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。     

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。     

高空间分辨率长距离分布式光纤振动传感系统

正相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)以其具有动态监测性能而被广泛研究。在传统φ-OTDR中,传感距离和空间分辨率存在矛盾的关系。光纤中脉冲光功率受限,且空间分辨率由脉冲宽度决定,而脉冲宽度的减小会导致传感距离减小。目前,大多数φ-OTDR系统在传感距离大于10km时,空间分辨率仅能达到数米至数十米。本课题组提出的扫频脉冲(FSP)φ-OTDR采用扫频脉冲作为探测光,在接收端对信号进行类似     

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。     

基于弱光栅阵列增强的Φ-OTDR传感系统性能分析

在基于弱光栅阵列增强的相位敏感光时域反射技 术(Φ-OTDR)传感系统中,通过以弱光栅阵列(FBG)的反射信号代替传统Φ-OTDR中的瑞利散射信号,并通 过匹配干涉仪来解调出相位变化,实现分 布式测量。本文研究了弱光纤光栅阵列对Φ-OTDR振动传感系统 信噪比(SNR)改善的效果,并分析了随 之带来的串扰影响。实验结果表明,相比于传统Φ-OTDR传感系统,采用约－35 dB反射率弱光栅阵列增强 的Φ-OTDR传感系统有着更低的相位噪声水平,信噪比提高了33 dB;由于弱光栅阵列中的串扰影响,在 光纤2.4 km处的噪声水平相比于入射端上升了18 dB,但仍然好于无光栅阵列的Φ-OTDR系统。     

基于弱光栅阵列的增强相位敏感光时域反射仪振动传感系统

设计了一种基于弱光纤布拉格光栅阵列的增强相位敏感光时域反射仪(?-OTDR)振动传感系统,以反射率较大的弱光纤光栅反射信号代替?-OTDR中的瑞利散射信号,利用相邻弱光纤光栅反射信号间干涉信号的强度变化来判断光纤线路上振动事件的情况,并采用时分复用技术对振动点进行精确定位。结果表明,该系统在面向振动信号的检测与解调方面比?-OTDR更为简便,同时能实现分布式测量,并能解调出频率范围为10~500Hz的任意振动信号,在周界安防领域具有实际应用价值。     

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。     

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。     

基于光频域反射原理的分布式光纤应变传感解调算法改进

利用光纤中的背向瑞利散射通过光频域反射原理实现整段光纤上的分布式应变测量.对应变解调算法进行了改进,采用二次互相关的方法实现了光纤的波长分辨率为5 pm,空间分辨率为2 cm.搭建了一套基于光频域反射原理的分布式光纤应变传感系统,对应变系数进行了标定,并实现了5m长光纤上的分布式应变测量,应变测量范围为50～500 με,应变分辨率为4.2με.改进后的算法克服了传统算法中波长分辨率和空间分辨率相互制约的缺点,能在保证波长分辨率的前提下提高空间分辨率,对该应变传感技术的后续研究具有一定借鉴意义.     

基于Michelson干涉解调技术的光纤光栅传感系统

介绍了一种基于Michelson干涉解调技术的光纤光栅传感系统,将包含被测应变信息的FBG波长信号转变成相位信号,通过单片机系统检测相位的变化,得到被测应变的大小.系统可检测静态应变和动态应变,具有高分辨力、大测量范围等特点.     

相位敏感OTDR和布里渊OTDR结合的双参量分布式光纤传感的研究

在分布式光纤传感及应用中,单一传感系统一般只能实现一种参量的监测,如相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)只能监测光纤沿线的振动信息,布里渊光时域反射计(BOTDR)仅能监测应变/温度信息.对于多参量监测的应用场合,必须通过配合多种技术和系统来实现多参量监测和分析,增加监测成本和复杂性.设计并搭建了一种集成Φ-OTDR和...     

Lab VIEW实现光纤光栅传感干涉解调技术的研究

结合虚拟仪器技术和光纤光栅传感技术,自行设计了一套光纤光栅传感解调系统.系统采用了基于迈克尔逊干涉技术的解调方法,将包含被测应变信息的FBG波长信号转变成相位信号,通过以Lab VIEW为核心的虚拟仪器系统检测相位的变化,从而得到被测应变的大小.该干涉解调系统避开了传统解调系统受电磁干扰和环境等方面的影响,因此使得测量精度有了很大的提高.虚拟仪器系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点.     

基于Lab VIEW的FBG传感解调技术的研究

结合虚拟仪器技术和光纤光栅传感技术,自行设计了一套光纤光栅传感解调系统.系统采用了基于迈克尔逊干涉技术的解调方法,将包含被测应变信息的光纤布喇格光栅(FBG)波长信号转变成相位信号,通过以Lab VIEW为核心的虚拟仪器系统检测相位的变化,从而得到被测应变的大小.该干涉解调系统避开了传统解调系统受电磁干扰和环境等方面的影响,因此使测量精度提高.虚拟仪器系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点.     

基于涡旋光的光纤干涉型应力传感器

为了进一步增大光纤应力传感的测量范围,设计了一种基于涡旋光束与平面波光束干涉的光纤马赫-曾德尔干涉型(MZI)应力传感器,提出一种新型应力解调模型。利用主成分分析法提取了叉状干涉图样集的主要特征,得到两光束间相位差与其对应干涉图样对于主要特征的相关系数之间的关系,并根据应力-相位差关系,进而得出了应力与相关系数之间的关系;搭建了基于涡旋光束与平面波光束干涉的应力传感实验系统,研究了系统的应力传感响应特性。实验结果表明:该传感器的应力响应灵敏度为0.25694 rad/MPa,最大应力测量量程为3392με。     

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。     

基于Φ-OTDR的光纤入侵传感器系统的原理及研究进展

介绍了相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的工作原理,以及利用此原理的光纤入侵传感器系统的应用研究情况,包括实验室模拟结果、实地测试的结果、数据处理、以及空间分辨率和监测范围。总结比较了Φ-OTDR传感器系统与常规瑞利0TDR传感器系统的差异,并指出Φ-OTDR传感器系统优缺点及发展趋势。     

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。     

采用后向瑞利散射空间差分的周界安防分布式振动监测

提出了应用于周界安防的基于后向瑞利散射光空间差分干涉的光纤分布式振动传感监测方案。环境振动信号引起传感光纤的相位变化,含有相位信息的后向瑞利散射信号注入到非平衡迈克尔逊干涉仪,实现了后向瑞利散射信号的空间差分干涉,光纤分布式振动传感监测完成相位信号的解调,提高了系统的灵敏度。该系统能够实时监测入侵者的行走路线和速率以及模拟挖掘的距离的判断,实现了15 dB的信噪比以及35 m的探测距离。