基于MELMD-ICA的光纤振动信号降噪方法

针对分布式光纤传感系统所采集含噪信号,提出一种改进集成局部均值分解(MELMD)联合独立成分分析(ICA)的降噪方法,引入排列熵判决机制提高抑制模态混叠与虚假分量能力。首先使用MELMD方法分解含噪信号得到乘积函数(PF)并进行信号重构;将含噪信号和重构信号求差得到虚拟噪声,构造虚拟通道;然后使用ICA对含噪信号和虚拟通道进行信噪分离,得到最终结果。通过实验验证,该方法与EMD-ICA,EEMD-ICA,MELMD相比,能更好地消除信号中的噪声,保留信号的特征信息。     

一种高双折射低限制性损耗光子晶体光纤设计

本文设计了一种适用于长距离光纤通信的新型光子晶体光纤。该光纤包层内椭圆形和圆形空气孔呈交错排列,纤芯两侧为两个小椭圆空气孔。利用有限元分析方法对所设计光纤的传输特性进行分析并对其结构进行了优化,确定了最佳结构。结果表明,波长为1550 nm时,此新型光子晶体光纤在最佳结构下可提供高达3.51×10^-2的高双折射和低至1.5×10^-9 dB/m的限制性损耗。与现存的引入椭圆形空气孔的光子晶体光纤相比,本文中的光子晶体光纤的双折射系数有较大提高,限制性损耗系数降低了5个数量级。另外,本文还详细研究了光子晶体光纤的色散随光子晶体光纤结构的变化以及其布里渊增益特性,并分析了其可制造性。基于其高双折射和低限制性损耗特性,此种光纤可应用于长距离光纤通信系统。     

布里渊温度和压力传感器增敏设计

设计了一种基于分布式传感技术的薄壁圆筒型液体温度和压力传感器.选取具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢316L和铍青铜C17200分别对传感器进行封装.利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对封装的传感器压力和温度特性进行仿真分析,得到器件的径向应变量,分析其布里渊频移随压力和温度的变化关系.仿真实验表明,使用铍青铜C17200封装的传感器压力灵敏度和温度灵敏度更高,在0～12 MPa、-5～40℃范围内压力灵敏度达11.1 MHz/MPa,温度灵敏度达2.56 MHz/℃,相较于普通单模光纤分别提升7.4倍和1.7倍.     

基于CVMD和DBO-SVM的光纤周界安防信号识别方法

为降低光纤周界安防信号中噪声对分类结果的影响,提升信号分类的准确率和运行效率,提出一种融合了相关变分模态分解(Correlation Variational Mode Decomposition, CVMD)、蜣螂算法(Dung Beetle Optimizer, DBO)和支持向量机(Support Vector Machine, SVM)的分类方法。利用CVMD去除原始信号中的噪声分量,并提取去噪后信号的能量、能量熵和峭度作为特征向量。采用DBO算法优化SVM,得到最佳惩罚因子和核函数参数,并构建DBO-SVM分类模型。搭建了基于相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术的周界安防系统,采集了攀爬、敲击、踩踏和无入侵四类信号。实验结果表明,CVMD-DBO-SVM的分类准确率相比CVMD-PSO-SVM和CVMD-GA-SVM更高,达到了98.75%,同时运行时间更短,综合性能最优。     

一种基于马赫-曾德尔干涉仪的折射率和温度同时测量传感器

设计制作了一种基于马赫-曾德干涉结构的传感器用于折射率和温度的同时测量,传感器的结构为单模-多模-细芯-多模-单模。利用RSoft光学仿真软件的BeamPROP模块对传感结构内部光场进行模拟分析,确定了多模光纤(multi-mode fiber, MMF)及细芯光纤(thin core fiber, TCF)的最优长度,制作了传感结构并搭建实验系统观测其折射率和温度响应情况,结合敏感矩阵,实现了双参量的同时测量。实验结果表明,该传感器在1.333—1.380的折射率范围内灵敏度为-44.944 nm/RIU,在30—65℃的温度范围内灵敏度为0.082 9 nm/℃。本文提出的传感器结构简单、体积小、灵敏度高,可以为折射率和温度双参量传感设计提供参考。     

