分布式光纤入侵信号检测与识别

分布式光纤声波传感(DAS)技术通过接收相干瑞利散射光的相位信息来探测声波或振动信号,具有灵敏度高、动态范围广等特性,可利用线性定量测量实现对信号的高保真还原。随着实际应用的需求不断提高,光纤入侵检测领域对事件的定位和识别提出了更高的要求,表现为对入侵事件的准确分类,因此将分布式光纤声波传感技术与模式识别(PR)技术相结合是目前研究的热门,有利于推动分布式光纤传感技术的应用发展。本文总结了近年来在分布式光纤入侵检测的模式识别技术中所应用的特征提取和分类算法的研究进展,回顾了几种实现入侵事件信号识别的特征提取方法及其在不同应用场合面临的特征选择难点,同时对特定事件识别算法的优劣进行分析归纳。     

分布式光纤传感器的周界安防入侵信号识别

在分布式光纤周界安防系统中,对距离较长、背景环境复杂的边境进行检测时,系统根据光缆沿线发生的事件进行识别.为了区分各种引起光缆振动的激励,本文根据入侵信号与环境引起的振动信号在小波尺度上方差幅值的分布特征,利用小波多尺度分析理论构造了由各尺度下的方差组成的特征向量,提出了根据方差特征向量的不同来识别各种振动信号的“尺度-方差”信号的方法.在实验系统中,光缆总长度为56 km,光源的功率为300 μW,工作波长为1 550 nm.实验结果表明,此方法可以有效区分入侵信号、环境噪声和人为活动引起的非入侵事件,提高了系统的检测概率和降低系统的虚警率.     

无线微振动监测系统设计及在敦煌莫高窟的应用

敦煌莫高窟是我国四大石窟之一,由于游客走动、交通工具、机械施工等引起的振动会对洞窟内文物造成损伤累积等不利影响。为实现敦煌莫高窟内微振动的实时监测,采用无线振动传感测试仪组建分布式的无线微振动传感网络,解决微弱振动信号的传感检测、无线分布式振动信号采集、窟区及洞窟内部的无线信号覆盖、微振动监测及风险预控一体化软件等关键技术难点。该系统的构建可以实时监测莫高窟的微振动环境,全面分析评估振动对文物的影响和损害程度,在周围环境出现突发超阈值振动时发出预警信息,通过对莫高窟内振动环境的调控,减小振动对文物的影响,对敦煌莫高窟的文物保护具有重要意义,同时对其他世界文化遗产的保护也有一定的示范作用。     

一种基于相干光时域反射的分布式光纤振动传感系统研制

针对基于相干光时域反射的分布式光纤振动传感系统中数据量庞大,且需要信号发生器外部驱动,集成度低的缺点,利用现场可编程逻辑门阵列实现传感数据的高速采集与声光调制器的同步驱动,采用USB 3.0实现采集模块与上位机的实时数据传输。搭建一种基于相干光时域反射的分布式光纤振动传感系统,利用本地光与后向瑞利散射光的拍频效应,实现对微弱后向瑞利散射光信号的探测,并提高系统的传感距离。采用正交相位解调方法获取振动信号的位置信息。实验结果表明:该系统可在22 km传感光纤上对振动信号进行有效定位,定位误差在20 m以内,且系统对正弦波和方波等不同形态的振动信号定位效果一致。     

基于小波能谱和小波信息熵的管道异常振动事件识别方法

提出了基于小波能谱和小波信息熵的油气管道异常振动事件识别方法。基于Mach-Zehnder光纤干涉仪原理的分布式光纤油气管道安全监测系统实时检测管道沿途振动信号,对测量的时间序列进行小波变换,根据小波系数计算小波能谱与小波信息熵,通过小波能谱和小波信息熵值两种测度识别不同的管道安全异常事件。港枣线成品油管道的现场实验结果表明,该方法可以快速有效地识别管道周围发生的泄漏及其他异常情况,其总体识别准确率达到98.5%,有效降低了误报警率,具有较强的在线工况识别能力。     

基于分布式光纤传感的堤坝形变监测系统设计(英文)

针对大型堤坝长距离,大范围和形变隐患实时监测的难题,本文提出采用分布式受激布里渊散射光纤传感技术的监测系统,介绍了分布式光纤传感实验仪的数据采集原理,分析了数据结构流程,以黄河堤坝的监测为例,构建了基于Omnisens的DiTeSt分布式光纤传感仪的监测系统;监测系统的数据库由原始传感数据源、数据库、用户输出和用户操作四部分组成,能对实时监测和历史数据进行处理和管理,为堤坝安全监控专家系统提供重要资料和决策依据.     

