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光学学报 2021年第13期41卷 112-118页

作者：唐健冠刘宇哲李成立郭会勇杨明红武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室湖北武汉430070

提出了一种基于超弱光纤布拉格光栅的高信噪比(SNR)分布式振动传感系统。该系统用3 dB带宽超过3.4 nm、反射率为10-5的在线制备啁啾光栅阵列作为传感光纤,通过典型双脉冲调制方式和3×3耦合器进行相位解调。为了消除激光器、调制器... 详细信息

提出了一种基于超弱光纤布拉格光栅的高信噪比(SNR)分布式振动传感系统。该系统用3 dB带宽超过3.4 nm、反射率为10-5的在线制备啁啾光栅阵列作为传感光纤,通过典型双脉冲调制方式和3×3耦合器进行相位解调。为了消除激光器、调制器和光放大器等光学元器件带来的各类噪声干扰,结合最小均方算法和对称探测结构进行自适应滤波。实验结果表明,相比小波去噪算法,本算法能有效降低系统噪声,最大可将1 kHz解调信号的高频本底噪声降低40.1 dB,SNR达到96.5 dB;对于2 km长的传感光纤,系统在1~5 kHz的应变灵敏度可达到13.66 pε/√Hz。

关键词：光纤光学分布式振动传感超弱光纤布拉格光栅信噪比最小均方算法

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分布式振动传感系统解调方法研究

分布式振动传感系统解调方法研究

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作者：昝伟太原理工大学

学位级别：硕士

长期以来,对重点工程项目及基础设施进行全面的实时振动监测都是一项重要的工作,根据监测数据可以有效预防各种风险,避免人民生命财产受到危害。分布式光纤传感技术发展迅速,结合其分布式测量、结构简单、易于布设、本质安全、价格低廉... 详细信息

长期以来,对重点工程项目及基础设施进行全面的实时振动监测都是一项重要的工作,根据监测数据可以有效预防各种风险,避免人民生命财产受到危害。分布式光纤传感技术发展迅速,结合其分布式测量、结构简单、易于布设、本质安全、价格低廉、抗电磁干扰等众多优点,对比传统传感设备具有其独特优势,并已广泛应用在对铁路系统、油气管道、电力电缆的安全监测、故障诊断领域,取得了一定的成效。基于后向瑞利散射的相位敏感光时域反射系统可用来监测定位传感光纤沿线的所有振动情况。一般而言,采用相干探测结构相比直接探测结构拥有更高的灵敏度与动态范围,然而需要的数据采集系统带宽较大,对数据分析能力提出了挑战,这也延长了数据处理时间,阻碍了此类传感系统成本的压缩,不利于这一类传感系统的全面推广。本文提出了一种适用于相干探测光路的拍频信号包络提取振动解调系统,基于瑞利后向散射的相位敏感特性,搭建光纤振动传感系统对振动事件进行实时监测。同时基于这一传感系统设计了基于本地服务器的客户端以及云服务器的上位机服务程序,提高了系统的实用性与易用性。主要完成工作如下: (1)阐述了基于后向瑞利散射的散射模型,分析了光纤振动传感机理。并分析了分布式光纤传感系统中的关键器件参数,讨论了系统关键性能评价指标。 (2)介绍了相位敏感光时域反射技术中两种常用的探测结构:直接探测与相干探测。说明了通过这两种方案采集到的信号特点,以及常用的定位解调算法,同时分析了相干探测得到的拍频信号特点。 (3)结合拍频信号的特点与应用于振动定位这一需求,提出使用硬件包络检波器对拍频信号进行实时处理。通过直接采集处理后的包络信号,在不影响空间分辨率性能的前提下,大幅降低了系统对采集带宽与数据处理能力的要求。 (4)依托于FPGA高速采集卡和USB 3.0的数据高速传输,在本地服务器开发了基于Qt的上位机解调系统,实现了基于包络数据的振动实时定位与动态阈值判断,以及报警数据远程推送服务。同时在云服务器开发了基于Django的数据服务平台与基于Vue的报警信息在线监测页面,实现了远程查看检测系统报警信息的功能。综上,基于包络检波器的分布式光纤传感系统降低了对高速采集卡的依赖,同时也得以避免使用复杂的定位算法,降低了解调系统的硬件成本。在应用层,系统能够实现实时的振动解调,远程云端查询,报警信息推送,提供了一个实用的振动监测领域解决方案。