Bend-tolerant fiber sensor based on BOTDR system

A simple and inexpensive sensing structure, single mode fiber (SMF) alignment fusion to 62.5 μm stepped index-multimode fiber (SI-MMF), combined with Brillouin optical time domain reflectometry (BOTDR) system, is used as a distributed sensor in the field of structural safety and health monitoring (SSHM) of large infrastructures in terms of its prominent bending resistance. The bend loss principle and influencing factors of the fiber are analyzed, and the bending resistances of different fibers are discussed on the basis of theoretical and experimental comparisons. The bend-tolerant capacity and temperature sensing characteristics of the 5 km sensing structure are measured by using the self-developed frequency-shifted local heterodyne BOTDR system. The results show that the proposed sensing structure has excellent bend-tolerant capacity with a minimum bend radius and temperature measurement error of 1.25 mm and 0.69 °C, respectively, which indicates that the proposed sensing structure has huge potential in the field of SSHM of large infrastructures.     

布里渊散射谱图像的边缘特征提取方法

为有效提取布里渊分布式光纤传感系统的布里渊频移,减少数据处理时间,提出一种基于二阶Lapl aci an边缘检测算子的布里渊散射光谱图像边缘特征提取方法。将布里渊频移视为散射谱图像边缘,利用二阶Lapl aci an边缘检测算子对布里渊散射光谱图像进行锐化处理;通过非极大值抑制和自适应阈值去除无效边缘获得二值图像,并搭建布里渊光时域反射温度传感系统。实验结果表明:该方法能够准确提取频移特征,且用时远少于曲线拟合法,有利于缩短系统的温度测量时间。     

基于磁流体的干涉型光纤温度与磁场双测量传感器

将一种基于磁流体包覆的单模-大芯径多模光纤-单模-单模错位熔接(SMSS)构成的马赫-曾德干涉仪(MZI)和光纤光栅(FBG)相结合,利用磁流体的磁致折变效应和光纤光栅的温度灵敏特性,实现了低成本的温度与磁场双测量.利用光束传播法模拟分析了传感结构的内部光场,确定多模光纤的选型,熔接并制作了传感结构,建立敏感矩阵,实现温度与磁场的同时测量.实验测试结果表明,该传感结构的磁场与温度灵敏度分别为15.9 pm/Oe和-161.7 pm/℃.     

Influence of laser wavelength instability, polarization fading and phase fluctuation on local heterodyne detection wavelength scanning BOTDR

In this paper, the influence of laser wavelength instability, polarization fading and phase fluctuation on local heterodyne detection wavelength scanning Brillouin optical time domain reflectometer (WS-BOTDR) is theoretically analyzed, and a local heterodyne detection WS-BOTDR system is built for experimental verification. The experimental results show that with the increase of sensing distance, the adverse effect of laser wavelength instability, polarization fading and phase fluctuation on local heterodyne detection WS-BOTDR is gradually aggravated, which will lead to the broadening and distortion of the wavelength power spectrum (WPS), resulting in large errors in demodulated Brillouin central wavelength (BCW) and temperature. The average temperature measurement errors at the positions of 1 km, 5 km, 9 km non-heating section and 9.45 km heating section are 1.76 °C, 3.42 °C, 3.89° C and 4.3 °C, respectively.     

基于BOTDA的海缆监测系统振动信号降噪方法研究

搭建了基于布里渊光时域分析(BOTDA)的海底电缆(海缆)振动信号监测模拟实验系统,通过实验获得了锚砸、冲刷、摩擦3种工况下的海缆振动信号.针对振动信号含有大量噪声,提出TSA-VMD-MPE降噪方法.利用被囊群算法(Tunicate Swarm Algorithm,TSA)优化变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD),获取VMD分解层数与惩罚因子的最优值,对振动信号分解获得本征模态函数(Intrinsic Mode Functions,IMF)分量;利用IMF与原始信号的相关性及IMF的方差贡献率联合来确定IMF的多尺度排列熵(Multi-Scale Permutation Entropy,MPE)阈值,对振动实验信号进行降噪.实验结果表明:所提降噪算法使3种海缆振动信号信噪比平均提高了12.0296 dB;将提出的MPE阈值方法应用于EEMD与CEEMD算法也获得了良好的降噪效果.