φ-OTDR降噪处理的研究进展

相位敏感型光时域反射仪（φ-OTDR）具有分布式传感、响应速度快、结构简单、检测距离长以及抗电磁干扰等特点,但在实际应用过程中,由于使用的是相干长度较长的光源,脉冲光的后向瑞利散射在光脉冲内部会发生干涉,且φ-OTDR受相干衰落、偏振衰落以及共模噪声等因素的影响,信噪比会急剧下降。因此,从φ-OTDR的工作原理入手,总结分析了近年来降低φ-OTDR系统各类噪声的方法,并对φ-OTDR系统降噪的未来发展方向进行了展望。     

基于脉冲调制的Φ-OTDR研究综述

基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的分布式光纤振动传感系统向传感光纤中注入探测光脉冲,通过测量光脉冲传输过程中产生的背向瑞利散射光的波动实现对入侵扰动的识别和定位,故探测光脉冲对Φ-OTDR系统性能有重要影响。介绍了Φ-OTDR基于光脉冲调制方面的研究进展,其中包括光脉冲的宽度、频率、形状以及消光比等参数对Φ-OTDR系统性能影响机理,以及通过脉冲调制优化Φ-OTDR系统信噪比、报警率、空间分辨率、响应带宽等参数以及恢复振动信号波形方面的研究进展。旨在通过光脉冲调制实现Φ-OTDR系统多项性能指标同步提升提供新思路,进一步推动Φ-OTDR的工程应用。     

基于外差检测和前向拉曼放大的新型长距离相敏光时域反射仪

基于外差检测与前向拉曼放大相结合的思路,提出了一种能实现长距离传感并同时具备高空间分辨率和高信噪比(SNR)的新型相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)。讨论了如何优化入纤脉冲光和拉曼泵浦光功率,尽可能降低非线性效应对系统的不良影响,并在此基础上讨论了外差检测相比直接检测对系统性能的改善。实验证明,本文提出的Φ-OTDR传感距离可达到103km,为迄今报道的最长距离,空间分辨率为15.7m,SNR为7.89dB,其应用在管道防开挖现场试验中得到较好的验证。     

φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统光源参数影响

基于-OTDR 的分布式光纤扰动传感系统利用一根传感光纤可实现长距离的入侵实时监测。光源作为该系统的关键器件之一,其参数直接影响到系统的监测距离和定位精度等性能指标。文中针对光源参数对系统性能的影响做了理论分析和实验研究。理论分析和仿真表明:增加光源功率、提高脉冲宽度和提高调制周期可提高监测距离;减小脉冲宽度可提高定位精度。在上述分析的基础上,提出了针对不同监测距离的光源参数优选方案,并通过实验验证了理论分析的正确性。     

相位敏感光时域反射计的高频振动检测

相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)可以有效地检测光纤的振动信息,但受传感光纤长度的限制,可检测的振动频率范围一般在几百赫兹到几千赫兹之间。为了提高振动检测范围,组建了基于外差相干检测的φ-OTDR系统,采用I/Q解调方法获得传感光纤散射光信号的相位信息,对此相位信息在空间域与时域上相继进行差分相位解调,从而实现对光纤中高频振动信号的分布式检测。理论上分析了高频振动检测方案的可行性,并在实验中有效解调出了频率为500 kHz的振动信号,传感距离达到了23 km。     

基于BOTDA传感技术的空间分辨率研究

空间分辨率是BOTDA传感系统的一个重要参数,其主要取决于泵浦脉冲光的宽度。为了提高BOTDA系统的空间分辨率,在不改变泵浦脉冲光宽度的情况下,采用螺旋式盘绕传感光纤的方法,分析了布里渊散射传感原理,理论上分析采用螺旋式盘绕光纤对提高实际测量空间分辨率的影响。实验中泵浦脉冲光宽度为10 ns,BOTDA系统采样间隔为0.4 m。采用1 m长螺旋式盘绕传感光纤监测0.5 m管线轴向温度分布,监测空间分辨率为0.5 m。分析结果表明,采用螺旋式盘绕光纤更有利于提高监测管线温度场的空间分辨率。     

基于φ-OTDR 的分布式光纤声波传感系统性能改进研究

为了满足复杂的工程现场环境对相敏光时域反射仪(φ-OTDR)的各项性能指标的需求,提出基于自适应卡尔曼滤波(AKF)和频分复用(FDM)的高性能φ-OTDR,利用FDM提升系统的频响带宽,引入AKF对线性响应于外界振动的相位状态的噪声统计特性进行实时估计和修正,抑制了衰落和串扰导致的相位失真。实验结果表明,改进后φ-OTDR系统的传感线性度被有效提升,系统本底噪声降低到-83.7dB²/Hz,应变分辨率达到了0.28pε/Hz1/2。     

