光纤振动传感系统相位调制模块的嵌入式设计

针对光纤振动传感系统测试与标定环节缺乏便携式振动信号驱动装置的问题,设计了一款基于FreeRTOS和STemWin嵌入式系统的压电陶瓷相位调制模块.该模块使用STM32嵌入式微控制器,结合H桥功率驱动对信号进行功率放大.利用FreeRTOS嵌入式操作系统进行多任务功能部件开发,并设计了STemWin人机交互界面.随后搭建分布式光纤振动传感系统对嵌入式相位调制模块进行测试,结果表明该模块可实现驱动信号频率、占空比、输出极性和电压的调节,并可在总长为11.769km的传感光纤上对冲击信号进行实时采集,且振动信号定位误差在41m以内,从而可满足各类光纤振动传感系统在长距离不同位置处进行振动测试与标定的需求.     

基于光纤传感检测的矿井人员定位方法

针对矿井发生重大灾害时由于断电、突水等因素造成的通信中断,人员定位困难问题,本研究基于相位敏感光时域反射机理,提出了受困人员拍击井下既有通信光缆定位的方法。通过分析施加振动对光相位的影响规律,从理论上证明解调光相位可实现振动信号的提取及定位。实验选取拍击、20Hz方波与200Hz正弦波来模拟外界振动信号,采集信号经差分累加去噪,最后通过拟合算法实现振动波形还原。实验证明,在12km长度光纤上,系统对1KHz以下振动信号具有良好的频率响应特性。选取4.633km处与10.022km处模拟单次拍击固定点的重复性实验,综合定位误差范围为-7m～＋11m。研究表明该方法可应用于井下通信中断应急救援时的人员定位,为快速确定受困人员位置提供一种新的解决方案。     

基于分布式全光纤传感器的电机故障诊断系统研究

构造了全光纤振动传感系统,可用于对发电机组,飞机发动机等大型电机设备的健康状况监测。全光纤振动传感系统由于传感臂是光纤,属于无源器件,不会受到电磁干扰,其检测到的信号完全是由电机振动产生,且监测的灵敏度极高。克服了传统的加速度传感器容易受到电磁干扰导致信号检测出错的缺点。用全光纤振动传感器对电机的振动进行实时的采集,基于LabVIEW平台对振动信号进行实时的频谱分析,很容易判断电机是否工作正常。该检测系统结构简单,振动检测灵敏度高,能够很好地应用于电机健康状况的监测。     

基于相干检测的偏振光时域反射光纤振动传感系统

提出将相干检测技术和偏振光时域反射技术POTDR(Polarization Optical Time Domain Reflectometry)相结合,利用相干检测技术的高探测灵敏度和偏振光时域反射技术中偏振态对外界环境敏感的特点,实现光纤分布式传感,测量微弱振动信号并实现定位功能.首先分别介绍了相干检测技术及其与POTDR相结合的相关原理,分析可行性,然后提出实验测试方案并搭建了测试系统.实验结果表明,基于相干检测技术的POTDR传感系统能成功地实现振动信号的探测和振动点的定位功能,这对于光纤分布式传感系统的进一步发展具有重要意义.     

叶尖定时旋转叶片振动测量新技术

设计了一套基于叶尖定时传感的旋转叶片振动测量系统.系统主要由光电传感系统、振动信号采集与预处理系统、叶片振动数据处理系统3部分组成.叶尖定时传感器采用单根光纤发射、多光纤接收的Y型结构,并用高性能专用集成芯片完成弱光信号的放大检测,使传感器信噪比大于500,信号带宽大于50 MHz.设计了基于PCI总线,并融合CPLD和DSP技术的高速叶尖定时信号实时采集与处理板卡;建立了同步共振条件下叶片振动的数据处理模型,实现了叶片振动的实时监测.     

分布光纤式输油管道安全监测预警系统

提出了一种基于光时域反射原理和分布式光纤传感技术实现输油管道泄漏安全实时监测的技术.当输油管道发生泄漏时,使光纤所处的温度场发生变化,利用光纤后向喇曼散射的温度效应测量该处的温度变化而判断管道泄漏;当发生人为破坏(盗油)事件时,所产生的振动、压力等扰动信号使在光纤中传输的后向瑞利散射光产生明显的损耗特征,通过测量其光强的变化来检测管道是否受到扰动或破坏.用ODTR技术实现对光纤测量点的定位.实验结果表明,系统已达到如下主要技术指标:光纤长度5km(可延长),测温范围0～90℃(可扩展).温度测量偏差小于 5℃,对扰动外力和温度的定位偏差小于15m.该检测技术可以有效地提高输油管道泄漏监测和防盗油水平.     