关键词：光纤传感技术相位敏感光时域反射分布式振动传感低采样率包络检波

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光纤声波振动检测系统及分布式振动传感技术研究

光纤声波振动检测系统及分布式振动传感技术研究

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作者：张靖涛北京邮电大学

学位级别：硕士

声波属于物质波,其实质是质点振动、应力、压力等在弹性介质中的多样表现形式。在声学的研究领域中,声波的产生机制、传播形式以及检测方法是会共同涉及的内容。目前的声波检测技术就是利用声波信号在弹性介质内的传播变化实现对检测目... 详细信息

声波属于物质波,其实质是质点振动、应力、压力等在弹性介质中的多样表现形式。在声学的研究领域中,声波的产生机制、传播形式以及检测方法是会共同涉及的内容。目前的声波检测技术就是利用声波信号在弹性介质内的传播变化实现对检测目标的测探、准确识别、定位等。在光纤传感领域,当前的一个研究热点就是光纤声波检测,它可以用作水听器,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探输油管道实时检测预警系统；也可用作光纤麦克风,用光纤光栅制成的声波传感探头基元以光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的,它具有灵敏度高、抗干扰能力强、全光纤的特点,同时还具有能够实现波分复用、检测探头的微型化等特点。因此,本文研究了结构简单稳定,频响范围大且对微弱声音振动信号灵敏度高的光纤声波振动检测系统。并经实验验证了所制作的传感器灵敏度高,对光源能量和稳定性要求低,适合作精密、精确测量。此外,针对分布式振动传感的多点定位以及灵敏度高的同时实现,本文研究了能多点定位的干涉分布光纤传感技术。本论文的主要研究内容在于提出了结构简单稳定,频响范围大且对微弱声音振动信号灵敏度高的声波振动检测系统；在分布式振动传感系统环型结构的基础上,将环形结构与双光路平衡检测相结合的方法,仿真分析了除了可以多点定位,还可以实现并将直流项滤掉的同时使干涉信号的幅度加倍；分布式振动传感系统的双波长的环形结构方法通过比较两个光波干涉获得的相位信号的频谱特性来实现多点定位,算法更易实现；采用高双折射的光子晶体光纤作传感光缆的环形结构方法,可以不进行温度补偿并提高光纤传感的灵敏度。

关键词：光纤光栅传感声波检测匹配光栅解调分布式振动传感干涉环形结构

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基于分布式光纤振动传感的管道泄漏监测技术研究

基于分布式光纤振动传感的管道泄漏监测技术研究

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作者：刘志伟齐鲁工业大学

学位级别：硕士

管道作为石油、天然气等能源材料的主要输送工具,随着管道网的大量建设,由于老化磨损、偷盗、地质灾害、管道腐蚀等原因,不可避免地发生泄漏事故,对经济安全、环境安全、生态安全等方面造成不可逆转的影响。所以,对管道泄漏进行实时监... 详细信息

管道作为石油、天然气等能源材料的主要输送工具,随着管道网的大量建设,由于老化磨损、偷盗、地质灾害、管道腐蚀等原因,不可避免地发生泄漏事故,对经济安全、环境安全、生态安全等方面造成不可逆转的影响。所以,对管道泄漏进行实时监测报警变得尤为重要。目前管道泄漏监测方法有负压波法、检漏电缆法、质量平衡法以及声波检测法等,但这些方法仍存在产生误报信号、定位精度较差、不适用于小范围泄漏等问题。分布式光纤监测法作为近年来新兴的管道泄漏监测方法其传感部分具有抗电磁干扰能力强、绝缘性好、耐腐蚀耐高压、可以实现长距离探测等优点。可在铺设管道时将光缆布置在管道上,实现对管道泄漏点快速准确地定位报警,所以在本论文中使用分布式光纤振动传感系统进行管道泄漏监测。本文主要研究内容有:(1)通过相敏光时域反射技术(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometry,Φ-OTDR)在理论角度上对分布式光纤振动传感系统进行了研究,分析了分布式光纤振动传感系统空间分辨率的影响因素,根据系统的空间分辨率提出了一种多维空间数据融合算法对泄漏信号进行降噪处理。(2)详细了介绍了分布式光纤振动传感系统的各个组成部分,包括系统中光路部分和采集部分,分别进行了光路部分器件的选型与测试以及采集模块的仿真分析。对分布式光纤振动传感系统几个关键性能指标进行了测试,并对泄漏管道所使用光缆的灵敏度进行了测试分析。结果表明,实验中所用光缆对200Hz以下的信号敏感,其最大灵敏度为-153.69dB(rad/μPa)。(3)搭建了管道泄漏实验平台,对管道发生泄漏时造成的管道振动,实现了实时监测。通过该实验平台,对管道单点泄漏以及多点泄漏进行了测试,利用分布式光纤振动监测系统记录管道泄漏数据。采用多维空间数据融合算法对采集的泄漏信号进行去噪处理,并与其他去噪方法进行了对比。实验结果表明,在经过滤波器滤波、小波去噪以及多维空间数据融合算法去噪后信噪比分别提升了4.4dB、3.18dB、3.2dB以及5.35dB左右,其中经过多维空间数据融合算法处理后信噪比提升最大。最后对多维空间数据融合算法处理后数据进行了报警率统计,单点泄漏报警率最大提升了19.53%,多点泄漏报警率提升了2.29%。因此,多维空间数据融合算法可以实现单点泄漏以及多点泄漏的监测,并可以将泄漏信号与无泄漏信号进行有效区分,最终提高了管道泄漏监测系统的报警率。

