ 九( ) 2 一l + 1 ，氙” 由施瓦澤不等式知 島( l ，2 ) = n 2 i 此l n = n i i n 、 矗 月= n 。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 凼此司得 i 氏( l ，2 ) 懌1 由相對能量誤差公式( 2 1 6 ) 可知，當(dāng)l p v ( n , ，2 ) l 越近1 時，相對誤差能量越小，與 口哦也就越相似。當(dāng)l p x y ( y l ，2 ) i _ 1 時，相對誤差能量a = o ，由式2 1 2 可知，2 口既，這 說明x n 與朋完全相似或者完全線性相關(guān)；當(dāng)l 以，( l ，n 2 ) | _ o ，相對誤差能量q = j ；與m 完 全不相似或線性無關(guān)。因此，可用p a n , ，n 2 ) 作為衡量兩個波形x n 與在刪，叼上的相似 杭州l 電孚科技犬學(xué)碩士學(xué)位論支一? ： 性或線性相關(guān)性的一種度量，我們稱 2 魄p x y ( n , ，n 2 ) 2 受 ， 4 ：+ 為翰與辦的相關(guān)系數(shù) 由于實際應(yīng)用中信號與朋一般為有限能量信號，即吒2 秈， ”= 式( 2 1 7 ) 可化簡為 ， 藝此 p 叫2 ( 2 1 7 ) 2 、 麗 c 旦 三 口1 d 0 0 d2 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 0 n 圖3 2 1 低頻干涉信號波形 實際測量中，j 下常的入侵干涉信號頻率一般在1 0 k 以上。因此，我們可以在干涉信號采 樣前加一帶通濾波器，將低頻信號濾除，從而濾除低頻干涉信號對互相關(guān)定位穩(wěn)定性的影響。 3 4 定位結(jié)果自動篩選算法 當(dāng)系統(tǒng)的入侵檢測機制檢測到入侵后，會觸發(fā)互相關(guān)算法模塊進行定位運算。為了提高 定位的穩(wěn)定性和精度，常見的處理方法有兩種：一是增加互相關(guān)所需的原始干涉信號長度； 二是對同一入侵干涉信號截取多段后分別對每一段信號進行定位，再對多次定位的結(jié)果進行 平均。 兩種方法對提高互相關(guān)定位穩(wěn)定性和精度有一定的幫助，但都有一些缺陷。對于采集到 2 9 3 2 ， 0 卅 之 寸 杭州電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 干涉信號，可能會引入一些噪聲，造成兩路干涉信號有些時問段相似性較好，有些時問段相 似不好。這樣進行多次定位時，相似性不好的時間段的波形定位偏差較大，甚至是明顯的誤 定位。對多次定位結(jié)果進行平均雖然在一定程度上會減小定位誤差，但有些明顯的誤定位， 偏差特別大，直接平均反而會給定位結(jié)果帶來較大的偏差。增加互相關(guān)算法所需的原始干涉 信號的長度，其實也相當(dāng)于求更長一段時間波形的平均相似性，同樣存在平均時，個別段信 號波形不好給整體定位效果帶來較大誤差。 因此，我們考慮了一個算法，用來篩選掉偏離平均值較大的數(shù)據(jù)點，再進行平均，以增 加定位精度。每組數(shù)據(jù)求得平均值后，我們通過設(shè)定一個偏離閾值，將數(shù)據(jù)偏離平均值的距 離大于偏離閩值的點篩選掉，然后對剩余的點重新平均，通過控幣p u 帥- 選迭代次數(shù)和偏離閡值 可以很好地提高定位精度。同時為了防止定位出錯，當(dāng)多次篩選時剔除掉的數(shù)據(jù)超過總數(shù)的 一半時，提示定位失敗。 為了驗證該算法提高系統(tǒng)定位穩(wěn)定性的定位精度的效果，我們用采集卡采集了光纖的七 個不同空問位置( b - h 點) 的七組雙m z 干涉數(shù)據(jù)，測試點分布如圖3 2 2 所示。 l d p 1i 二 c l 一 ! - 7 圖3 2 2 測試點分布 然后用采集卡采集b h 七個點的入侵干涉信號，每個測試點采集3 0 組實驗數(shù)據(jù)，采集好 干涉數(shù)據(jù)后，在m a t l a b 中用互相關(guān)算法對其進行定位計算，得到的定位結(jié)果如圖3 2 3 所示。 1 0 0 0 0 5 0 0 0 暑 d c m j 0 5 0 0 0 圖3 2 3 篩選前定位結(jié)果 圖3 2 5 所示所示的定位結(jié)果中，有些偏差非常大，明顯是誤定位，我們用定位結(jié)果自動 3 0 杭州也吒科技炎警硬士學(xué)燃 篩選算法對其進行處理，得到的定位結(jié)果如圖b j2 4 所示：。處理時，該算法進行亍兩次迭代篩 選：第一次篩選時偏離閾值為2 0 0 0 m ；第二次篩選時偏離閩值為2 0 0 m 。 