干涉型分布式光纤振动传感周界安防监测系统研究

针对长距离、大范围周界安防的需求,设计了复合干涉型分布式光纤振动传感周界安防系统。研究了光纤干涉方式实现振动传感的机理,为克服传统干涉结构两路传感光纤需等长且相互隔离的问题,提出采用Sagnac与Mach Zehnder复合光路结构,通过测量干涉光强的变化还原调制光信号中的振动信号,实现对入侵行为的感知。实验结果证明,本系统的频率响应范围在100 Hz~20 kHz,可良好还原外界振动信号,在20 km的测试距离内,可灵敏感知外界扰动。

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。

分布式光纤振动传感系统中数据采集及信号处理系统设计

本文主要介绍了一套分布式光纤振动传感系统中的数据采集及信号处理系统,该系统设计采用高性能的运算放大电路完成光电信号调理,以高精度差动模数转换器AD9246完成模数转换工作,并选用高性能FPGA作为核心逻辑控制器,并以低功耗的OMAP-L137作为CPU负责振动数据计算、网络通讯等工作,从而使该-OTDR分布式光纤振动传感系统测量范围扩展到25 km范围。本文通过计算相邻测点振动增量方法检测是否发生了振动入侵,提高了分布式光纤振动入侵检测的灵敏度。该设计方法提高分布式光纤振动传感系统的信噪比,使得该系统振动检测灵敏度提高、抗干扰能力增强,因此该分布式光纤振动传感系统可以用于实际工程的振动监控。

基于分布式光纤振动传感器系统识别海底光电复合缆监测

随着科学技术的进步,海洋经济成了各国经济发展的关键发展项目。在此过程当中,海底光缆的应用十分广泛,在海上风电、岛屿开发以及石油平台等多种海上项目都需要海底光缆的应用。海底具有较地底更为复杂的环境,如何保证海底光缆安全运行,实时监测海底光缆动态,定位光缆故障点,成为亟须解决的问题。通过分布式光纤振动传感器,借助Φ-OTDR技术,设计海底光电复合缆的监测系统。最终借助时空谱图进行故障点与非故障点的信号变化表征,实现海底光缆故障点的实时监测与定位。

φ-OTDR全分布式光纤振动传感系统的车辆识别方法改进

相位敏感光时域反射计（φ-OTDR）全分布式光纤振动传感系统,在对车辆信号识别过程中所采用的幅度差分法存在着识别率低的问题。为了克服这一问题,将车辆识别方法改进为基于BP神经网络的识别算法。该算法首先利用φ-OTDR系统采集瑞利后向散射光信号,从中提取出车辆振动信号,然后通过主成分分析法（PCA）对振动信号进行降维和特征提取,最后利用BP神经网络模型对高速公路上的车辆进行识别。实验结果表明：利用BP神经网络算法对车辆进行识别,识别率可以达到98.33%。

基于分布式光纤振动传感器的铁路安全监测算法

针对铁路沿线存在人员攀爬栅栏网这一问题,将分布式光纤传感技术和信号分析技术相结合,提出了一种基于分布式光纤振动传感器的铁路安全监测算法。通过沿铁路周界栅栏网敷设的光缆感知并传导信号,搭建铁路与监测算法的物联网连接,实现对攀爬行为的智能化监测。针对铁路周围环境较复杂、干扰较多的情况,采用海明窗分帧加小波阈值去噪的方法对每帧信号进行滤波,提高了振动信号的信噪比。在特征选择上,从时域和频域上分别提取信号的功率和短时过电平率作为联合特征,对是否存在攀爬行为进行判别。因为攀爬行为具有空间上的连续性,在监测过程中设置最小报警范围滤除范围过小的报警,提高了监测系统的准确性。

路基塌陷分布式光纤振动传感监测技术

为了对长距离路基安全进行有效监测,提出了采用分布式光纤振动传感器构建路基塌陷监测系统,获取路基塌陷振动信息进行安全预警,并通过现场试验进行了验证,指出该方法实现了较高精度的塌陷区域定位,为路基安全评估提供了有效的监测方法。

