分布式光纤振动传感技术研究

分布式光纤振动传感技术具有精度高、动态范围大、响应频带宽、隐蔽性好等优于传统振动传感器的鲜明特点,可用于大坝、桥梁、地矿监测、车辆及机械运行监测、火灾报警、管道泄漏报警及重要区域安防报警等领域,应用前景广阔。本文主要介绍了分布式光纤振动传感器相关技术及种类,并对分布式振动传感技术的发展方向和应用领域进行展望。     

分布式光纤振动传感技术及发展动态

从工程结构安全监测到输油管线的维护以及地震监测,振动传感器发挥着重要作用,可以实现以往需要大量人力物力和时间的监测。而分布式光纤振动传感器具有许多优于传统振动传感器的地方,应用前景广阔,近年来成为光纤传感领域的研究热点。本文主要介绍了分布式光纤振动传感器的实现方法与相关技术,并展望了分布式振动传感技术未来的发展方向和应用领域。     

边缘检测技术在分布式光纤传感中的应用

提出了采用双边缘技术测量光纤传感中的布里渊频移。利用边上信号对频率变化敏感的特点，提出了边缘检测技术，并通过设置最佳的工作点，使系统工作在最敏感的点上。理论分析表明，为实现0．5MHz的布里渊频移测量精度，通过测量最大信号的常规检测所需的信噪比为65．1127dB．单边缘检测所需的信噪比为37dB，双边缘检测所需的信噪比为31dB。所以，在相同信噪比下，与常规检测技术相比，边缘检测技术可以大大提高布里渊频移测量精度。     

布里渊动态光纤光栅及其在分布式传感中的应用

基于受激布里渊散射的布里渊动态光纤光栅(BDG)是近几年提出的一项新技术,相比于传统的光纤光栅,具有读写分离、位置可调、光谱可调和快速重构等优势,是光纤通信及传感领域最活跃的研究热点之一,尤其是在分布式传感领域可同时获得高空间分辨率和高测量精度,打破了传统时域系统中声子寿命的限制。从技术发展脉络综述了BDG的研究现状与最新进展,重点介绍了基于BDG的分布式光纤传感技术与应用,并就目前该领域存在的主要问题以及技术发展的主要趋势进行了探讨。     

基于FPGA的分布式拉曼光纤传感系统

提出了一套基于现场可编程门阵列(FPGA)的分布式拉曼光纤传感系统,实现了信号的采集、传输、处理.为了提高系统的信噪比(SNR),提出了基于FPGA的累加迭代平均滤波算法和非线性小波变换阈值去噪法.首先对放大之后的斯托克斯光和反斯托克斯光信号进行累加迭代,然后再平均,经过8000次累加迭代平均之后,系统信噪比提高了36...     

分布式光纤传感信号高识别率技术研究

为提高基于相敏光时域反射计的分布式光纤声传感系统对振动信号的识别速度与识别准确率度,本文提出使用端点检测对光纤传感振动信号进行预识别的方法。该方式首先使用小波阈值折衷去噪对振动信号进行去噪处理,然后使用基于短时能量与短时过零率的端点检测方式对采集到的振动信号进行检测,如果检测到振动信号中存在有振动,则使用Resnet18网络对振动类型进行进一步的识别;若未检出振动信号,则将振动信号判定为噪音,不再进行进一步的检测。实验证明该方式能有效降低分布式光纤声传感系统对振动信号的识别时间,并且通过使用Resnet18网络对一维振动信号进行识别提高了对振动信号的识别准确率,对噪音信号的识别时间降低为3.5 ms,对振动信号的平均识别准确率达到96.3%。     

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%。     

分布式光纤测温系统在石油测井中的应用

重点论述了观察井测温在油田开采中的重要性和所面临的问题,介绍了分布式光纤温度传感(DTS)技术原理以及在油田温度监测中的应用.最后展望了光纤分布式测温传感器在油田测试中的应用前景.     

分布式光纤在复合材料结构探伤中的应用

介绍了分布式光纤的特点及其在复合材料探伤中的应用，并对其测试原理进行了探讨，最后对分布式光纤的应用前景进行了展望。     

A distributed optical fiber sensing system for synchronous vibration and loss measurement

We propose a fully distributed fusion system combining phase-sensitive optical time-domain reflectometry (Φ-OTDR) and OTDR for synchronous vibration and loss measurement by setting an ingenious frequency sweep rate (FSR) of the optical source. The relationships between FSR, probe pulse width and repeat period are given to balance the amplitude fluctuation of OTDR traces, the dead zone probability and the measurable frequency range of vibration events. In the experiment, we achieve synchronous vibration and loss measurement with FSR of 40 MHz/s, the proble pulse width of 100 ns and repeat rate of 0.4 ms. The fluctuation of OTDR trace is less than 0.45 dB when the signal-to-noise ratio (SNR) is over 12 dB for a captured vibration event located at 9.1 km. The proposed method can be used for not only detection but also early warning of damage events in optical communication networks.     