相位敏感光时域反射仪研究和应用进展

国家重大基础设施和关键区域的安全,对于保障经济发展、国家安全、社会稳定和人民生活具有极其重要的意义。基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统在入侵探测、周界安防和基础设施安全监控等方面具有独特的技术优势,近年来受到各国科技界和工业界的广泛关注。详述了本课题组近10年来在该领域的研究成果,包括Φ-OTDR定量化相位解调技术、信号干涉衰落的机理研究、超高频率响应带宽系统、超高空间分辨率系统、低噪声窄线宽单频激光器和激光扫频技术等方面的进展;介绍了Φ-OTDR系统在周界安防和铁路安全监测等领域的工程应用,并对Φ-OTDR的国内外发展趋势进行了简要的评述。     

φ-OTDR振动传感系统中的相位模糊问题

针对-OTDR振动传感系统中的相位模糊问题,推导了背向瑞利散射光功率与干涉光场相位差、干涉光场相位差与光纤应变的关系式,分析了相位模糊现象的发生原因及表现形式,研究了相位模糊对传感系统性能的影响及系统最大可检测应变与空间分辨率的关系,并进行了仿真验证。结果表明:相位模糊是限制系统应变测量范围的主要因素,它会引起振动频率的误判和振动幅度的测量错误,还可能导致大应变信息的漏报;系统空间分辨率越高,应变测量范围越大,说明-OTDR振动传感系统适用于高空间分辨率振动的测量。研究结果为-OTDR振动传感系统参数设计和系统优化提供了理论参考。     

脉冲预泵浦瑞利BOTDA系统的解析模型与仿真

将脉冲预泵浦的概念引入瑞利布里渊光时域分析系统,利用由传感脉冲和经微波调制的预泵浦脉冲组成的阶梯脉冲作调制信号,通过作为探测光的时间有限的预泵浦脉冲1阶边带的瑞利散射与传感脉冲的受激布里渊作用,实现布里渊信号的时域整形,减小非本地效应;通过预泵浦脉冲0阶基带和传感脉冲的受激布里渊作用,实现布里渊信号的谱域整形,有效地解决空间分辨率和测量精度之间的矛盾。利用频域法求解瞬态耦合波方程,建立了阶梯脉冲光在光纤中受激布里渊作用的解析模型。仿真结果表明,当传感脉冲宽度为5 ns、峰值功率为100 mW,预泵浦脉冲宽度为50 ns、峰值功率为16 mW时,在空间分辨率0.5 m内受激布里渊散射增益在0.14 m处达到最大值,然后近似线性下降至0.37 m处,其余位置近似为零;系统布里渊散射谱宽近似为35 MHz,约为传统瑞利布里渊光时域分析系统布里渊谱宽212 MHz的1/6,在相同空间分辨率下提高了频率测量精度。     

基于Φ-OTDR的光纤传感技术原理及其应用现状

相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)由于其出色的综合性能而成为目前主流的分布式光纤振动监测方法之一。文章在介绍背向瑞利散射的基础上详细分析了Φ-OTDR系统的传感机理,并对Φ-OTDR系统的空间分辨率、动态范围和灵敏度等关键性能指标及其影响因素和提高方法进行了系统分析,为Φ-OTDR系统实际应用时参数的选择和性能优化提供参考。在此基础上,针对现阶段Φ-OTDR技术在海底电缆、周界防护等领域的应用进行了综述,指出了Φ-OTDR技术存在的一些不足,并对其发展前景进行了总结与展望。     

一种基于相位敏感光时域反射计的多参量振动传感器

提出了一种基于数字相干检测和维纳滤波技术的相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)。在该技术中,实时解调出了沿光纤链路散射回的瑞利信号电场的振幅和相位。通过分析解调出的振幅和相位,检测到了位于3.5km传感光纤上的一个由压电陶瓷(PZT)所产生的正弦振动信号的位置、频率和强度。应用维纳滤波降低了由激光器的相位噪声和探测器加性噪声引起的相位波动。系统的空间分辨率为5m。     

色散介质中超短脉冲厄米-高斯光束在相位奇点附近的光谱异常特性

基于索末菲(Sommerfeld)衍射积分公式,对色散介质中超短脉冲厄米-高斯光束在相位奇点附近的光谱异常行为进行了研究,并与真空中的光谱异常行为进行了比较.结果表明,超短脉冲厄米-高斯光束的轴上光谱蓝移,蓝移大小与群速度及脉冲宽度有关,而与群速度色散无关.色散介质中的相对光谱移动略小于真空中的相对光谱移动,脉冲宽度越大,相对光谱移动越小.光谱开关的位置与横向距离、传输介质和厄米函数阶数m,n有关,而与脉冲宽度无关.光谱开关的横向距离小于真空中的相应阶的光谱开关的横向距离,并且随光谱开关的阶数增加,真空和色散介质的相对光谱移动均缓慢减小.     

