旅游安全事故周界安防入侵监测系统光纤Φ-OTDR传感器性能研究

为了全面评估旅游安全事故周界安防入侵监测系统的光纤Φ-OTDR传感器性能,本文采用了蝶形单模光纤和侵入板制作了光纤Φ-OTDR传感器,并将该传感器埋在细沙中,利用光纤Φ-OTDR(相位时域反射仪)搭建了基于分布式光纤Φ-OTDR传感器的旅游安全事故周界安防入侵监测系统,并对入侵信息(侵入者位置、重量及高度信息)进行了监测和评估。研究发现,采用所设计的光纤侵入板作为传感器,入侵监测系统能对侵入位置进行准确监测,定位精度小于10 m;重量监测下限达到15 kg;对越高的侵入者监测准确度越高,其准确度可达到99. 6%。结果表明:基于光纤Φ-OTDR传感器的入侵监测系统能对长距离、大范围的入侵者进行准确监测,该入侵监测系统可广泛用于旅游景点危险禁区安全事故的安防实时监控。     

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。     

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Φ-OTDR+BP神经网络分类器的海缆防锚害系统模式识别

基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的分布式光纤振动探测是海缆锚害预警的重要防护手段。针对探测海缆锚害的入侵事件类型判别需求，提出将反向传播（BP）神经网络分类器应用于基于Φ-OTDR的海缆防锚害系统中，介绍了基于Φ-OTDR+BP神经网络分类器的海缆防锚害系统原理，采用信号时域特征和时频域特征作为特征向量，构建基于BP神经网络的分类器，实现了对入侵事件类型的判别。试验结果表明，分类器的模式识别准确率达到100%。     

改进的D-S证据理论在Φ-OTDR三路监测系统中的应用

针对相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)分布式光纤扰动传感系统严重的误警问题,在Φ-OTDR多路监测系统方案的基础上,提出了将改进的D-S证据理论应用于Φ-OTDR三路监测系统中以减少误警率.利用改进的D-S证据理论信息融合算法对每路输出数据进行融合,然后将融合结果与报警阈值相比较,判断是否发生报警.实验测试发现:基于改进的D-S证据理论的Φ-OTDR三路监测系统不仅在三路监测方案中能够正确判断扰动信号,还使得漏警率由3％降至1％,72 h内误警率由3.3％降至0％,提高了系统的报警性能.     

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。     

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。     

基于Φ-OTDR的光纤准分布式氢泄漏监测

为了有效监测氢气管道的氢泄漏,该文提出了一种基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR）的准分布式氢泄漏实时在线监测系统。首先去除单模光纤包层,接着在去除包层的光纤表面采用化学镀膜法镀上对氢气敏感的钯膜,其次在钯膜表面涂上一层疏水溶胶,然后将涂覆有疏水溶胶的氢敏光纤安装在聚四氟乙烯槽中,最后采用Φ-OTDR分布式氢传感系统对氢气管道氢泄漏进行监测。结果表明,光纤Φ-OTDR分布式氢传感系统能准确地对氢气管道周界氢浓度的微小变化做出快速响应,响应时间为60 s,位置分辨率达到50 mm,氢气浓度检测下限达到1 000×10-6。研究结果表明,基于光纤Φ-OTDR的测量系统能对长距离、大范围内的氢气管道氢泄漏进行准确检测。     

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。     

基于异构加速的Φ-OTDR实时信号处理系统

针对相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)信号处理复杂、计算量大、实时性要求高的特点,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)异构加速计算技术的Φ-OTDR实时信号处理系统。对外差探测式Φ-OTDR信号处理流程进行分析与分解,提出基于FPGA的滑动窗数据帧分割、多通道并行快速傅里叶变换(FFT)计算、频域滤波、短时能量求和等一系列加速计算方法。该系统最终实现在40 km光纤传感距离、2 kHz重复频率与1 m采样间隔下的长时间、实时扰动信号解调与显示,并且具有80%的帧重叠率。该FPGA系统作为异构加速器,能够减轻计算机数据处理压力,保证传感系统高重复频率下的运算实时性,为系统可靠性和稳定性提供了有效保障。     

