基于互相关定位法的干涉仪分析与仿真

首次提出用时域互相关法处理Sagnac/Mach-Zehnder分布式光纤传感系统的干涉输出信号, 对扰动进行检测和定位。首先对Sagnac/Mach-Zehnder分布式光纤传感系统进行了扰动检测和定位的理论分析, 推导出扰动引起的干涉输出信号的表达式, 利用Bessel函数展开, 确定了该系统的两路干涉输出满足时域互相关的特性。在此基础上进一步分析了两路干涉信号的表达式, 提出基频定位法和微分定位法两种时域互相关方法处理干涉信号, 确定扰动位置。对两种扰动定位方法进行了Matlab仿真, 并通过实验在多个扰动位置多次验证了两种方法的正确性。     

光纤振动传感系统相位调制模块的嵌入式设计

针对光纤振动传感系统测试与标定环节缺乏便携式振动信号驱动装置的问题,设计了一款基于FreeRTOS和STemWin嵌入式系统的压电陶瓷相位调制模块.该模块使用STM32嵌入式微控制器,结合H桥功率驱动对信号进行功率放大.利用FreeRTOS嵌入式操作系统进行多任务功能部件开发,并设计了STemWin人机交互界面.随后搭建分布式光纤振动传感系统对嵌入式相位调制模块进行测试,结果表明该模块可实现驱动信号频率、占空比、输出极性和电压的调节,并可在总长为11.769km的传感光纤上对冲击信号进行实时采集,且振动信号定位误差在41m以内,从而可满足各类光纤振动传感系统在长距离不同位置处进行振动测试与标定的需求.     

基于相干检测的偏振光时域反射光纤振动传感系统

提出将相干检测技术和偏振光时域反射技术POTDR(Polarization Optical Time Domain Reflectometry)相结合,利用相干检测技术的高探测灵敏度和偏振光时域反射技术中偏振态对外界环境敏感的特点,实现光纤分布式传感,测量微弱振动信号并实现定位功能.首先分别介绍了相干检测技术及其与POTDR相结合的相关原理,分析可行性,然后提出实验测试方案并搭建了测试系统.实验结果表明,基于相干检测技术的POTDR传感系统能成功地实现振动信号的探测和振动点的定位功能,这对于光纤分布式传感系统的进一步发展具有重要意义.     

分布式光纤振动传感信号的采集与处理

以分布式振动传感在周界安防中的应用为研究对象,简述了一个全光纤扰动传感与定位系统。分布式光纤传感与定位系统主要由光发射模块,传感光路模块,光接收模块,信号采集模块,信号传输模块及信号处理模块构成。振动信号的采集与处理决定着系统报警及定位的实时性和准确性,主要研制了振动传感系统中的数据采集与处理系统。     

基于相位生成载波的全光纤传感器定位研究

分布式光纤传感系统可应用于长距离、强电磁干扰环境下的监测.提出了一种用相位调制器进行外调制来提高分布式光纤传感器定位精度的方法.构造基于迈克尔逊干涉仪的全光纤振动传感器系统,并在反射端加相位调制器进行调制,使经过反射端反射的光干涉后的信号处于高频段,而未经反射端反射的光干涉后的信号处于低频段.通过高通滤波和相位解调,获得与外界扰动呈正比的信号,用这一信号进行定位,可以消除因为光纤中的瑞利散射等产生的回光干涉信号的频谱叠加,提高定位精度.该方法结构简单,易实现,通过理论分析和实验证明:采用该方法可以有效提高系统的定位精度.     

基于光纤传感和小波变换的管道泄漏定位技术

研究了一种基于Sagnac光纤干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测和定位技术,利用单模光纤作为分布式传感器,可以有效地检测管道沿线所发生的泄漏信息,并实现泄漏点定位。阐述了检测系统的组成和工作原理,分析了检测系统定位方法。采用小波阈值消噪对泄漏信号进行处理,可以有效地提高零点频率的辨识性。结果表明:该检测技术具有较高的测试灵敏度和定位精度。     

分布式光纤震动传感系统的多点定位问题研究

针对3种分布式震动传感系统的多点定位问题进行了研究.论述了Sagnac干涉仪系统不易实现多点定位的原因;分析了双路MZ干涉仪系统的多点定位原理和局限性,并通过仿真验证了两点同时扰动定位失效的情况;最后说明了Φ-OTDR系统实现多点定位的原理和可行性,指出该系统最有可能从根本上解决多点定位问题;同时讨论了后2种系统多点定位的空间分辨率和定位精度.     

