南京大胜关长江大桥 发生非法攀爬，几秒之内实现实时预警“光纤振动传感技术”用于南京大胜关长江大桥

几个月前，南京大胜关长江大桥铺设分布式光纤检测定位系统，可在几秒钟内实现实时预警，定位整个监测范围内的突发事件，为应急处理提供准确依据。

就像人类的“感觉神经系统”一样，这种“光纤振动传感技术”可以应用于铁路、桥梁、油气管道和海底，通过连续监测，可以准确地感知和定位外界扰动沿光纤的方向，从而填补了国内空的空白。通过不同的模型识别，该技术可以在几秒钟内实现预警。以前只听得见“有没有动静”，现在听得很清楚“什么在动”“怎么动”。

这种利用现有光缆实现铁路沿线安全监测的“高精度”光纤振动传感技术，是国际首创。

今天河马哥从智能建筑的角度分析光纤传感技术的应用和特点。

01

光纤传感——信息化的重要标志

光纤传感技术始于1977年，随着光纤通信技术的发展而迅速发展，是衡量一个国家信息化程度的重要标志。目前世界上有温度、压力、流量、振动、速度、加速度、声场、电流、电压等数百种光纤传感技术，广泛应用于军事、航空空航天、能源与环保、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预计将超过40亿美元。这项始于20世纪70年代的技术以其独特的优势成为全球热点，这是其他载体和媒体无法比拟的，其研究和应用几乎遍及所有领域。光纤振动监测预警系统通过光纤测量周围振动的频率和位置，实现对危险源的识别和定位。分为信号采集和智能分析两部分。

02

光纤振动感应原理

光纤振动监测系统同时使用光纤作为定位传感器和微应变传感器。当光纤受到外界振动的扰动时，会产生微应变，引起光纤内部传输的光信号的频率和相位发生微小变化。激光相干应力分析系统可以计算振动点的频率、强度和位置信息。

微应变传感技术是基于“光的干涉”原理。通常用两根单膜光纤测量微应变，构成测量光干涉波的传感器(如图1所示)。

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干扰，如运动、声波、触摸等，或者两根光纤同时受到相同的干扰，反射光不会发生变化；如果光纤受到外界干扰，反射光波形会发生变化，产生干涉像。光学探测器可以探测到这个波形的变化，通过软件可以区分事件的真实情况。经过处理，可以检测出干涉强度和位置。相干激光器发射连续波激光束，光纤传感器的频率响应范围为0hz ~ 1 MHz，通常只有1hz ~ 100 kHz。这种技术可用于检测动态应变，响应时间以毫秒为单位。

振动源位置的计算:

l = 1/2vt = CT/2n；

v = c/n；

l:振动点到干涉仪右端的距离；

t:延迟时间；

c:真空中的光速；

n:光纤芯的折射率。

为了准确定位，需要将光纤的长度信息记录到软件中。经过系统校正，定位精度可达50m m以内。

03

光纤振动半径和距离监测

利用光缆地震作为分布式传感器是实现整个地下管线安全的最佳途径。为了利用光缆实现地下管道安全的实时保护，需要保证光缆沿管道敷设。新建管道可与管道同沟直埋1根(或2根)4芯以上光缆，专门用作振动监测的分布式传感器。如果埋地管道有光缆敷设在同一沟内，光缆中多余的光纤(必须有三根)可以作为分布式传感器。如果同一条沟内没有敷设光缆，可以开挖，以后再敷设。

光纤有效监控半径

受目前仪器设备精度的限制，只能分析中心半径2m以内光纤截面的振动声信号。即光缆的有效监测半径只有2m，所以管道必须完全在以光缆为中心的封套内，否则部分管体得不到有效保护(如图2)。

光缆有效监测半径虽然只受分析设备精度影响2m，但保护范围不能扩大，监测保护范围问题可以通过敷设光缆解决。如果在管道上方对称敷设两根光缆(见图3)，可以有效解决保护半径过小的问题。根据具体需要，可以铺设多根，扩大保护范围。将光缆蛇形敷设在管道上也是一种扩大保护范围的策略。蛇形敷设还可以提高探测震源位置的精度(见图4)。

最大有效监控长度

随着光纤长度和接头数量的增加，光纤中的激光信号逐渐减弱，光信号不可能无限远地传输。要保证良好的检测效果，信号的信噪比必须> 10: 1，光信号衰减必须< < 25dB。光信号衰减0.25dB/km，焊接0.2dB/点，光分配器3.6dB，光适配器0.3dB/点。40公里是合理的探测长度。当然，如果能保证信号强度和信噪比，突破40km的距离也不是不可能。目前，一些光缆振动监测系统可以测量60公里的距离。

