光纤分布式扰动传感器信号检测系统研究

设计了一种以FPGA作为数据处理核心,基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的光纤分布式扰动传感器信号检测系统。该系统具有数据采集、处理、存储、通信以及液晶显示功能。扰动信号检测算法采用多周期等距累加相减法。通过阈值判定实现扰动信号的判别,并可以同时显示传感光纤长度范围内不同位置的扰动。实验证明,该系统内部数字处理部分可以实现信号检测算法以及扰动阈值判定功能。     

一种基于Φ-OTDR长距离海缆振动探测关键技术研究

振动可以作为探测外部冲击破坏的指标参数,远海范围的海缆安全防护对低成本、长距离、高信噪比的海缆振动探测提出了更高的要求。通过对相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的长距离海缆振动探测进行分析探讨,得出在50 km以上的长距离海缆探测的主要问题是末端的探测脉冲存在巨大的传输损耗,长距离海缆末端探测信号容易湮没在噪声中。对比以Φ-OTDR作为探测设备的直接探测方案、外差相干探测方案、双向拉曼探测方案以及末端振动信号降噪方案,在结合双向拉曼放大技术以及外差检测技术上,提出一种末端振动探测的降噪方法,以此来解决长距离海缆末端振动探测的问题。经过实验验证该方案实现的振动探测距离达120 km,探测光纤末端的信噪比得到有效提升。     

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。     

基于STFT图像特征的天然气管道预警技术研究

基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤微振动传感系统,使用STFT算法对中石油西南某地20km天然气管道周围发生六类事件(噪声、机械破环、人工挖掘、榔头敲击、人跳跃以及人踏步通行)的振动数据进行时频域图像化,然后通过BP、SVM、GoogLeNet等算法进行六类事件的分类预测。该方法首先利用Φ-OTDR系统采集管道同沟敷设光缆一芯中瑞利后向散射光信号,从中提取出振动事件的振动信号,然后通过STFT对时间-空间图像的采集,最后对图像数据利用算法进行振动事件的识别。现场实时监测获取的数据表明：利用BP神经网络算法对振动事件识别,相较于传统的随机森林、K近邻、SVM算法以及深度学习GoogLeNet算法,机械破坏事件的误报率低至0%,人工挖掘事件的误报率低至0%,适合应用于实际的天然气管道监测。     

分布式光纤传感专利技术浅析

介绍了分布式光纤传感领域的技术发展概况,重点介绍基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的发展情况,分别对基于布里渊光时域反射技术、基于布里渊光时域分析技术、基于布里渊光频域分析技术的发展和应用进行详细介绍,简要分析各个技术的相应优缺点以及应用,之后对分布式光纤传感相关专利技术进行统计分析,对国内外专利申请量趋势、同领域主要申请人以及申请所属分类号进行简要分析,并概述了分布式光纤传感的发展前景.     

布里渊散射分布式光纤传感技术的研究进展

阐述了基于布里渊散射的分布式光纤传感技术测量光纤温度/应变的基本传感原理。介绍了基于光时域反射仪发展起来的几种传感技术,布里渊光时域反射(BOTDR)、布里渊光时域分析(BOTDA)、布里渊光频域分析(BOFDA)分布式光纤传感技术,特别对BOTDR的原理和典型系统方案进行了详细的介绍。最后,叙述了基于布里渊散射的分布式光纤传感技术当前的进展和趋势。     

面向斜滑坡安全监测的OFDR光纤 应力传感系统

斜滑坡安全监控对于保障国民人身安全,维护社会稳定具有重要作用。近年来,分布式光纤应力传感技术已经成为了斜滑坡监测的重要手段,然而光时域反射计(OTDR)和布里渊光时域反射计(BOTDR)技术存在空间分辨率相对较低等不足,限制了其在斜滑坡内部应力监测的应用。本文提出了一种基于光频域反射计(OFDR)的斜滑坡光纤传感监测系统,利用 光纤微弯应力传感器实现了应力的测量。实验结果表明该系统的测量距离达到1300ｍ以上,空间分辨率小于5 ｃｍ,压强测量范围为 ０~ 20ＭＰａ,最大相对误差为 4.44%,该系统在三峡库区进行了现场实地测试,结果表明,该系统能精确地测量到位于63.78ｍ、146.26 ｍ 和 171.17ｍ处的3个内部应力。     

用于监测阀门泄漏的超高动态范围全光纤超声传感系统

本文提出了一种超高动态范围的全光纤超声传感系统,针对阀门发生泄漏时伴随产生的声发射现象,利用光纤的光弹效应,将声发射现象产生的超声信号转换为光纤中传输的光信号的相位变化,由光路干涉结构将光信号的相位改变量转换为两路干涉输出信号的幅度量,通过相位解调还原算法和功率谱分析,实现对超声信号的探测和提取。经过阀门泄漏实地测试验证了全光纤超声传感系统的实用性和可行性,并在实验室条件下对系统的动态范围进行了具体的测试分析。     

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。     

多传感器信息融合在Φ-OTDR系统中的应用

针对相位敏感光时域反射计（Φ—OTDR）扰动传感系统存在较为严重的漏警和误警现象的问题,提出了一种多传感光纤系统方案。该方案结合多传感器信息融合理论,将传统的Φ—OTDR系统扩展为多路方案,并利用一种改良的D-S证据理论算法完成了多路信息的融合。通过实验证明了方案的可行性,漏警率由2%降至了0;误警现象由72 h内出现9次降至0次。     

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.     