基于Φ-OTDR的煤层气管线外界入侵振动检测系统

为实现长距离煤层气管线外界入侵振动检测,采用基于相位敏感型光时域反射原理(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统,融合FPGA与USB2.0技术开展传感数据的实时采集与高速传输,并通过时间-空间二维分析来获得振动信号典型特征,进而实现煤层气输送管道危险源的实时检测。实验结果表明,本系统可借助差分信号波峰位置实现精确定位,系统的频率响应范围是可覆盖入侵振动特征频率的1 Hz～3 k Hz,且在4 km和9 km光纤位置处的定位误差均可保持在20 m范围以内,因此本系统可有效检测到输送管道外界入侵振动。     

偏振光时域反射技术对多点扰动检测的研究进展

光波在光纤中传输时,其偏振态对光纤外界的变化十分敏感。基于偏振效应的光时域反射技术可以实现对光纤沿线挤压、弯曲、振动等事件的分布式传感。然而,由于光波偏振态的前后关联性,光纤中最靠前的扰动往往会掩盖其后续扰动对偏振态造成的影响,使得光时域反射技术对多点扰动的检测存在困难。文章综述了该技术在多点扰动分布式传感检测方面的研究进展,对频谱分析法、解析本地双折射矢量法和基于特殊光纤的传感方法等技术手段进行了对比和分析。     

基于分布式光纤传感的水下输气管道泄漏检测与定位分析

介绍了一种基于Sagnac/Mach-Zehnder混合干涉仪原理的分布式光纤传感水下输气管道泄漏检测及定位系统。在强干扰微小泄漏情况下,通过分布式光纤传感器获取由管道泄漏引起的光干涉信号,采用小波包方法对信号进行多层分解,提取小波包能量特征,用欧式距离法对管道泄漏与否进行聚类分析;对泄漏系统利用零点频率进行精确定位,并将基于零点频率的传统检测定位、经小波去噪和最小二乘曲线拟合处理后的检测定位及本文提出的检测定位三种方法进行对比分析,统计了系统虚警率（FAR）。实验结果表明,该系统能准确识别管道泄漏,本文提出的泄漏检测定位法虚警率最低,与经小波去噪和最小二乘曲线拟合处理后的检测定位法相比,虚警率降低了6.6%,提高了系统泄漏检测定位的可靠性。     

基于反馈环全光纤干涉的定位系统

提出了一种用于长距离定位监测的新型传感系统。该系统在全光纤干涉系统中构建反馈环,首次采用单芯光纤作为传感光纤,结合快速傅里叶变换和小波变换对信号进行处理,实现了对随机扰动源的监测定位。实验获得了清晰的频谱图像,系统定位的相对误差小于0.08%,可实现定位监测功能。     

基于非线性输出频率响应函数的液压管路故障诊断研究

航空液压管路系统受到多源激励的影响,在工程应用中经常发生管路系统振动故障。针对长跨距管路系统振动故障定位困难的问题,采用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）测试技术开展了长跨距管路系统振动信号分布式测量,并提出结合非线性输出频率响应函数（Nonlinear Output Frequency Response Function,NOFRF）分析方法实现液压管路系统卡箍松动和管体碰撞故障的准确定位。采用FBG传感器对长跨距管路系统振动信号进行分布式测量,克服了传统加速度测试过程中的电磁干扰和复杂布线问题;采用NOFRF指标提取卡箍松动和管体碰撞的故障特征,实现了对微弱故障的早期监测和准确定位。试验结果表明,所提方法可有效定位卡箍松动和管体碰撞故障。     

Optimum design of composite shells subject to natural frequency constraints

A technique for the optimum (minimum weight) design of a composite shell subject to constraints on its natural frequencies is presented. The optimization problem is posed as a general mathematical programming problem in which one or more of the inequality constraints involves the shell natural frequencies, which must be evaluated numerically during the optimization. For this reason, a method for numerically evaluating the natural frequencies of composite shells is also presented. The method is based upon the finite element method of structural analysis and Rayleigh's principle. Because the element used is applicable to anisotropic shells of arbitrary shape, the method is very general. By using Rayleigh's principle, the necessity of assembling overall mass and stiffness matrices for the shell is eliminated. The optimization is performed by nondimensionalizing the mathematical programming problem and using the penalty function method of Fiacco and McCormick to transform the problem to a sequence of unconstrained minimizations having solutions which converge to the solution of the original (constrained) problem. The unconstrained minimizations are performed using the variable metric method of Fletcher and Powell. Derivatives of the nondimensional frequency constraints are evaluated numerically using difference equations. The frequency calculation method is demonstrated by calculating the fundamental frequency for the transverse vibration mode of a multilayered cylindrical shell with fixed overall geometry and variable composite geometry. Results indicate that the frequency increases with increasing fiber orientation angle, fiber volume fraction, or lamina thickness. The optimization technique is demonstrated by minimizing the weight of the shell discussed above subject to a constraint on its fundamental transverse frequency. The design variables are the fiber orientation angle, the fiber volume fraction, and the lamina thickness. Results are presented and explained in terms of the physical aspects of the problem.     