智能分析系统

信号源的频率和位置可以计算，但需要智能分析系统来判断信号源的类型和是否有危险。基于神经网络模式识别技术开发了智能分析系统。智能分析系统可以对接收到的信号进行分类处理，自动学习人工处理模式，逐步纠正判别错误，提高信号判别的准确性。智能分析系统通过分析监测到的振动声音信号的强度、拍频、频率和形状来获得声源类型，滤除干扰和自然信号，提取正确的报警信号。

信号强度分析

信号强度分析是根据信号的强度分析信号源与光缆的垂直距离，以声音幅度提示报警事件。声音信号类别和强度特性对应于表1。

序列号

信号类别

强度特性

一个

背景噪声

声音的振幅很小，甚至没有波动

2

机油传输噪音

声音幅度小、均匀、稳定

三

人工攻击

瞬时振幅可以达到饱和，间歇或连续

四

电动工具

强音

五

采掘设备

声音很强

六

冲击设备

声音极其强烈

七

炸毁

声音深度饱和度

表1信号强度特性对应表

信号节拍分析

信号拍频分析是根据源声波群的拍频特征提取环境扰动，得到声源类型。对应关系见表2。

序列号

信号类别

节拍特征

一个

气动工具

反复打击

2

重型冲击锤

用力地吹啊吹

三

车辆行驶

沉闷的连续振动

表2信号拍频特性对应表

信号频率分析

声音信号的频率分析是通过声源的频率范围来区分不同的环境扰动。见表3。

序列号

信号类别

频率范围

一个

输油噪音

超过4000赫兹

2

电动工具

1000赫兹~ 2000赫兹

三

运输手段

300赫兹~ 800赫兹

四

重型设备

低于200赫兹

表3信号频率特性对应表

信号形态学分析

语音形态学分析是通过语音包络形态学分析来提示入侵事件。见表4。

序列号

信号类别

形态特征

一个

气动和电动工具

急剧上升仍在继续

2

手动挖掘工具

快速上升和下降

表4信号形态学对应表

信号强度分析是根据信号的强度分析信号源与光缆的垂直距离，以声音幅度提示报警事件。声音信号类别和强度特性对应于表1。

特征学习

声音特征学习是将列出的可疑报警事件手动确认或排除作为数据库进行对比事件分析，得到是手动挖掘还是机械挖掘；水平钻孔或垂直钻孔；是表面爆破还是子弹射击；是人为破坏还是自然灾害？

智能声音过滤

信号滤波的作用是记录和保存常见的环境干扰、正常的人类活动和常见的干扰信号，用于常规的信号滤波。如:自然风、雨、雷、电；汽车、火车以及人类生产活动的生产加工环境产生的噪声；无线电电磁干扰。

04

工程实例介绍

使用光缆可以实现地下管线安全预警，有效防止第三方破坏。安全预警系统分为监控中心和现场监控设备。监控中心由计算机和智能数据分析系统组成。现场监控设备由现场控制器(包括光收发模块)、光分配模块、光相干模块和光耦合器组成。作为一种分布式传感器，光缆中的光纤需要三根光纤，两根作为检测光纤，一根作为信号返回光纤，沿光缆拾取和传输振动信号。

光缆振动监测系统在管道安全预警系统中的应用如图5所示。

系统设备配置方案:

监控中心电脑:1台；

现场控制器和头尾探测器:每40公里一套(具体数量根据走线长度合理配备)；

信号隔离模块:几套(根据现场地理条件配置)；

智能分析软件:1套。

05

光缆振动监测预警系统的应用前景

光缆振动监测预警系统应用广泛，在我国的应用前景极其广阔。光缆振动监测系统不仅可以用于地下水、石油和天然气管道的安全预警，还可以作为一种隐蔽传感器检测地面的入侵行为。如机场、车站、工厂、牧场的周界防范；它还可用于国家边境非法入境的安全管理。

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发挥越来越重要的作用。光纤具有宽带、大容量、长距离传输和多参数、分布式、低能耗传感等显著优势，将在物联网中得到广泛应用。

某种程度上，没有光纤传感技术就没有物联网。它将成为物联网的新宠，在未来市场占据更多份额。