分布式光纤滑动传感监测技术研究

基于光时域反射技术和瑞利散射原理,将高精度的自动力-光耦合测试系统与土工大三轴剪切试验仪相结合,完成了光纤滑动监测的力-光本构关系模型试验.结果表明,传感光纤的初始损耗达30～50dB,动态范围达3.0～3.5 mm,又利用试验测试数据,经曲线拟合,得出滑动损耗的半经验公式.     

一种强度调制型频率编码光纤环传感器阵列

提出一种基于强度调制技术的频率编码光纤环传感器。给出光纤传感阵列结构并阐述了多传感器准频分复用原理,分析了阵列中传感器的反射信号特征,并重点讨论了不同长度光纤环的谐振频率特性。结果表明,通过改变光纤耦合系数及选用合适的光纤环长度,可以提高传感系统的复用能力和分辨能力。系统采用频率跟踪解调技术以提高信噪比和探测灵敏度。此系统可用于准分布应变和温度的测量。     

冻结监测中分布式光纤测温系统的研究

文章根据冻结工程信息化施工的要求,将分布测量理论和光纤传感技术引入到冻结监测中,并结合某矿井冻结工程的实际情况,对分布式光纤测温系统的工作原理、性能指标温度解调方案进行了详细的分析与研究,成功设计出一套满足冻结施工要求的分布式光纤测温系统。该系统依据光时域反射技术和后向拉曼散射温度效应实现温度测量,提高了测量精度和稳定性,降低了系统成本。室内实验及现场试验验证了该系统的测量精度性与可靠性,为冻结温度监测提供了一种新的监测手段。     

分布式光纤布里渊温度传感系统的试验研究

基于布里渊光时域反射计(BOTDR)的传感原理,构建了分布式光纤布里渊温度传感测量系统,对4.25 km长度的光纤进行了温度传感试验。通过对试验结果的分析表明:该系统可以实现一定长度的光纤定点、定量的受热温度测量分析。对测量结果采用归一化方法处理,使测量结果更直观,分析快捷,精度更高。     

混凝土裂缝的监测

针对结构裂缝监测的需要,依据OTDR光时域反射技术和瑞利散射原理,研究开发了一种采用分布式光纤传感器的光纤传感的裂缝监测技术;设计了裂缝监测试验方案,包括试验试样、试验装置的设计计算;验证了这种监测技术的可行性,可实现裂缝的定宽、定位监测.初始感知裂缝宽为0.03mm,并根据试验数据拟合出半经验公式,这一实验结果还可以作为全分布式光纤传感器进一步深入研究的参考.     

Raman型分布光纤温度传感器的信号处理系统

Ｒａｍａｎ型分布光纤温度传感器是利用光纤背向反斯托克斯喇曼散射温度效应和光纤光时域反射（ＯＴＤＲ）技术来测量空间温度场分析的，是一种高速瞬态微弱信号的采集，分析和处理系统，本文讨论了淹没在噪声中的光纤背向反斯托克斯喇曼散射温度信号特征，实现对１ｋｍ光纤上２００个采样点的快速信号采集，分析和处理，系统的实现测温准确度±２℃。     

分布式光纤传感用于大坝基座裂缝监测

分布式光纤传感技术对大型混凝固结构,如大坝与桥梁,进行裂缝监测意义重大,其分布式检测能力对具有强随机性的大坝裂缝监测效果更显著.一种新型分布式光纤传感器埋入混凝土并与预期裂缝相交一定斜角,当裂缝出现引起光纤局部微弯,并诱发瑞利散射光产生衰减,用光时域反射技术实现分布式检测.将该种传感器用于四川石棉冶勒大坝裂缝监测,结果表明:该光纤传感器不仅对裂缝宽度、位移具有高分辨率(0.02 mm)、大动态范围(4.8 mm),而且有较高的定位分辨率(0.2 m),为发展该类分布式光纤传感监测系统提供了较好的技术基础.     

光纤和电阻应变片在结构变形测试中的对比试验研究

在测量结构应变和变形时,传统的电阻应变片测试技术和新型的光栅布拉格光纤传感技术（FBG）、布里渊光时域反射技术（BOTDR）三者均具有不同的监测原理。设计并进行了基于这三种监测技术的简支梁弯曲试验,测试结构应变,对比结构挠曲变形,分析了三种监测技术在应变测量中的精度、灵敏度、布设工艺和适用性等,评价了两种光纤传感技术用于结构挠曲变形测试的特性。为选择土木工程结构监测手段提供参考依据,对进一步研究、开发新型应变传感器和监测仪具有参考价值。