Page 176 - 《应用声学》2023年第4期

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40 能探测的情况；另一方面空间分辨率越大，单个周期
30 ҫᤴएᝠ2
ҫᤴएᝠ1 采样点个数越小，数据吞吐量越小，系统计算负载也
20
越小，因此采样空间分辨率设置为折中取值。
10
ࣨए/dB -10 0 ᑟᜂଊ฾ӝ۫(5 m) ˀᑟᜂଊ฾ӝ۫(15 m)

-20
-30
͜ਖАጜ
-40
-50
图 8 系统理论分辨率以及采样分辨率
-60
10 1 10 2 10 3 Fig. 8 Theoretic resolution of system and sampling
ᮠဋ/Hz
采集的光纤信号振动类型包括：铁锹拍打地面，
图 7 土壤土层振动衰减
简称人工锄地；伴行公路的车辆行走，简称车辆行
Fig. 7 Vibration attenuation of soil
走；大型机械挖掘机挖土作业，简称机械挖掘；机械
3 相干瑞利光纤传感振动信号分类识别 破锤水泥路面，简称机械破锤；压路机压平路面作
业，简称压路行走；重载货车行走，简称重车行走；铲
由于外部扰动信号 v (t, z) 到相位变化 θ (t, z)
车推土作业，简称铲车推土；钻孔机在光纤下方打孔
的映射函数 f (v (t, z)) 未知，传统的光纤预警系统 作业，简称定向钻孔，共8 种光纤传感振动类型。需
仅能判断外部扰动是否发生，通过对扰动前后的后 要将此 8 种振动信号与背景噪声进行分类识别，因
向瑞利散射光强相减得到差分信号，检测差值大小
此需要识别的信号种类为 9 种类型。采集的不同振
判断扰动信号是否发生 [6] 。这种方法由于要对多个 动作业类型总时长以及振动作业距离见表1所示。
周期的后向瑞利散射光强进行平滑估计，时间分辨
率低，同时系统的虚警较高。由于并不是所有的外 表 1 振动作业事件类型明细
部扰动都对管道光纤具有威胁，因此光纤安全预警 Table 1 Details of vibration events
系统不仅要求对外部扰动事件进行识别，还需要对
时间类型 数据时长/h 作业距离/m
不同的扰动事件进行分类。本文基于深度神经网络
背景噪声 201.93 0∼30
构造了具有 5 层全连接网络结构的光纤振动信号分
铲车推土 3.49 5∼10
类识别器，提取了多维光纤振动信号特征量并进行
车辆行走 270.23 5∼15
分类识别。
定向钻孔 15.33 5∼20
3.1 光纤传感振动信号数据采集
机械挖掘 11.73 5∼15
本文中，分布式相干瑞利光纤传感系统中的光
机械破锤 7.30 5∼10
纤是随管道铺设的通信备用光纤，脉冲激光光源波
人工锄地 28.98 0∼3
长为 λ = 1550 nm，脉宽为 T P = 50 ns，对应系统理
压路行走 4.00 5∼10
论空间分辨率为 5 m，脉冲周期 T = 2 ms，对应光
重车行走 1.64 5∼10
纤某固定位置振动时域信号采样率为f 0 = 500 Hz。
在西气东输一线无锡至苏州段开展现场测试，光 图 9(a)∼(h) 分别给出了人工锄地、车辆行走、
纤长度为 48 km，后向瑞利散射光光强信号采样率 铲车推土、定向钻孔、机械挖掘、机械破锤、压路行
f s = 5 MHz，对应的采样空间分辨率为 R s = 20 m， 走、重车行走 8 种振动作业下采集到的光纤传感信
单个周期内采样点个数为2400。 号时域波形, 图 9(A)∼(H) 给出了对应振动信号的
根据激光脉宽以及信号采样频率，系统分辨率 短时频谱图，短时频谱图是对单个空间采样点连续
以及采样分辨率如图 8 所示，系统理论上会出现不 时间采样信号进行分帧加窗短时傅里叶变换(Short
能探测区域。这是由于一方面振动作业影响区域一 time Fourier transform, STFT)，帧长为 512，帧移
般会大于采样分辨率，实际上不会出现振动信号不 为128，窗函数为汉明窗。