激光器频率漂移对相位敏感光时域反射计性能影响研究

针对激光器频率漂移对相位敏感光时域反射计(-OTDR)的性能影响,文中采用后向瑞利散射的一维脉冲响应模型对其进行了理论分析。在实验室测试中,搭建了臂长差为100 m 的非平衡MZ干涉仪来实时监测激光器的频率漂移;并通过测试三种不同频率漂移的激光器下的 -OTDR 系统性能验证了理论分析的正确性。理论分析及实验结果表明,激光器的频率漂移是引起 -OTDR 曲线波动的重要因素,频率漂移越大,其引起的 -OTDR 曲线波动就越大;当频率漂移高达几百MHz/min时,在时域上已难以区分出是频率漂移引起的扰动还是入侵事件引起的扰动,但仍能在频域中将频率漂移噪声分辨出来。     

基于相位解调的相位敏感光时域反射计研究

基于相位敏感的光时域反射计（Φ-OTDR）通过发射光脉冲到传感光纤内,利用分析传感光纤的后向瑞利散射光或前向散射光的方法对入侵扰动事件进行识别和定位。对比其他光纤分布式传感技术,Φ-OTDR能够长距离分布式多点测量,精度高、可靠性好,研究Φ-OTDR具有重要的应用价值。本文介绍了Φ-OTDR的基本原理、结构、系统性能、信号解调和应用情况,并对Φ-OTDR技术进行了展望。     

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。     

基于相位敏感光时域反射计的长距离入侵探测系统

根据受激布里渊散射(SBS)对相位敏感光时域反射计(-OTDR)的监测距离的限制,分析了在使用不同灵敏度的光电探测器时-OTDR系统的监测距离,并根据SBS阈值随着光纤长度的增加而下降的特点,提出了一种新的光路结构以提升系统的监测距离。该光路结构采用环行器将敏感光纤分为多个部分,并对各部分的后向瑞利散射光分别进行探测,避免了各部分光纤产生的斯托克斯光相互叠加,从而提高了SBS阈值,进而实现了提升系统监测距离的目的。在实验室测试中,使用3个环行器将敏感光纤分为了3个部分并实现了66.92 km的监测距离。通过增加环行器的数量,系统的监测距离可以进一步提高。     

相位敏感光时域反射系统相位模糊及解卷绕

对相位敏感光时域反射系统相位模糊问题和解卷绕进行了研究,推导了系统中扰动引入的相位变化的整个过程,分析了相位敏感光时域反射系统相位解调过程中产生相位模糊的原因。实验采用压电陶瓷作为扰动源,通过数字相干解调方法进行了相位解调。实验结果表明,相位模糊同时存在于每条相位解调曲线上和曲线之间,因此需要进行两次相位解卷绕消除相位模糊现象;同时,对实验中产生的相位错乱进行了分析,指出相位解卷绕阈值和扰动位置相位的剧烈变化导致了扰动位置相位解卷绕结果不准确,提出了采用相位差变化峰之后的临近位置处的相位变化来还原扰动。实验表明,这种方法能够正确还原扰动信号,能够对10 Hz~1.5 kHz范围内的扰动信号进行准确解调,可同时响应并解调光纤沿线多点扰动,且相位变化幅值与扰动强度具有良好的线性关系。     

调制器消光比对光纤分布式扰动传感器的影响

基于多波干涉原理,建立了调制器消光比(ER)不理想条件下基于相位敏感光时域反射(OTDR)的光纤分布式扰动传感器(FDDS)光路系统输出信号模型,研究了调制器ER对FDDS定位精度的影响机理。仿真结果表明:调制器的ER不理想引起泄漏光产生的后向散射相干曲线是噪声源,它会导致传感器的信噪比(SNR)恶化。因此,调制器的ER是引起定位误差甚至传感器无法定位的一个关键因素;当调制器的ER分别低于10.2dB和7.8dB时,依据有扰动减无扰动定位方法以及移动平均和移动差分算法得到的传感器SNR低于2dB,定位算法失效。通过调节声光调制器的驱动电压来改变衍射效率从而改变调制器的ER,实验结果与数值仿真基本一致。     

相位敏感光时域反射系统低频响应性能优化

相位敏感光时域反射系统以其分布式光纤传感技术的优势在分布式水听、压裂微地震检测、自然灾害预警等低频监测领域具有极高的应用前景。文中对系统中脉冲斩波信号与频率调制信号时钟不同源的问题予以验证,并对其产生的影响进行理论分析;设计双路同步时钟源驱动产生脉冲斩波信号和频率调制信号,降低每个脉冲重复周期中频率调制信号的随机低频相位噪声,提高探测脉冲光的相位稳定性;采用时钟同源和时钟非同源两种方式对典型的基于外差相干检测的相位敏感光时域反射系统的声光调制器进行驱动,由信号发生器驱动缠有光纤的压电陶瓷,产生不同频段的扰动信号。实验结果表明:在同一测试条件下,前者在低频段的信噪比、相位解调质量、频率响应方面均优于后者,最小响应频率为0.1 Hz,相对提高两个数量级,降低了系统中低频噪声干扰。该方法易于实现,可与现有的低频性能优化方法或结构兼容,进一步提高系统低频响应性能。     