基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统研究现状

基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤扰动传感系统一直是扰动监测方面的研究热点。通过对比与传统光时域反射计(OTDR)的区别,介绍了Φ-OTDR传感系统的结构和工作原理。根据其发展动态,以提高传感距离和定位精度为目的,从Φ-OTDR系统结构的改进出发,分别论述了传统式、拉曼式、布里渊式和级联式四种典型的Φ-OTDR扰动传感系统的工作原理及研究现状,总结了各自的优缺点,为在实际应用中选择合适的系统结构提供了方向,最后展望了基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统的应用前景。     

光脉冲测距误差的修正

对光脉冲测距例如人造卫星测距所产生的误差的修正作了一般的分析。分析表明:关于测距误差的修正问题可用大气修正、空间修正、电子线路中的误差修正的代数和来描述。提出了用一个标准目标对所测距离进行标定和修正的方法。实际上在短距离测距中,修正距离很容易地用两个标准目标决定,即便是大气折射率和计数器时基的精度是未知的。在地面上100米到10公里的范围内用激光系统做了测距实验。在激光脉冲宽度为50毫微秒(7.5米)以及时间间隔计数器的分辨率为10毫微秒(1.5米)的情况下,用两个标准目标所修正的距离与用光电测距仪精确测定的距离很好的一致。     

Φ-OTDR分布式光纤传感系统的关键技术研究

提出了一种基于Φ-OTDR(相位敏感光时域反射计)技术的Φ-OTDR分布式光纤振动传感技术,该技术能够方便地进行入侵定位。介绍了Φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的传感机理,论述了光纤传感采集系统的硬件和软件设计。试验结果表明,该系统可对通信光缆不同位置的入侵事件自动识别预警,显示险情位置,测量距离大于60km,定位精度10m。     

基于相位敏感光时域反射计的音频激励信号解调与复现

解调复现外部振动信号在实际工程监测应用中具有广阔的应用前景。基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的DAS可以探测分布式单模光纤的振动信号,其集传感和光纤于一体且还原原始信号时无需参考信号,适用于工程应用。本文设计演示了一种基于 Φ-OTDR的直接监测的简易且低成本的音频振动信号的解调与复现系统。在实验装置中使用聚苯乙烯板作为声音在空气中传输的增敏材料。将正弦干扰声音、人声及音乐三种激励源通过扬声器对待测光纤播放,证明本系统能在10 km的传输距离中复现频率丰富的外部振动信号,且具有4 m的空间分辨率,该系统适用于长距离监测下的外部振动的解调复现。     

准相位匹配晶体中超短脉冲传输的自聚焦效应

建立了超短激光脉冲在准相位匹配晶体中传输的物理模型,并对修正后的非线性薛定谔方程进行了数值求解,获得了飞秒激光脉冲在周期极化铌酸锂晶体中传输的时空演化过程。模拟结果发现当入射基频光功率超过晶体自聚焦的临界功率时,发生自聚焦过程。自聚焦效应使激光脉冲在时域上产生分裂和在空间上发生聚焦。脉冲宽度随着传输距离的增加而逐渐减小,焦点处脉冲宽度最小;脉冲在空间上被聚焦,聚焦半径随着传输距离的增加而逐渐减小,焦点处半径最小,经过焦点后发散;脉冲峰值强度在焦点处最强,经过焦点后峰值强度逐渐降低。超短脉冲倍频过程中,自聚焦效应限制了准相位匹配晶体的长度。     

基于内调制啁啾脉冲的高信噪比低成本直接探测型φ-OTDR系统

提出一种新型的基于内调制啁啾脉冲的高信噪比(SNR)直接探测型相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)。通过理论分析可得,利用啁啾脉冲的方法并通过提高受激布里渊阈值可提高注入光能量,提高探测信号中的直流分量可使信号与噪声分离,进而提升SNR。提出一种φ-OTDR系统信噪比的综合评判方法,对SNR的统计特性进行分析。同时,开展了基于分布式反馈激光器的内调制直接探测型φ-OTDR系统实验研究,利用可调谐滤波器对内调制产生的频率啁啾范围进行控制,经对比实验验证,可得所提系统与传统φ-OTDR系统的信噪比期望相当,分布方差更小,测量可靠度更高的结论。此外,该系统还具有成本低、结构简单等优点,实际应用时可以利用光纤布拉格光栅代替可调谐滤波器,提升其应用的灵活性,为工程应用提供新的解决方案。     

长距离高精度的线性调频光时域反射仪

为了对西藏人烟稀少地区和单跨段传输距离很长的光纤链路进行检测,文章提出一种用于提高线性调频(LFM)光时域反射仪(OTDR)空间分辨率和测量距离的方法。该方法通过产生一个调频范围为200 MHz、脉冲宽度为20μs的强度调制模拟LFM信号来实现高的空间分辨率和大的探测距离。使用该方法在西藏地区的实际光纤传输链路中进行了实验测试,实验结果表明,该方法能够在长度为240 km的光纤链路上实现0.000 53 km的空间分辨率,与相同测量参数的单脉冲OTDR相比,动态范围提高了8.5 dB。