一种低误报率的新型光纤分布式振动传感系统

针对目前-OTDR光纤分布式振动传感器由于散射光波光强不稳定造成误报率较高的问题,文中提出一种-OTDR和Mach-Zehnder干涉仪相结合的光纤分布式振动传感新系统,-OTDR和Mach-Zehnder干涉仪分别对外界振动进行探测,从而降低单一-OTDR探测的误报率。实验研究了-OTDR和提出的新的复合结构系统对外界振动探测的误报率,实验结果表明:在复杂环境下,与现有-OTDR方案相比,提出的基于-OTDR和M-Z干涉仪复合结构的方案可以有效降低系统的误报率,使系统的误报率由单一-OTDR的25%降至2%。     

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...     

一种频分复用和偏振分集融合的Φ-OTDR系统

提出了 一种频分复用(FDM)和偏振分集接收(PDR)融合的Φ-OTDR结构,可以提升Φ-OTDR系统扰动信号无失真重构的能力.期望利用这种融合技术,有效实现对干涉衰落和偏振衰落的同时抑制.通过验证性实验,将10s数据的重构信号平均失真率由15.55％降低至1.10％.对比单独使用FDM技术抑制干涉衰落和单独使用PDR...     

基于Φ-OTDR的振动事件识别分类器研究进展

相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)凭借着传感距离长、铺设简单、耐腐蚀和抗电磁干扰等特点被广泛应用于分布式振动监测领域。随着传感任务多样化及人工智能的广泛应用,对振动事件的类型识别成为研究的热点方向。为了使读者能更好理解识别分类器研究进展和发展趋势,先后介绍了传统识别分类器和基于深度学习的神经网络识别分类器,对不同分类器性能指标、优缺点和应用场合进行了比较,最后对Φ-OTDR振动事件识别研究方向进行了展望。     

基于自适应噪声完备经验模态分解的Φ-OTDR信号去噪算法

针对相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)信号信噪比较低的问题,提出了一种基于自适应噪声完备经验模态分解(CEEMDAN)的小波信息熵阈值去噪算法。该算法配合CEEMDAN分解,通过小波信息熵阈值去噪,提取扰动位置的高频信息,从而提高系统的信噪比。首先,采用Savitzky-Golay滤波算法对不同光脉冲间的信号进行预处理;其次,采用CEEMDAN将滑动差分后单个脉冲内信号分解为不同的固有模态函数(IMF),并利用连续均方误差准则确定含噪较多的高频IMF分量;然后,采用小波信息熵阈值去噪算法对以上高频IMF分量进行阈值去噪处理;最后,将其与低频IMF分量以及残差分量进行重构。采用自行研制的相干Φ-OTDR系统实测数据进行了验证,结果表明,文中算法与两种传统去噪算法相比,信噪比提升了3dB,这对于系统的实际应用具有重要意义。     

基于Φ-OTDR的海风机与海底电缆在线状态监测方法

利用自研的Φ-OTDR系统,在福建省某海上风电场开展了演示验证,实现了对海风机机组的启动-运行-停机等不同工况下的状态分析与诊断,总结了不同工况下的振动特征及诊断依据;以及针对海底电缆的水流冲击、锚害拖拽、抵近船只航行等监测预警功能,总结了不同海缆状态下及周边环境感知目标事件特征。实测结果证明该方案能够在线监测海风机与海底电缆状态,并有效感知周围环境,为提升海上风电场运维水平提供了可靠的技术途径。     

Φ-OTDR光纤传感电缆防外破监测数据预处理方法

针对Φ-OTDR光纤传感电缆外破隐患监测原始数据信噪比低的问题,文章介绍了一种空间域去趋势化与时间域改进谱减法去噪的数据预处理方法。提取光功率距离衰减趋势基线,去除原始数据空间域的衰减趋势,消除Φ-OTDR系统光功率因距离衰减对信号幅度造成的影响,然后采用改进谱减法对时域进行去噪。所提方法应用于现场实测的信号进行了检验,分析结果表明:去趋势化和改进谱减法可有效提高外破监测数据的信噪比,且两者具有叠加效果;现场破碎机、挖掘机、打桩机信号预处理后信噪比分别提高了2.25 dB、6.11 dB、4.72 dB。该方法可为外破监测后续的定位与识别、减少误报率提供参考。