关键词：分布式振动传感时空域管道泄漏数据融合

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高空间分辨率大带宽分布式光纤振动传感系统

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光学学报 2022年第19期42卷 23-31页

作者：赵艳夺王目光张静李东辉陈德胜黄晓砥北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室北京100044 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100190

基于频分复用和同相/正交(I/Q)接收技术,提出了一种具有高空间分辨率的大带宽分布式光纤振动传感解调方案,并对其进行了理论分析和数值仿真研究。该分布式振动传感结构包含马赫-曾德尔干涉仪(MZI)与时间门控数字光频域反射仪(TGD-OFDR)... 详细信息

基于频分复用和同相/正交(I/Q)接收技术,提出了一种具有高空间分辨率的大带宽分布式光纤振动传感解调方案,并对其进行了理论分析和数值仿真研究。该分布式振动传感结构包含马赫-曾德尔干涉仪(MZI)与时间门控数字光频域反射仪(TGD-OFDR),其中,MZI输出信号的相位采用零差法解调,用于检测振动信号的频率与幅度;而TGDOFDR则是通过外差探测技术实现振动信号的定位。数值仿真结果表明,所提系统的可测振动频率上限达兆赫兹量级,4 km传感光纤上的空间分辨率可达0.5 m。该分布式振动传感系统同时具有高空间分辨率与大检测带宽的优势,在民用基础设施健康监测和石油天然气管道泄漏监测等领域具有潜在应用价值。

关键词：光纤光学光纤传感分布式振动传感时间门控数字光频域反射仪光纤干涉仪空间分辨率

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基于OFDR的光纤分布式声频振动传感技术研究

基于OFDR的光纤分布式声频振动传感技术研究

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作者：吴林玫电子科技大学

学位级别：硕士

光频域反射技术（Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR）在现代军事、大型建筑、精密仪器制造等领域有重大的价值,是近年来研究的热门。本文首先建立了OFDR系统理论模型,在该理论模型基础上,搭建了分布式光纤声频振动实验系统... 详细信息

光频域反射技术（Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR）在现代军事、大型建筑、精密仪器制造等领域有重大的价值,是近年来研究的热门。本文首先建立了OFDR系统理论模型,在该理论模型基础上,搭建了分布式光纤声频振动实验系统。通过软件算法去除光源扫频非线性所带来的相位噪声,系统空间分辨率大大提高。利用互相关算法实现振动事件定位,进一步通过相位解调法恢复振动信号。论文的主要内容如下:1、通过光纤光栅和光纤瑞利散射的物理机制引出OFDR技术原理,并对其理论模型进行分析。分析光源扫频非线性效应和相位噪声。利用软件仿真不同激光器线宽以及不同测量距离情况下噪声对拍频信号的影响。2、搭建了基于OFDR的分布式声频振动传感系统。基于OFDR系统声频振动传感理论模型,对OFDR声频振动传感系统特性进行了分析,重点讨论了空间分辨率、测量距离和频率响应范围与系统光源的扫描时间Ts、扫频范围△F、扫频速率γ以及采集卡采样率fs的关系。最后对OFDR系统进行了设计以及搭建,通过示波器观察辅助干涉仪拍频信号,验证理论正确性。3、开展了OFDR声频振动传感系统解调算法研究。对NUFFT法、三次样条插值法和去斜滤波法的非线性效应补偿作用进行了理论分析和仿真。针对OFDR振动传感系统提出了互相关算法和相位解调法两种解调方案。互相关法能对振动事件进行定位,相位解调法在不同的振动频率以及振动幅度时都能恢复出振动信号。简单介绍了高斯滤波法和小波去噪法对信号噪声进行去除。4、开展了OFDR分布式声频振动传感实验研究。在100m处,经过三次样条插值系统空间分辨率达0.85mm左右,在440m处经过去斜滤波法补偿后系统空间分辨率达到9cm。利用高斯滤波法和小波去噪法提升信号质量。通过互相关法实现了对振动事件的定位,在120m处振动空间分辨率达到0.4m。通过相位解调法成功恢复了振动信号,振动频率测量范围为100Hz-2k Hz。

