基于分布式光纤振动的车辆检测系统应用研究

唐文娟,白 谋,王玲容

(广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

截至2022年年底,广西高速公路通车总里程突破8 000 km,在建和建成总里程近1.5×104km[1],为广西带来了巨大的经济效益和社会效益,但是诸多交通安全相关问题接踵而来,如拥堵、交通事故等。各种突发交通安全事件的产生不但影响高速公路的运行效率和通行能力,还造成社会财产损失、甚至人身伤亡等严重后果。现阶段广西高速公路车辆检测主要依赖视频监控相机,但相机镜头易受污染,在夜晚和异常天气车辆检测效果欠佳。此外,由于其作为一种分立式、点式固定传感装置,只能监测一定范围内的公路,需要设置非常多的监测点才能实现高速公路车辆全程检测监控,成本高昂。

为提升高速公路运行的安全性和可靠性,并节约建设和维护成本,现提出基于分布式光纤振动的车辆检测系统。该系统利用沿路侧敷设的光纤感知由车辆所引起的振动,通过相干光电检测系统将光信号转换成电信号,解调包含车辆振动的电信号后,再利用特征识别算法进行学习和识别,即可实现对全路段运行车辆进行全时空感知以及相关公路事件的智能认知,建立光缆通信沿线的整体交通连续监测能力,实现诸如车辆位置、车速检测、拥堵检测、交通流量和通行能力等一系列远程、全天候的监测。

1 分布式光纤技术简介

分布式光纤传感技术是一种融合光通信和集成光学的新型传感技术,基于光反射、光散射等原理,利用光纤自身作为传感介质和传感单元,探测周围振动信号,成本较低,且一次铺设,可长久重复利用,具有极高的市场价值。相较于点式光纤传感技术,其可实现10 km以上的长距离监测,在国内已被广泛应用于石化管道监测[2]、安防监测[3]、结构物检测[4]等领域并取得良好效果,而该技术在高速公路领域应用也引发了各大高校的研究热潮[5-6]。

2 分布式光纤车辆检测系统原理及组成

分布式光纤车辆检测系统是在道路两侧敷设传感光纤,其原理为窄线宽激光器发出连续激光经过耦合器、声光调制器形成脉冲光后,再经过环形器进入到分布式传感光纤中,车辆行驶经过时,车轮碾压路面以及车辆自身噪声引起路面振动,并传导到路侧敷设的光纤上,引发光纤线路上发生扰动;弹光效应使光纤相应位置的折射率发生变化,将两个时刻的后向散射光强曲线相减就能得出车辆的位置信息,并利用算法对振动信号进行识别检测。Φ-OTDR车辆振动检测系统的原理如图1所示。

图1 Φ-OTDR车辆振动检测系统的原理示意图

3 分布式光纤车辆检测系统硬件设计

稳定的硬件系统是基础,系统中设计了分布式光纤振动传感模块、数据采集模块、工控机、微控制器、供电模块等五大模块。此外,还有位于前面板的指示灯和位于后面板的探测光纤接口。系统硬件组成与连接关系如图2所示。

图2 基于Φ-OTDR车辆监测系统硬件组成框图

光纤振动传感模块是整个硬件系统的核心,考虑到系统高动态范围需要比较大的入射光功率,且系统的灵敏度主要受限于后端信号的处理,因此模块采用了掺铒放大器加分布式拉曼放大技术双放大方案,实现超长距离灵敏探测。具体为该模块产生双通道的探测光脉冲通过掺铒光纤放大器将峰值功率放大后注入待测光纤中,待测光纤中激发出的后向瑞利散射光经过分布式拉曼放大技术后又从光纤接口返回至该模块,并在模块内完成对后向瑞利散射光的探测与调理,完成一系列模拟信号的处理,最终输出电压信号供后续的数据采集。