分布式拉曼光纤传感技术的研究进展

分布式光纤拉曼测温技术是一种新型的光纤传感技术,具有灵敏度高、可分布式测量和抗电磁干扰强等优点,非常适用于电力系统中输电线路的温度在线监测。本文概述了基于ROTDR和ROFDR技术的分布式光纤传感器的基本原理和发展现状,并综述了分布式光纤拉曼测温技术在输电线路监测中的应用,并以实例证明分布式光纤拉曼测温技术对电缆运行状态的实时在线监测。最后对分布式光纤拉曼测温技术的发展前景进行了展望。     

基于时频特征的光纤周界振动信号识别

在光纤周界安防系统中,蓄意入侵和环境噪声均能引起光纤传感器振动,在保证系统高灵敏度的前提下区分入侵和非入侵事件极为重要。为了有效识别各种光纤振动信号,本文依据入侵和环境噪声引起的光纤振动信号在时域上的短时特性以及复小波域各尺度上能量分布特征,提出了两级判别法识别光纤信号。第一级用时域特征,短时能量和短时平均过零率判断是否有振动发生;第二级用复小波提取光纤信号的能量分布特征,联合时域特征形成特征矢量,支持向量机(SVM)作为分类器识别是否为入侵信号及入侵类型。实验结果表明,此方法可以有效识别入侵信号和环境噪声引起的非入侵事件,提高了系统报警率,降低了误报率。     

基于光纤传感技术的易燃易爆气体泄漏监测研究

针对目前易燃易爆气体泄漏监测手段的不足,提出了一种使用光纤光栅传感技术进行实时监测的方法。根据实际工况搭建了管道输气系统,使用空气作为传输介质模拟了易燃易爆气体发生泄漏的过程。通过对监测点管道的振动加速度进行采集,利用降噪和傅里叶、变换的信号处理手段,对振动波形进行分析。结果表明:在管道发生泄漏时,管道振动的振动加速度会发生一定程度的减小,振动主频会略微变大。通过光纤光栅传感技术,对振动特征参数进行分析和计算,可实现管道泄漏点准确定位。     

φ-OTDR识别不同频率振动事件研究

在相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)识别入侵事件中,时间域单点振动判断和空间域相邻点振动判断算法是以一段时间和相邻区域内的数据变化幅度为依据,来检测由入侵者产生的光强差异,定位入侵位置。本文在这种算法的基础上,重点研究了三个方面的内容：即研究自适应均值去阈值的方法、分析了该算法可以识别的振动事件的频率响应范围、设计算法对振动事件所包含的频率信息分类,并通过25组不同频率的振动实验验证算法和分析。实验证实研究出的阈值处理方法适应性非常好,频率响应范围与理论分析一致,且设计的频率分类算法能够实现对振动事件所包含的频率信息正确分类,为φ-OTDR的实际工程应用提供参考。     

分布式光纤传感温度测试系统性能标定方法

正一、引言分布式光纤温度传感系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统,实质上是分布光纤拉曼(Raman)光子传感器(DOFRPS)系统,它是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统。本文拟在简要阐述分布式光纤监测技术和分布式光纤温度监测技术及其校准原理的基础上,对分布式光纤传感温度测试系统性能标定方法进行介绍,为该系统在工程结构监测中的应用提供借鉴。     

基于通信光缆的光纤油气管线预警系统

提出了一种以光纤分布式扰动传感器为核心,通过随油气管线一同敷设的标准通信光缆为传感介质的新型光纤管线预警系统.该系统利用激光干涉的原理对扰动信号进行实时探测,从而实现对挖掘、偷盗和第三方破坏等事件导致的扰动的实时监测和定位,从而达到管线安全预警的功能.该预警系统成功研制后分别在津唐输油处石油管线和杭州至嘉兴天然气管线进行了多次外场测试,该系统能在长达60 km的管线上实现250 m的定位精度,具有很好的定位稳定性.其测试结果表明:与传统油气管线监测手段相比,该系统具有无需外场供电、本质安全、灵敏度高,监测距离长、可定位以及可预警监测等技术优势,是未来油气管线监测的发展趋势.     

复杂环境下地铁施工安全风险自动 识别与预警研究

在地铁施工安全管理工作中,面临的一个突出问题是施工安全风险信息采集与利用不充分,施工全过程安全风险控制仍是一个"黑箱"控制。将信息技术用于地铁工程施工安全风险控制,主要包括:a.针对施工前安全风险识别,提出利用计算机技术从工程图纸中自动识别施工安全风险的新方法,从而提高地铁施工安全知识的积累、共享和重用;b.针对施工中安全风险预警,提出地铁施工安全风险信息融合与时空耦合的预警方法,有效支持动态定位和跟踪危险施工工序及部位;c.针对高风险特殊区段施工,开发集自动监测、实时预警于一体的地铁施工安全集成控制技术,将预警信息及时发送给现场施工人员,便于及时有效的采取施工控制和应急措施,保障施工安全。本研究成果在全国多个城市地铁建设中成功应用。     

