Page 177 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 彭任华等： 利用深度神经网络实现分布式相干瑞利光纤振动事件分类 839

9.0 9.0 9.0 9.0
8.5 8.5 8.5 8.5
8.0
8.0
8.0
8.0
ࣨϙ/V 7.5 7.5 7.5 7.5
7.0
7.0
7.0
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6.5 6.5 6.5 6.5
6.0 6.0 6.0 6.0
5.5 5.5 5.5 5.5
0 20 40 60 80 100120140160 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 250 300 350 0 200 400 600 800 1000
௑ᫎ/s ௑ᫎ/s ௑ᫎ/s ௑ᫎ/s
(a) ̡ࢺᩝڡ௑۫ฉॎ (b) ᢼᣚᛡᡌ௑۫ฉॎ (c) ᩌᢼ଎ژ௑۫ฉॎ (d) ࠀՔᨛߘ௑۫ฉॎ
250 250 250 250
200 200 200 200
ᮠဋ/Hz 150 150 150 150
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20 40 60 80 100120140160 50 100 150 200 50 100 150 200 250 300 350 200 400 600 800 1000
௑ᫎ/s ௑ᫎ/s ௑ᫎ/s ௑ᫎ/s
(A) ̡ࢺᩝڡᆁ௑ᮠ៨ (B) ᢼᣚᛡᡌᆁ௑ᮠ៨ (C) ᩌᢼ଎ژᆁ௑ᮠ៨ (D) ࠀՔᨛߘᆁ௑ᮠ៨
9.0 9.0 9.0 9.0
8.5 8.5 8.5 8.5
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ࣨϙ/V 7.5 7.5 7.5 7.5
7.0
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6.5 6.5 6.5 6.5
6.0 6.0 6.0 6.0
5.5 5.5 5.5 5.5
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 350 0 100 200 300 400
௑ᫎ/s ௑ᫎ/s ௑ᫎ/s ௑ᫎ/s
(e) ఻೚૎ଈ௑۫ฉॎ (f) ఻೚ᆡ᩻௑۫ฉॎ (g) ԍ᡹ᛡᡌ௑۫ฉॎ (h) ᧘ᢼᛡᡌ௑۫ฉॎ
250 250 250 250
200 200 200 200
ᮠဋ/Hz 150 150 150 150
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图 9 振动作业光纤信号时域波形图及短时频谱图
Fig. 9 Waveform and short time spectrum
从图 9 中可以看出，不同振动作业表现的光纤 需要对各空间采样点的光纤时域信号进行高通滤
传感信号具有不同的时域以及频域特征。人工锄地 波，去除直流分量，本文利用 4 阶无限脉冲冲击响应
振动作业持续时间较短，频谱较宽，表现出短时脉冲 (Infinite impulse response, IIR)滤波器实现信号滤
特性；车辆行走持续时间较长，低频较重；铲车推土 波，滤波器低频截止频率为5 Hz。
频带更宽；定向转孔在中频段(100 Hz 附近) 具有比 假 设 s(n) 为 空 间 z 位 置 处 光 纤 传 感 信 号
较明显的谐频特性；机械挖掘能量主要集中在低频， A r (nT + z/c g ) 经高通滤波器之后的滤波信号，n
持续时间较长；机械破捶出现较多的谐波结构，谐波 为时间采样点索引值，不同索引对应的时间间隔为
基频在 20 Hz 附近；压路行走作业同样会出现谐波 脉冲激光光源的周期 T。需要对 s(n) 分帧处理以达
结构，谐波基频在 30 Hz附近，并且在全频带范围都 到实时预警的目的，选取帧长为N，帧移为 M，那么
出现谐波结构；重车行走表现为时域上随机出现的 第p帧信号的STFT为
低频信号为主。不同振动作业类型表现出不同的时 N−1 ( )
∑ 2πmk
域、频域特征，是分类识别的基础。 S(k, p) = s (pM + m) exp −j , (10)
N
m=0
3.2 光纤传感振动信号数据处理及特征提取 其中，j = √ −1为单位虚数，k 为频率索引。
系统采集到信号是后向瑞利散射光光强信号， STFT 是在频率域的均匀采样，由于外部振动
具有较大的直流偏置，如图 2、图 3、图 9 所示。首先 信号经土层传播会引起高频衰减，光纤传感振动信