调制频率对φ-OTDR 分布式光纤扰动传感系统动态性能的影响

调制器将输入连续光调制成脉冲光,是基于 -OTDR 分布式光纤扰动传感系统的重要组成部分,其调制频率直接决定了系统的监测距离并影响系统的动态特性。对调制频率对系统动态响应范围的影响进行了理论分析及仿真研究。结果表明,脉冲调制频率决定了系统所能还原的外界扰动信号的最高频率。调制频率越高,系统的频率响应范围越大,可探测到的扰动的极限频率越高,采集到的信号失真度越低;反之,调制频率较低甚至低于扰动信号频率时,采集到的信号将严重失真。     

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。     

基于小波包的相位敏感OTDR分布式光纤振动信号降噪方法的研究

针对传统的基于相位敏感光时域反射计(-OTDR)的分布式振动传感系统在对外界振动信号降噪 效果方面的不足,提出了一种基于小波包的降噪优化方法:首先分析采集到振动点处信号的 特征并选取最 优基波Sym6,比对不同的基波分解层数对于原始信号降噪处理后的效果,从中选择三层分解 作为最优化分 解层数。其次对信号处理前后的信号进行傅里叶变换,通过频域比对证明小波包降噪方法能 够有效去除主 振信号以外的噪声。再次针对振动点附近的采集点进行了频谱分析,结果显示只有振动点对 应采集点的频 率与振动频率相同,从而证明了系统实际空间分辨率可达到1m。     

一种新型的光纤相位OTDR系统频漂误差抑制算法的研究

激光器的频率漂移对相位敏感光时域反射计的定位有重要的影响, 其直接导致定位的信噪比下降。提出一种频谱分析结合选取特征频段的定位算法, 在算法中通过选取合适的特征频段, 对影响系统定位的激光器频漂进行误差抑制。特征频段的选取通过实验信噪比的高低决定。通过实验验证, 结果显示该算法提高了系统定位性能并进一步提高了信噪比。     

相位敏感OTDR系统的信号解调方法

提出了一种改进的关于相位敏感光时域反射计(OTDR)系统的信号解调方法.从理论上阐述了该方法的原理,分析了该方法中关键参数(平均次数、滑动窗口和相减间隔)的取值对相位敏感OTDR系统信号处理结果的影响,并且总结了它们取值的指导依据.与常规的数字平均方法对比,利用该方法进行数据处理,有效地解调出扰动信号,进一步说明该方法的可行性.结果表明,该方法根据信号的波动特征将原始数据进行分组,提高了各组数据的相关性,从而明显改善了系统的信噪比,对长距离相位敏感OTDR系统性能的优化有一定的指导意义.     

相位敏感OTDR系统的信号解调方法

提出了一种改进的关于相位敏感光时域反射计(OTDR)系统的信号解调方法.从理论上阐述了该方法的原理,分析了该方法中关键参数(平均次数、滑动窗口和相减间隔)的取值对相位敏感OTDR系统信号处理结果的影响,并且总结了它们取值的指导依据。与常规的数字平均方法对比,利用该方法进行数据处理,有效地解调出扰动信号,进一步说明该方法的可行性.结果表明,该方法根据信号的波动特征将原始数据进行分组,提高了各组数据的相关性,从而明显改善了系统的信噪比,对长距离相位敏感OTDR系统性能的优化有一定的指导意义.     

小波阈值降噪法在Φ-OTDR扰动传感系统中的应用

针对目前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信噪比较差的问题,提出采用小波阈值降噪法对系统采样信号进行信号处理的前期降噪。分析系统有效信号特征,采用小波阈值降噪法中强制阈值降噪法、软阈值降噪法以及硬阈值降噪法分别对采样信号进行降噪处理,经过比较选择了阈值降噪法作为降噪算法。定量对比降噪前后扰动信号的信噪比,证明采用小波阈值降噪法中硬阈值法处理后的数据在进行后期定位算法时,信噪比提高近一倍。     

基于布里渊光时域反射的分布式光纤传感入侵定位检测系统

建立了基于布里渊时域反射(BOTDR)技术的分布式光纤传感入侵定位检测系统。采用自制的光纤单纵模分布反馈(DFB)激光器,利用边缘滤波(BPF)技术,简化了BOTDR系统中频率解调的方法,实现了对入侵应变事件的快速定位与检测。实验结果表明,当探测范围为10km时,系统的定位空间分辨率达到5m,应变分辨率达到200με,可以满足入侵定位实时检测的需求。     

光纤频率传输中相位漂移的主动抑制研究

提出了一种基于线性光子射频移相器的光相位漂移主动抑制方案,方案中采用了双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)和本地微波信号光滤波器,通过控制DPMZM的偏置电压补偿光纤传输产生的相位漂移.建立了20km频率传输实验系统,在时间抖动均方根小于0.5ps的20km单模光纤中传输了0.5GHz的参考信号.     

特高压直流控制保护系统相位光时域反射仪信噪比提升方法

分析了由特高压直流输电控制保护工程系统相位光时域反射仪(Φ-OTDR)测得光缆沿线时域、频域信号的分布规律,提出了信号时域乘法短时过双电平率与频域分段频带均方根误差(RSMD)综合算法,编制了综合算法程序,开展了工程实验。当光缆链路在2.3,5.0,10.8,16.0 km处存在微弱故障时,利用乘法短时过双电平率法可使得系统信噪比(SNR)分别提高到9.41 dB、9.02 dB、7.60 dB、3.50 dB。当光缆链路信号频带内分段数为8时,系统SNR可进一步提升,且频带RSMD峰值可突出微弱故障位置,与实际情况差异小。所提方法的光缆链路微弱故障定位精度达到±2 m,不仅提升了工程系统的SNR,还解决了难以辨识光缆链路微弱故障的问题。