分布式光纤传感器周界安防入侵信号的多目标识别

针对分布式光纤在周界安防系统中信号种类,即不同的环境下产生的噪声信号干扰和常见的入侵产生的信号。本文基于全光纤马赫—泽德干涉仪的分布式光纤传感模型,提出了一种识别常见的越境信号和消除环境噪声干扰信号的方法,实现了在去除环境干扰的情况下,用BP神经网络对多种入侵信号识别。实验结果证明,该方法能够有效的区分越境信号和不同环境状态产生的噪声信号,极大的提高了整个系统的识别率,降低了其虚警率。     

基于光纤光栅传感器的结构故障定位方法

提出了一种实现结构故障定位和故障实时监测的新方法.该方法利用光纤光栅传感网络测量结构应变,得到结构的挠度矩阵,分析故障前后挠度矩阵变化,计算得出故障定位向量,进而确定损伤区域,实现了结构故障准确定位和健康状况实时监测.实验结果表明,上述方法大大提高了故障定位的准确度和实时性.     

下穿既有地铁隧道电子雷管网路施工技术

为了使在建地铁隧道顺利下穿通过最小净距仅有3.2 m正在运行的地铁隧道,采用短进尺、密打孔、单孔单响小药量、分区爆破和电子雷管起爆等技术;实时监测既有地铁隧道的振动和位移变形,及时调整爆破参数。结果表明:爆破振动和位移变形值控制在安全范围内,隧道安全。实践证明:采用钻爆法施工近距离穿越既有地铁隧道技术上是可行的。     

下穿既有地铁隧道电子雷管网路施工技术

为了使在建地铁隧道顺利下穿通过最小净距仅有3.2 m正在运行的地铁隧道,采用短进尺、密打孔、单孔单响小药量、分区爆破和电子雷管起爆等技术;实时监测既有地铁隧道的振动和位移变形,及时调整爆破参数。结果表明:爆破振动和位移变形值控制在安全范围内,隧道安全。实践证明:采用钻爆法施工近距离穿越既有地铁隧道技术上是可行的。     

基于CEEMD-MPE-IMPROVED WTD的爆炸振动信号噪声抑制方法

光纤分布式声传感(distributed acoustic sensing, DAS)系统因其灵敏度高、抗电磁干扰和分布式远距离传感的特点,广泛应用于微震监测和震源定位等领域。通过DAS系统采集爆炸产生的振动信号,并利用信号的到时信息进行爆源定位。但由于爆炸试验现场的噪声干扰,信号和噪声混叠,到时算法求得的到时信息误差较大,影响定位精度,因此需要对信号进行去噪处理。鉴于经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)方法处理爆炸振动信号时有效信息的严重损失,提出了一种基于互补集合经验模态分解(complementary ensemble empirical mode decomposition, CEEMD)、多尺度互变熵(multiscale permutation entropy, MPE)和改进的小波阈值去噪(wavelet threshold denoising, WTD)的融合降噪方法,对DAS系统采集的信号进行去噪。它与EEMD-MPE、CEEMD-MPE和CEEMD-MPE-WTD方法进行了比较。试验结果表明,该方法可以将信噪比(sign...     

多维信息感知的三维可视化电缆通道全景管控

随着城市建设的不断升级,轨道交通和市政工程道路开挖频繁,然而由于施工方往往不能及时、准确地掌握开挖区域内地下电力电缆的位置和深度等相关资料,因此容易造成电缆通道被外力破坏、10 kV电缆被挖断等事件,该文引入电缆通道震动监测、电缆井运行环境监测以及电缆接头异常监测等多维感知技术,建立基于多维感知传感技术的地下电缆入侵监测、预警、模式识别及三维可视化展示平台,实时全景管控地下电缆的状况,实现电缆通道安全监控从被动防御到主动预警的转变。     

基于支持向量机的相位敏感光时域反射仪研究

为了解决实际环境中振动事件易误报的问题,在基于相位敏感光时域反射仪的分布式光纤振动传感系统中,引入了一种融合小波能量谱和支持向量机(SVM)的模式识别方法。首先,利用小波能量谱分析方法,设定最优分解层为5层,并从原始信号中提取出特征向量;然后利用支持向量机的“一对一法”多分类策略对振动事件进行识别分类。考虑到实际环境因素的影响,对沿光纤行走、敲击光纤以及沿光纤慢跑3种模式的振动进行了检测试验;最后,采用准确率、精确率、召回率和F值来综合评价支持向量机分类器的性能。实验结果表明:该模式识别方法实现了84.9%的振动事件分类准确率。