分布式光纤传感技术在架空线路中的应用

设计了一种分布式光纤传感器,该传感器基于光时域反射原理,通过测量光纤中的背向散射光强度随时间的变化来进行光纤传输特性的测试。构造了用于实时监测的分布式光纤测试系统,在架空线路中有较好的监测应用。并对该分布式光纤传感器性能进行了监测,结果验证该传感器有较好的稳定性,测温精度误差范围在±0.5℃左右。     

基于MEEMD-HHT的分布式光纤振动传感系统信号特征提取方法

实际应用中,分布式光纤振动传感系统所测信号多为非平稳随机信号,对其进行模式识别的关键是准确获取信号的幅值-时间-频率瞬时特征。现有的相关研究表明,经验模态分解EMD方法结合希尔伯特变换可获得所测信号中固有模态分量的瞬时能量和瞬时频率,但存在模态混叠问题,后续改进的总体经验模态分解EEMD方法存在伪分量,重构误差大,互补经验模态分解CEEMD方法减小了重构误差的同时增加了运算量,无法保证特征提取与分类的效率与准确性。文中基于改进型经验模态分解方法结合希尔伯特变换MEEMD-HHT方法实现分布式光纤振动传感系统的特征提取,引入的排列熵的评价机制优化了分解过程中随机噪声迭代次数,通过仿真分析与实验对比,验证了该方法可有效解决上述方法中存在的问题,使系统在处理时间、特征准确度等性能皆有提高。实验结果表明,所提出的方法对于单频振动信号平均特征提取准确率达99.2%;对于混频振动信号平均特征提取准确率达98.1%,相对于EMD和CEEMD分别提高15.6%和7%,算法平均耗时最短,为3.8259 s,为分布式光纤振动传感系统的信号特征提取提供了一种可靠、高效的方法。     

基于SVM算法的分布式光纤扰动传感系统快速检偏技术研究

针对基于双马赫-曾德尔干涉的分布式光纤扰动传 感系统对传感光信号的偏振状态需要进行实时监测以便及时进行偏振控制的问题,本文提出 一种基于支持向量机(SVM)的偏振状态快速判别算法。该方法对采集到的两路干涉信号进 行做差处理,得到原始数据。提取原始数据中的过零率与峰值的绝对和作为分类器的输入特 征向量,使用Verilog HDL语言编写支持向量机(SVM)分类识别算法,借助现场可编程门阵 列(FPGA)的硬件并行结构和流水线技术实现分类器权系数的快速迭代求解。通过提取未知 偏振状态信号的特征向量,并将其输入到训练好的支持向量机模型中可以实现高效率的偏振 状态识别。实验结果表明:本方法可以快速并准确的实现对系统偏振状态的识别判断,平均 识别率达到93.25%,分类模型训练时间在100 ms以内,平均识别响应时间在8ms以内。     

分布式光纤振动传感信号识别的研究

为了能够更好地识别入侵振动信号,通过研究分布式光纤振动传感器及振动信号的识别技术,根据振动信号的特点,借鉴语音信号的处理方法,对比原有基于快速傅里叶变换频谱分析算法,引入了基于Mel频率倒谱系数的识别算法。新算法从频域的角度对振动信号进行分析,提取不同环境状态下的Mel频率倒谱系数,并将其作为新的特征参量。通过实验对比分析两种算法,两者的误报率分别为27.5%和7.5%。结果表明,基于Mel频率倒谱系数的算法相比基于快速傅里叶变换的频谱分析算法,在误报率上可以降低20%甚至更多,在不漏报的前提下,显然误报率更低的基于Mel频率倒谱系数的算法更加适用于安防体系。     

Distributed optical fiber vibration sensing system based on polarization detection

A novel distributed optical fiber vibration sensing system based on polarization detection is proposed and demonstrated. A Faraday rotator mirror is employed at the end of the system, which eliminates the slow polarization variation of signal light and only responses to rapid polarization change caused by external vibration interference. Based on the sensing signal characteristics, the location of polarization disturbance point can be detected accurately. Experiments on polarization controller simulation and actual vibration detection show that a higher localization accuracy better than 1% is successfully obtained in 13.8 km, 21.2 km and 35.8 km sensing fibers systems.     

分布式光纤温度和应变传感技术的研究进展

文章针对分布式光纤传感技术现状,介绍了基于相干光时域反射和双脉冲布里渊光时域反射的两种光纤传感技术,这两种温度和应变传感具有高测量精度、高空间分辨率等优点,可广泛应用于国防、科研等领域.详细分析了两种传感方法的系统方案和实现原理,指出了每种方法的关键技术及创新点.探讨了分布式光纤温度和应变传感技术的发展趋势.     

光开关在分布式光纤温度传感系统的应用研究

分析了决定分布式光纤温度传感器系统传感距离的因素,提出了使用光开关扩展系统的传感长度。设计了多模1×2棱镜光开关的单片机驱动接口,计算机软件通过RS232串行接口发出指令控制光开关的切换。测试结果表明,嵌入了1×2光开关可使系统传感光纤长度延伸为原来的2倍。     

Design of distributed Raman temperature sensing system based on single-mode optical fiber

The distributed optical fiber temperature sensor system based on Raman scattering has developed rapidly since it was invented in 1970s. The optical wavelengths used in most of the distributed temperature optical fiber sensor system based on the Raman scattering are around from 840 to 1330 nm, and the system operates with multimode optical fibers. However, this wavelength range is not suitable for long-distance transmission due to the high attenuation and dispersion of the transmission optical fiber. A novel distributed optical fiber Raman temperature sensor system based on standard single-mode optical fiber is proposed. The system employs the wavelength of 1550 nm as the probe light and the standard communication optical fiber as the sensing medium to increase the sensing distance. This system mainly includes three modules: the probe light transmitting module, the light magnifying and transmission module, and the signal acquisition module.