数据采集模块主要负责采集光纤振动传感模块输出的两通道信号,同时产生指定宽度的电脉冲信号,用于光纤振动传感模块光脉冲产生,使脉冲产生与数据采集的时间对准得更精确。

工控机通过PCI-E接口从数据采集模块高速获取采集得到的后向瑞利散射信号,工控机内的软件算法完成这些数据的处理、分析、显示,同时工控机还将通过微控制器对光纤振动传输模块的运行参数进行修改。

微控制器基于简单的单片机,便于工控机与光纤振动传感模块的通信,同时提供GPIO接口,控制试验样机前面板的LED指示灯,通过这些指示灯可以直观地了解到系统目前的工作状态。

供电模块由市电AC220V转换出需要的各种直流电压,包括DC24V、DC12V、DC5V、DC3.3V等。

4 系统软件设计

高速公路周围特殊环境、外界温度以及光缆的敷设方式都会使信号产生畸变,必须采取增敏、降噪技术以提高传感光缆的检测灵敏度,降低外界干扰的影响,提高信号的信噪比、系统监测范围和定位识别的准确度。本系统主要包括振动信号采集与预处理、振动信号降噪、定位和智能认知。

4.1 振动信号采集与预处理

振动信号的采集是整个系统有效运行的前提。本系统通过采集卡提供的SDK,将由每个光脉冲激发的后向瑞利散射光的探测数据读取到计算机内存中。此外,由于高速公路环境复杂,存在各种干扰以及光纤传感器自身固有漂移等,导致系统的光相位缓慢变化,从而引起光纤回传的信号强度漂移,信号的整体幅值变化较大,一些有用的振动信号被淹没,进而导致系统出现误报或漏报的情况。为此,采用预加重对信号的高频成分进行加重,提高信号的高频分辨率,使信号中的细节信息得以凸显,同时降低幅度漂移信号的低频部分,有利于信号后续的分析和处理。

4.2 信号降噪

经过预处理输出的振动时间序列信号依然包含大量的噪声,而常用的经验模态分解等算法针对信号间断性造成的模态混叠现象没法解决。本文提出使用变分模态分解方法对信号进行降噪,且在求解变分问题过程使用交替方向乘子法,分解得到信号所有模态,再将含有主要信号的模态进行重新构造,得到有效的信号。图3是经过该算法处理后得到的信号瀑布图。

图3 变分模态分解处理后的光纤振动信号瀑布图

4.3 振动信号定位

为满足系统实时性要求,并对输入信号进行有效、针对性处理,需对振动信号进行定位认知。本系统通过设置幅度阈值进行判断,当光纤上某个位置的信号振动幅度超过该值,就认为光纤在该处发生了振动事件,得到真正的车辆振动片段,进行下一步处理,可以缩短处理时效,增强系统的实时性。

4.4 振动信号智能认知

通过振动信号定位算法,系统可知光纤振动的位置,但还需要对引起振动的事件类型进行认知判定,以便用户选择对应的处置措施。振动信号时频图结合卷积神经网络进行识别的方法计算量偏大,不利于实时识别。因此,本系统选择使用多尺度一维卷积神经网络方法,直接将振动信号作为输入并平衡好信号时间分辨率和频率分辨率的问题,实现高效准确鲁棒的识别,同时设计增量学习机制,以满足系统自适应的需求。

5 系统的应用

在河百高速公路选点实施了光纤敷设、水泥包封等施工,实现了系统应用并进行了相关测试,测试结果如后页图4所示。由图4可知,本系统振动波形跟随着车辆行驶移动,车辆振动检测效果良好,基本实现了该路段车辆全分布式测量。

图4 车辆振动差分曲线图

6 结语

本文通过分析高速公路车辆检测实际情况,结合新型光纤传感技术,提供基于分布式传感技术的车辆检测解决方法。该方法利用光纤作为传感和感知单元,敷设方便不会对路基造成损害,具有极高的市场利用价值,相较于布设全程视频监控更节约成本,并且检测效果良好,达到交通管理需求,尤其适合应用在山区车流量较少但路线较长的高速公路。