8 0 0 0 e 毫8 0 0 0 亡 o j 4 0 0 0 051 01 5z 0z 33 u3 5 n 矧3 2 4 篩選處理后延遲距離曲線 從圖3 2 3 和圖3 2 4 的對比中可以看出：經(jīng)篩選處理之后的圖形平坦了許多，所有的定 位偏差較大的點都被篩選。根據(jù)上述分析，經(jīng)過定位結(jié)果自動篩選算法兩次篩選后，每一組 中得到的定位結(jié)果都在2 0 0 m 誤差以內(nèi)，偏離平均值2 0 0 m 以上的點都已經(jīng)被篩選掉了，再對 篩選后各組定位結(jié)果分別進行平均，其定位精度更高。 3 5 偏振衰落對互相關(guān)定位性能的影響 在雙m z 干涉定位中，偏正衰落問題是一個技術(shù)難題。在實際應(yīng)用過程中，由于光纖的扭 曲、彎折、光纖折射率的分布不均勻、環(huán)境溫度的變化等原因?qū)е鹿獠ㄔ趩文９饫w中產(chǎn)生雙 折射效應(yīng)l ：4 7 j ，進而產(chǎn)生偏振態(tài)衰落現(xiàn)象4 9 1 。偏振態(tài)衰落會導(dǎo)致光信號的相位發(fā)生變化、使 干涉條紋可見度降低，反應(yīng)到電信號上，干涉信號電壓變小，信噪比變低；如圖3 2 5 所示。 ( a ) 偏振衰落較小 ( b ) 偏振衰落較大 圖3 2 5 偏振衰落對干涉信號的影響 偏振態(tài)衰落導(dǎo)致干涉信號信噪比變低，甚至導(dǎo)致干涉信號消失，使得光纖傳感靈敏度變 低甚至無法檢測。當(dāng)一路或者兩路干涉信號的信噪比太低時，互相關(guān)定位精度也就降下來了， 3 i 杭州電子科技人彳：碩。 ：學(xué)侮淪文 甚至有可能產(chǎn)生誤定位。由于導(dǎo)致光纖偏振念衰落的因素，如光纖彎折、光纖折射率分布不 均、環(huán)境溫度變化等都是不可控的，所以偏振衰落問題是雙m z 干涉定位中必須解決的一個問 題。 常見的偏振衰落解決方法主要有三種：一是通過偏振控制技術(shù)，在兩個光輸入端( 或兩 條傳輸光纖) 接入偏振控制器，手動或自動控制系統(tǒng)的偏振態(tài)；二是采用分集檢測消偏振衰 落技術(shù)；三是采用保偏光纖傳輸抑制偏振衰落技術(shù)。 a ) 機械偏振控制器偏振控制技術(shù) 由光纖雙折射效應(yīng)可知，光纖的扭曲、彎折等機械擾動會導(dǎo)致偏振態(tài)的變化【5 0 1 ，因此我 們可以在光纖偏振衰落較大時，對光纖加入為的機械擾動，達到調(diào)整偏振態(tài)的目的。常見的 偏振控制裝置如圖3 2 6 所示。光纖繞在繞在三個波片上，通過轉(zhuǎn)動光纖偏振控制器的三個波 片實現(xiàn)對光纖偏振念的控制。 光纖 圖3 2 5 機械式偏振控制器 b ) 分集檢測消偏振衰落技術(shù) p d r ( p o l a r i z a t i o nd i v e r s i t yr e c e i v e ，分集檢測消偏振衰落技術(shù)) 【5 1 ，5 2 1 ，最初在1 9 8 4 年 被n j f r i g o 等人提出【5 3 1 ，其原理是將干涉儀輸出信號通過透鏡擴束到一個貼有均勻分隔的n 個偏振膜，各偏振膜的偏振角度相差1 8 0 。n 的檢測器上，由n 個檢測器分別檢測不同偏振 態(tài)下的信號。這樣，n 路檢測信號經(jīng)過某種疊加技術(shù)，系統(tǒng)總能檢測到可見度不為零的干涉 信號。如圖3 2 9 所示。 參考臂 圓 圖3 2 9 分集檢測消偏振衰落技術(shù)原理圖 3 2 川哆、 、 11114l 杭州也子科技火。誓碩：p 學(xué)位論文 c ) 保偏光纖傳輸抑制偏振衰落技術(shù) p m f ( p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e r ，保偏光纖) ，是一種在光在光纖傳輸過程 中對線偏振光具有較將的保偏能力。保偏光纖在制造過程中，通過人為引入線性雙折射 的方式，使其本征雙折射遠遠超過環(huán)境因素引起的雙折射，因此光在傳輸過程中，偏振 態(tài)可以保持。但這種光纖造價昂貴；在實際工程中并不實用o 三種偏振衰落解決方案各有優(yōu)缺點，其優(yōu)缺點對比圖如下表所示。 表4 - i 各種偏振控制方案優(yōu)缺點對比 偏振控制方案是否自動控制一 實現(xiàn)復(fù)雜程度 成本 機械偏振控制技術(shù)手動 簡單低 分集檢測技術(shù)自動復(fù)雜低 保偏光纖自動 簡譯i 司 其中采用機械偏振控制技術(shù)，實現(xiàn)簡單，成本也非常低，但其需要手動淵整，工秤應(yīng)用 不方便。因此，在偏振控制技術(shù)上引入了一種自動控制技術(shù)，通