关键词：光频域反射分布式振动传感非线性效应补偿互相关相位解调

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基于相位检测的布里渊分布式光纤振动传感技术研究

基于相位检测的布里渊分布式光纤振动传感技术研究

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作者：朱晓非电子科技大学

学位级别：硕士

分布式光纤传感技术由于其测量距离长、抗干扰能力强、铺设方便且维护简单等优点,在光纤传感领域引起了广泛的关注和研究。其中基于布里渊光时域反射(Brillouin optical time domain reflectometry,BOTDR)的光纤分布式传感器,可以实现... 详细信息

分布式光纤传感技术由于其测量距离长、抗干扰能力强、铺设方便且维护简单等优点,在光纤传感领域引起了广泛的关注和研究。其中基于布里渊光时域反射(Brillouin optical time domain reflectometry,BOTDR)的光纤分布式传感器,可以实现对光纤沿线应变和温度的传感。目前,此类传感器已经逐步商业化。然而,这些传感器只能对静态的应变和温度进行测量,实时性差,无法对振动信号进行检测。基于布里渊散射的光纤分布式振动传感器,在国内外鲜有报道。本文在查阅国内外文献、调研布里渊分布式光纤传感技术发展现状后,结合布里渊散射光的特点,提出了一种基于相位检测的布里渊分布式光纤振动传感系统设计方案。该系统克服了传统BOTDR分布式光纤传感器不具备动态检测能力这一不足,本文设计的BOTDR系统可以实现对振动信号,即动态应变的传感。本文完成的主要工作有:1、分析了布里渊散射的理论基础,得到了布里渊散射光频率与光纤轴向所受振动信号之间的关系,提出了BOTDR系统的相位检测方法,为本文的系统设计奠定了基础。2、讨论了Golay互补序列的特点以及编码、解码原理。主要分析了编码光脉冲泵浦情况下,系统信噪比、动态范围、布里渊散射光谱宽度和受激布里渊散射光阈值的变化。利用MATLAB仿真软件,进行了编码光脉冲系统响应以及解码过程的仿真。3、对3x3耦合器相位解调方法进行了研究,论述了3x3耦合器相位解调法在BOTDR系统中应用的可行性。着重讨论了相位解调结构中光纤延迟线长度对与BOTDR应变测量范围和系统空间分辨率的限制。推导了算法流程,并进行仿真。4、最后,搭建了基于相位检测的布里渊分布式振动传感实验系统,给出了振动传感实验结果。测试了本系统的动态范围以及空间分辨率。本文提出的BOTDR分布式振动传感系统在5km光纤上实现了频率4Hz以下振动信号,即动态应变的分布式检测。空间分辨率约为25m,对振动信号的采样频率为12.5Hz,动态范围约为12.06dB。

关键词：相位检测布里渊光时域反射分布式振动传感

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采用后向瑞利散射空间差分的周界安防分布式振动监测（英文）

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红外与激光工程 2018年第5期47卷 120-125页

作者：尚盈王晨王昌刘小会孙志慧倪家升彭刚定齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院激光研究所山东济南250014 新南威尔士大学电气工程与电信学院新南威尔士2052

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... 详细信息

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 d B的信噪比以及35 m的探测距离。

关键词：分布式振动传感周界安防干涉仪空间差分

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基于多维空间数据融合算法的分布式光纤振动管道泄漏监测技术

