基于光纤传感的海缆振动信号录播技术研究及实现

杜杰

（江苏海上龙源风力发电有限公司，南通 226000）

0 引言

随着科学技术的发展，光纤传感技术已然成为海上风电场用于监测外界信息的有力保障，通过光纤便可传递海缆外部的状态信息，这大大缩减了人力物力成本[1]。但传统监测方式仅能实现外部振动信号的精准定位，无法判别外部振动信号的类型，而音频内容可以通过人耳进行辨别。因此，本文将采集到的振动信号进行实时录制存储，并将其转换成音频信号进行播放，最终达到通过音频播放内容来辨别外部振动信号类型的目的。

1 系统概述

1.1 需求分析及技术指标

本文提出的海缆振动信号录播技术旨在为辨别外部入侵事件类型提供一种新的方法与思路[2]，即在精准定位的基础上，能将振动信号解调成为音频信号进行播放，因此振动信号录播软件应具有振动数据采集功能、音频播放功能以及音频实时记录功能，如表1所示。

1.2 总体方案设计

基于光纤传感的海缆振动信号录播技术，顾名思义，录为实时存储包含振动位置点的原始数据，播是将解调得到的音频信号连续输出。因此，本文主要研究的内容是实现振动信号的存储与播放，总体方案设计如图1 所示：当外部振动信号作用于海缆时，首先通过基于Φ-OTDR 技术的分布式光纤振动探测器进行实时监测，并将采集到的包含振动位置点的数据以队列形式进行存储，其次通过低通滤波器将已存储数据做降噪处理并对其进行解调，最后使用谱减法降噪来提升音频质量，实现音频播放。

表1 需求分析及其技术指标

图1 总体方案设计

1.3 软件界面设计

振动信号录播软件界面如图2 所示：其中设备管理是为了在开始采集数据时启动分布式光纤振动探测器；监测控制包含了本软件的主要功能，通过样本采集来实现振动信号的录入及保存，解调为音频信号后实现播放功能，同时将已解调的音频信号实时记录，便于后续数据的回溯和使用；参数设置是为了设置振动信号的降噪参数值，以便及解调得到性能较为良好的音频。

图2 软件界面设计

2 核心技术与实现

2.1 控制传输技术

当分布式光纤振动探测器实时监测并采集作用于海缆的外部振动信号时，若以25MHz 的采样率将任意时刻的数据都进行存储，上位机的存储空间会因数据量过大而瘫痪。因此，为了节省存储空间，本文只将采集到的包含有振动信号的数据传输至上位机进行实时存储，并对其进行后续解调处理。由于该种传输方式对实时性和数据可靠性具有较高要求，本文的数据传输采用TCP 协议进行实现[3]。

若分布式光纤振动探测器为客户端，上位机监测软件为接收端，则客户端与接收端之间的数据传输应具有标识符，便于两者均能识别数据，将设备编号、通道编号以及数据采集编号等格式定义后封装在信息头文件中。本文客户端与接收端之间属于双向交互传输方式，如图3 所示，接收端通过判定数据是否包含振动位置点来进行存储，若存在振动位置点，则接收端发送指令至客户端，客户端接收指令后传输该振动位置点的数据至接收端，接收端存储后再做后续处理；若不存在振动位置点，则接收端不接收数据，客户端连续采集数据直至存在振动位置点。通过这种双向交互传输方式，能快速地识别出有效信号，为后续解调播放处理奠定基础。

图3 数据传输流程

2.2 缓存与队列设计

相较于其他存储方式，链表存储结构不受数据大小制约，其可根据需求自适应调整队列长度。因此，本文选用链表存储结构来构建缓存队列，以保证采集到的振动数据不会因缓存空间过小而出现丢帧现象[4]。