Optimal locations of point supports in plates for maximum fundamental frequency

This paper investigates the optimal locations of rigid point supports to maximize the fundamental frequency of free vibration of plates. The computational method uses the Rayleigh-Ritz method for the vibration analysis and the simplex method of Nelder and Mead for the optimization search of support locations. Optimal results have been obtained for various common shapes of plates with a few point supports. The results show that the frequency of the plate is sensitive to the locations of the point supports. Moreover, these new optimal results provide useful information to designers seeking to exploit the position of point supports in their plate designs. It has been found that multiple solutions are a common feature of this plate optimization problem.     

Optimal configuration for the self-identification of a two-dimensional variable geometry truss

This study addresses the optimal changes in geometry of a two-dimensional variable geometry truss (VGT) to identify the stiffness matrix of the truss using the concept of self-identification. The optimization of the geometry changing of the VGT is a problem of selecting the optimal combination of multiple design variables from a large number of candidate sets. This study proposes a simple optimization method for determining a set of optimal geometric parameters; in this method, the approximated mode shape matrix obtained using spline interpolation techniques is used to calculate the objective function for self-identification. The objective function used in this paper is a function of the condition number of the coefficient matrix of a linear matrix equation and a criterion for self-identification. The proposed algorithm can be used to reduce the number of actual vibration tests required for measuring the mode shapes and modal frequency while it maximizes the objective function. Numerical experiments are conducted to investigate the relationship between the convergence characteristics of the optimization and the target vibration modes. The effectiveness of the optimized geometry changing is verified by comparing the identification error for the uniform geometry changing, the optimized one for the three lower modes of the VGT, and the one found by a classical QR decomposition. Furthermore, the numerical results show that the identification sensitivity with respect to noisy data is reduced by the optimization.     

基于DM642的光纤中心定位算法优化

大规模的数据存取是制约数字信号处理器系统效率的主要因素之一。在传像光纤束成像系统中,为提高出端光纤束在光纤中心定位过程中数据存取的效率,提出DM642平台下的光纤中心定位优化方法。在存储器配置方面,设置二级储存器缓存与片内随机存储器的模式,预取部分片外数据到片内随机存储器。在数据传输方面,设计数据存储动态偏移量,自适应迭代,避免重复读入。实验结果表明,优化后的算法实现了光纤中心的定位,时间开销降低了1/4,提高了系统的运行效率。     

固体火箭发动机振动试验夹具优化分析与研究

通过相同激励条件下对3种典型振动试验夹具进行宽频段随机振动试验分析,发现夹具在试验频段内出现不同程度的共振现象,过试验现象严重;通过3种典型振动试验夹具质量、一阶固有频率、位移变化量及应变变化量等数据对比、分析,得出影响振动试验夹具振动传递特性的主要因素,以影响因素为优化变量,以典型部位平均响应与输入的振动传递比为优化目标,进行拓扑优化设计,最终经过夹具振动试验验证,过试验情况得到有效控制,满足相关规范要求,为固体火箭发动机振动试验控制提供保障。     

基于光纤传感检测的矿井人员定位方法

针对矿井发生重大灾害时由于断电、突水等因素造成的通信中断,人员定位困难问题,本研究基于相位敏感光时域反射机理,提出了受困人员拍击井下既有通信光缆定位的方法。通过分析施加振动对光相位的影响规律,从理论上证明解调光相位可实现振动信号的提取及定位。实验选取拍击、20Hz方波与200Hz正弦波来模拟外界振动信号,采集信号经差分累加去噪,最后通过拟合算法实现振动波形还原。实验证明,在12km长度光纤上,系统对1KHz以下振动信号具有良好的频率响应特性。选取4.633km处与10.022km处模拟单次拍击固定点的重复性实验,综合定位误差范围为-7m～＋11m。研究表明该方法可应用于井下通信中断应急救援时的人员定位,为快速确定受困人员位置提供一种新的解决方案。