光栅阵列测振系统研究

针对传统光纤振动传感器信噪比低、噪音大、灵敏度低或者监测距离短等问题,设计了一种光栅阵列振动传感系统,系统以一系列弱反射光栅传感器为敏感单元,利用波分复用技术对光栅传感器进行传感网络的组建,利用双脉冲调制的方法,还原了振动信号,在工程应用中,该系统能对入侵行为进行实时监控,并能快速、有效地确定入侵信号,具有较高的灵敏度,并在一定程度上排除了环境干扰,有利于在大区域,长距离的监控领域获得应用。     

分布式光纤振动传感系统的多级零频点定位研究

为了减少直线结构Sagnac分布式光纤传感系统的定位误差,提出一种多级零频点的优化方法,通过分析直线结构Sagnac分布式光纤传感定位原理,确定固定的采样速率下离散化是造成定位误差大的原因.并分析得出振动信号频域曲线会周期出现多个零频点,进而对振动定位的多级零频点优化方法进行了理论推导,阐明高倍零频点下的定位误差会有效减小.通过实验验证表明,在总长为11.769 km的传感光纤上,优化后的定位方法在不改变采样速率下可保证定位误差提升到±20 m范围内,可以基本满足系统对外界振动信号进行精确定位的要求.     

基于光纤传感的入侵检测信号提取与识别算法

基于分布式光纤传感的地埋式入侵检测系统由于其无源、传输距离远、抗电磁干扰等特征,引起了人们的关注,并得到初步应用。系统中光纤传感信息的正确提取和事件识别是系统的关键性指标之一。文中提出了一种入侵信号的提取与识别算法。使用基于Hilbert变换的信号包络线提取,结合数学形态学上的腐蚀和膨胀运算思想,实现入侵信号片段的分割;采用小波阈值收缩方法,结合平移时不变算法实现入侵信号片段除噪;使用基于＂小波包-能量＂的方法提取信号特征;分别采用基于BP和RBF的人工神经网络实现对光纤信号分类。仿真实验验证了算法的有效性。     

基于匹配滤波技术的数字化光纤光栅传感解调方法

报道了一种结合数字化技术对光纤光栅传感系统信号进行解调的方案.解调系统采用数字时钟信号产生锯齿波电压信号控制可调谐光纤法布里-珀罗滤波器,对光纤光栅进行扫描式搜寻,同时利用同步时钟信号控制数字采集卡实时读取搜寻到的数据.由于光纤光栅的反射谱是已知信号,因此采用数字匹配滤波技术对采集到的信号进行处理可以得到最大的信噪比.实验结果表明:系统在波长寻址范围为1 520-1 575 nm内,扫描频率1.5 Hz,波长分辨率可以达到2 pm以下.     

光纤传感网络小样本入侵信号边际谱标记检测

光纤传感网络中,小样本人工入侵信号由于没有入侵经验数据做识别背景,其首次入侵特征标记一直是一个难点。设计了一种光纤传感网络小样本人工入侵信号动态提取方法。首先采用高斯滤波器对光纤传感网络信号做去噪处理,消除光纤传感网络信号中存在的噪声信号对入侵信号提取产生的干扰。然后结合希尔伯特变换方法和经验模态分解方法,构建光纤传感网络信号的Hilbert边际谱。将光纤传感网络信号的Hilbert边际谱作为信号的标记特征,输入SVM分类器中,完成光纤传感网络小样本人工入侵信号的动态提取。仿真结果表明,所提方法的噪声信号、敲击信号和晃动信号事件识别率平均值分别为95.5%、91.5%及89.5%,当时域信号采样点数量为5 000个时,所提方法的信号提取时间为0.245 s。     

光纤扰动入侵检测系统的设计与实现

光纤中通过一定的幅值恒定的光,外界扰动时光纤中光的强度将发生变化,因此对这种光强度的变化进行检测可以探测外界扰动的入侵。对功能型光强调制的检测一般利用特殊光纤对某些物理特性敏感而达到测量的目的,但光纤结构比较复杂。对光纤扰动机理进行了论述,提出了采用一般的多模光纤,针对不同入侵对象扰动信号频率的不同,利用带通滤波电路实现检测的方法。并对带通放大器技术进行了设计与仿真,实现了扰动信号的入侵检测。     

基于分布式光纤振动传感技术的地下管廊入侵监测系统

针对目前地下综合管廊的安全防控需求，设计研制了一种基于分布式光纤振动传感技术的地下管廊入侵监测系统。系统采用分布式光纤马赫曾德尔-萨格纳克混合干涉结构，结合振动传递装置将井盖开关行为转化成对光缆的振动冲击，再利用一维卷积神经网络算法对振动冲击信号做模式识别，通过监测井盖开关实现对地下管廊人为入侵行为的监测。对所设计的系统进行实地测试，采集1573组扰动数据进行模式识别，模式识别正确率在99%以上，识别实时性高，表明该系统能够满足地下综合管廊实际应用的需求，有利于拓展光纤传感技术在地下管廊领域的应用。     