当数据开始存储时，数据从最新写入的数据缓存节点位置开始写入，直至该缓存空间写满，再从下一个节点位置继续写入。同理，当数据需要读出时，依次按照节点位置将缓存区域的数据读出，并释放已经读取完毕的内存空间。通过该种方式实现数据的分块存储，既保证了数据的连续性，还降低了漏报振动信号的可能性。

为了方便后续数据处理，将数据以csv 格式进行存储，每个文件都具有相同信息的文件头，可通过头文件区分采样间隔及采集时间等信息。

2.3 播放设计

当海缆外部发生敲击等入侵事件时，分布式光纤振动探测器采集到的数据包含了入侵事件的幅度和相位信息，将该数据存储解调之后能无失真播放，对于辨别入侵事件的类型具有重要意义。而WAVE 音频文件使用脉冲编码调制（PCM）格式，其能直接存储采样的声音数据，是一种不失真的音频格式文件，因此，本文选用WAVE 格式作为音频信号输出格式[5]。

音频播放流程如图4 所示：首先打开音频播放设备，然后接收音频数据并将其存储至缓存区域中，当数据接收完毕后将数据从缓存区域写入到音频播放设备，完成音频输出，最后关闭缓存空间和输出设备。

图4 音频播放流程

3 算法实现

3.1 振动信号预处理

分布式光纤振动探测器采集到的原始振动信号，包含了测试环境的噪声以及探测系统内部器件的噪声，为了能使入侵信号的幅度以及相位等特征信息清晰显示，需对原始振动信号做降噪处理[6-7]。多次实验测试发现，混入的噪声大都分布在高频区域，故对原始振动信号做低通滤波处理。实验发现截止频率为1200Hz 的巴特沃斯低通滤波器对噪声有明显抑制效果，如图5 所示。

3.2 音频信号降噪处理

对已存储的数据做解调处理后，得到的音频文件包含噪声，对用户的听觉感受不太友好，故选用谱减法进行降噪处理[8]。

谱减法，即将带噪声信号与噪声信号分别做傅里叶变换，将两者频谱相减得到纯净信号频谱，再对纯净信号频谱做傅里叶逆变换得到纯净信号，其流程图如图5 所示，其中噪声信号与纯净信号两者相互独立，且满足频域可加特性。本文中的带噪声信号即为原始振动信号解调得到的音频信号，噪声信号则选取了海缆外部没有受到入侵事件时所采集的信号。

图5 振动信号处理

图6 音频信号降噪处理

4 测试与说明

4.1 测试激励源

为了模拟海缆外部环境受到入侵事件，本文在海缆外部沿线的任意位置作为敲击点。当发生敲击事件时，由于光纤折射率发生变化，该点的相位也发生变化，则分布式光纤振动探测器采集到的该点的背向瑞利散射光功率也有相应变化。通过该种模拟方式，测试振动信号的录播技术实现情况。

4.2 测试流程

本文通过以下流程测试海缆振动信号的录播功能：

（1）启动分布式光纤振动探测器；

（2）启动振动信号录播软件界面并设置铺设海缆的起始位置；

（3）点击振动信号录播界面的开始采集按钮；

（4）敲击海缆沿线任一位置点并查看采集情况。

4.3 测试结果

对海缆沿线某一位置点持续一段时间的敲击动作，如图7 所示：通过振动信号录播软件可以看到振动数据的实时采集情况，该位置点的幅度和能量均在敲击时刻有较大的起伏，与无敲击动作的位置点能量变化有明显区别，点击播放按钮可听到已解调的音频信号，人耳可辨别是敲击声。

5 结语

本文以分布式光纤振动探测器为采集设备，通过敲击海缆任意位置点模拟海缆外部入侵事件，将采集到的振动信号的特征信息经过预处理去除噪声后，解调为音频文件，人耳可辨别播放的音频为敲击声。该种录播技术的研究及实现为长距离工程监测领域中的识别外部入侵事件类型提供了新的方法与思路，具有广阔的应用前景。

图7 测试结果