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激光与光电子学进展 2023年第9期60卷 394-399页

作者：刘志伟尚盈王晨赵文安李常齐鲁工业大学(山东省科学院)激光研究所山东济南250104

管道运输安全是国民经济和人民生活的重要保障,管道泄漏监测成为管道运输安全中需要解决的一大难题。本文提出了一种基于分布式光纤振动传感(DVS)系统实现管道泄漏监测的多维空间数据融合算法,将传感光缆固定在管道侧面,通过DVS系统拾... 详细信息

管道运输安全是国民经济和人民生活的重要保障,管道泄漏监测成为管道运输安全中需要解决的一大难题。本文提出了一种基于分布式光纤振动传感(DVS)系统实现管道泄漏监测的多维空间数据融合算法,将传感光缆固定在管道侧面,通过DVS系统拾取管道泄漏信号,分别根据时间窗和空间分辨率对管道泄漏信号进行时空域平均,设定合适阈值完成管道泄漏监测报警。实验中对单点泄漏以及多点泄漏进行了测试,单点管道泄漏信号信噪比提升了4.5 dB,单点管道泄漏报警率最高提升了19.53%,多点管道泄漏报警率最高提升了2.29%,实现了对加压0.2 MPa管道泄漏的实时监测报警。

关键词：遥感与传感器分布式振动传感时空域管道泄漏数据融合

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基于Φ-OFDR的分布式光纤传感研究

基于Φ-OFDR的分布式光纤传感研究

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作者：冯玮安徽大学

学位级别：硕士

相位法光频域反射技术(Phase Based Optical Frequency Doman Reflectometry,Φ-OFDR)作为分布式光纤传感技术中的热门研究方向,在精密仪器无损检测、军事国防以及大型结构健康监测等领域被广泛应用。它通过对光纤中的菲涅尔反射或者背... 详细信息

相位法光频域反射技术(Phase Based Optical Frequency Doman Reflectometry,Φ-OFDR)作为分布式光纤传感技术中的热门研究方向,在精密仪器无损检测、军事国防以及大型结构健康监测等领域被广泛应用。它通过对光纤中的菲涅尔反射或者背向瑞利散射(Rayleigh Backscattering,RBS)的相位进行测量,能够实现距离、应变以及振动等事件的定量测量。与相位法光时域反射技术(Phase Based Optical Time Domain Reflectometry,Φ-OTDR)等其他分布式传感技术相比,Φ-OFDR技术在信噪比、空间分辨率以及传感精度等方面具有更优越的性能。由于Φ-OFDR技术可实现较高的空间分辨率,因此可以实现更精准的应变、振动等物理量的测量。但由于光纤中RBS的强度和相位都具有随机性,RBS在干涉时会产生相干衰落噪声,会导致解调信号的信噪比急剧恶化。针对Φ-OFDR传感系统存在的现有问题,本文通过Φ-OFDR传感理论以及数据解调算法等的研究,提出了抑制Φ-OFDR系统中相干衰落噪声的方案,设计了Φ-OFDR分布式光纤传感系统,通过实验验证了方案的可行性。除此之外,设计了毫米级分辨率的应变和振动传感系统,实现了对应变以及振动信号的精确测量。本文的主要内容如下: 1、介绍了Φ-OFDR系统基础理论。从光纤中的瑞利散射出发对OFDR传感系统的基础理论进行了研究,分析了影响OFDR系统传感性能的关键参数,介绍了相干衰落效应的原理,详细描述了Φ-OFDR应变传感和振动传感的工作机理。 2、设计了Φ-OFDR分布式传感系统。对Φ-OFDR系统所需主要器件进行了分析和选择,确定了传感系统的光路结构。结合软件控制部分设计了一种外时钟信号整形电路,提出了集成化软件控制采集方法,详细介绍了数据采集的原理及流程。 3、开展了Φ-OFDR分布式传感实验研究。提出了抑制Φ-OFDR传感系统中衰落噪声的抑制方案,详细介绍了其作用机理。通过静态实验和应变传感实验对提出的衰落噪声抑制方案进行了可靠性验证以及参数最优选择的讨论。搭建了Φ-OFDR振动传感实验系统,提出了相位解调算法流程,实现了多点多频率的毫米级振动测量。

关键词：相位法光频域反射技术相干衰落噪声相位解调分布式振动传感

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