分布式激光甲烷检测系统振动干扰诊断与辨识

为消除外界振动对分布式激光甲烷检测系统的影响,在分析振动对光纤物理特性及甲烷检测的影响、振动波形频率特征的基础上,提出一种基于实时采样信号和设定频率信号的振动波形辨识算法。该算法通过傅里叶变换、互相关运算、最大相似系数判定和甲烷浓度解算等步骤,有效识别出不同频率的外界振动波形,进而可准确删除振动波形,消除外界振动对甲烷浓度测量值的影响。实验室测试及工业性测试结果表明,该算法能有效识别出不同频率的振动干扰,避免振动信号引入的测量误差。     

基于复合干涉原理的局部放电检测光纤传感器

针对基于传统干涉结构的局部放电检测光纤传感器存在参考光纤隔音处理难、不利于现场布设等问题,设计了Mach-Zehnder与Sagnac复合干涉结构的光纤传感器。本研究应用延迟光纤与直线型传感光纤结构解决了上述问题,采用3×3耦合器对光信号引入相移以增加系统的动态响应范围,并阐明了传感光纤以及延迟光纤长度对系统传感特性的影响规律。利用局部放电模拟装置进行性能测试的实验证明,所设计的局部放电检测光纤传感器具有良好的响应性能,测得局部放电信号的时域响应峰峰值为2.45 V,频率分布范围为10.62 kHz～57.73 kHz。研究表明该复合干涉结构可有效提升局部放电检测光纤传感器的检测性能,提高现场适应性。     

分布式光纤振动传感信号的采集与处理

以分布式振动传感在周界安防中的应用为研究对象,简述了一个全光纤扰动传感与定位系统。分布式光纤传感与定位系统主要由光发射模块,传感光路模块,光接收模块,信号采集模块,信号传输模块及信号处理模块构成。振动信号的采集与处理决定着系统报警及定位的实时性和准确性,主要研制了振动传感系统中的数据采集与处理系统。     

基于布里渊散射的电力通信光缆故障点高精度定位技术研究

针对传统电力行业光缆故障点定位技术精度低、不能实时感知外界温度和应变的问题,研究了一种基于布里渊散射的全分布式光纤传感系统,该系统在检测电力光纤衰减和断点的同时,可实现温度和应变的同时测量,电磁干扰小,测量精度高。MATLAB仿真结果表明,该系统在25 km光纤末端检测到的温度和应变分辨率达到了1?51℃和33?46 me。     

基于拉曼放大和掺铒光纤激光器的远程无源传感系统

提出了一种包含拉曼放大和掺铒光纤激光器的远程无源传感系统。该系统中拉曼放大的剩余泵浦功率可用作掺铒光纤激光器的泵浦源,产生的激光信号作为传感信号省略了额外的传感光源。由于拉曼放大作用,可以实现75km长距离无源传感而获得超过40dB的高信噪比。     

Φ-OTDR型分布式全光纤传感器研究进展

光时域反射型分布式全光纤传感技术相比于其他光纤传感技术,具有探测范围广、定位可靠性好以及定位精度高的优势。其中,相位型光时域反射(Φ-OTDR)技术更是具备了极高的探测灵敏度和动态响应能力,能够实现实时振动信号检测。该技术还具备在长距离管道监测、周界安防和结构健康监测等领域应用的潜质。但是传统的Φ-OTDR系统由于响应频率较低、探测信号失真等问题,无法全面满足实际应用要求。近年来,在国内外广大研究学者的努力下,Φ-OTDR技术实现了多方面的突破,逐渐走向成熟并成功实现现场应用。回顾了近20年来国内外Φ-OTDR技术方面的研究成果,总结和评价了Φ-OTDR技术在频率响应能力提升、动态响应范围提升、相位解调波形还原以及后期数字信号处理等方面所取得的研究进展,并对未来Φ-OTDR技术的应用与发展趋势进行了展望。     

基于多频相位生成载波的光纤振动传感技术研究

为了满足周界安防区域数目扩增的需求,提出了一种基于多频相位生成载波的光纤振动传感技术,利用多个相位调制器实现了不同振动信号的频谱搬移,采用微分交叉相乘算法开展了多路干涉信号的相位解调,进行了相位生成载波调制深度的选值分析,并搭建了基于直线型萨格奈克干涉原理的多通道光纤振动传感实验系统。实验结果表明,干涉信号频谱含有多频载波成分与频谱搬移的边带成分,经解调可获得准确的振动信号,其频谱信噪比平均为27.3 dB,谐波失真度平均为8.22%,并在模拟应用场景中对人为敲击信号进行了准确解调,从而为本系统在交通领域的多防区周界安防应用提供了参考。