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。

分布式光纤振动传感系统大传感数据流时间周期压缩与传送技术

针对分布式光纤振动传感系统的大传感数据流,提出一种时间周期压缩与传送技术,采用扰动脉冲特征值提取模块对扰动脉冲特征值进行同步提取,并将无关数据剔除,大大压缩了数据量;同时为了便于数据区分,采用复用的方法对特征值进行编码与成帧。实验结果表明,本文提出的数据压缩与传送方法能够有效的获取外界扰动事件的位置和强度信息,且当同一时间仅有一处扰动事件发生的情况下,本文的数据压缩率仅为0.96‰。相比于传统的数据传送方法,本文大大减少了传输的数据量,减轻了通信接口和上位机软件的负担,系统的传感灵敏度和响应速度都得到显著提高。

准分布式光纤振动传感系统信号增益均衡及稳定技术

针对准分布式光纤振动传感系统的各传感通道的增益差异,提出一种基于PI算法的多路信号增益均衡及稳定技术。通过合理设置算法的调节时间,确保传感系统正常工作的同时,消除了因光波偏振、相位等参数缓慢变化引起的增益变化。实验结果表明,四通道的复用系统,不同通道的最大增益差是1.6 V;每个通道增益波动幅度最大是2.3 V,波动周期是0.23 h。选取合适的PI控制器参数KP=0.01,KI=0.1,此时,PI算法的调节时间大约为4 s,增益波动幅度小于0.2 V。

基于分布式光纤振动传感的海缆锚害故障检测

为了利用分布式光纤振动传感技术进行光纤复合海底电缆(简称为海缆)锚害故障检测,开展了海缆运行现场的锚害试验。用550吨的货船和1 000kg的船锚模拟了锚砸和拖曳事件,用基于相位敏感光时域反射计(Ф-OTDR)技术的分布式光纤振动传感设备对3.3km三芯海缆内的光纤进行了实时监测,获得了海面平静、锚砸和船锚拖曳3种情况下,光纤振动信号的能量和快速傅里叶变换幅度谱在时间和空间上的分布数据,并对其进行了分析。结果表明,海面平静时能量和幅度都很小,锚砸时能量和幅度会产生短时上升且频率成分丰富,船锚拖曳时能产生较长时间的能量和幅度上升,但频率成分较锚砸少。分布式光纤振动传感技术可有效检测锚害故障。

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3.825 9 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。

基于分布式光纤振动传感的海底电缆绝缘击穿故障检测

为了研究分布式光纤振动传感技术检测海底电缆绝缘击穿的可行性,进行了绝缘击穿实体试验。搭建了绝缘击穿实体试验系统,利用高压脉冲对具有绝缘缺陷的海缆进行冲击;利用分布式光纤振动传感测量设备实时监测缆体沿线的振动信号,利用时空谱图直观展示了击穿故障前后的信号变化,并对击穿点的振动信号进行了时频分析。结果表明,海缆绝缘击穿时会产生强烈的振动,该振动信号的频率成分分布于0~1 000 Hz范围内,分布式光纤振动传感可有效实现海缆绝缘击穿故障的检测和定位。

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。

基于分布式光纤振动传感的高压电缆防外破监测预警系统应用

为实现对高压电缆线行区域施工地的外力破坏隐患进行实时监测,避免顶管机、打桩机、破碎机等设备施工损伤地下电缆本体,造成线路跳闸。利用与高压电缆同沟敷设的分布式光纤及其振动传感原理,设计并应用高压电缆防外破监测预警系统,后台根据标定的光缆路径GIS地图,实现远程实时预警和定位现场施工点,并智能分析现场施工隐患类型,经判断后将预警短信发送至运维人员。现场应用表明:基于分布式光纤振动传感的高压电缆防外破监测预警系统的通信架构简单、预警体系完善,能实现各类施工信号识别,减轻了运维人员的工作压力,提高了高压电缆防外破工作效率,有利于预防并制止外力破坏事件。

基于分布式光纤振动传感的长输埋地管道安全监测技术

为了解决长输埋地管道非法占压、开挖引起的管道泄漏或偷油事件,提出了采用分布式光纤振动传感技术构建管道安全监测系统,依据管道通讯光缆中的冗余光纤实时监测并识别管道沿线因占压、开挖引起的振动信息并进行安全预警,并通过试验验证了该监测技术的可行性,指出该方法具有较高的振动定位精度和高实时性。

基于格拉姆角场的分布式光纤振动信号识别技术

针对天然气管道沿线威胁事件的实时识别问题,笔者提出了一种基于瑞利光时域反射分布式光纤振动监测系统和深度学习网络的方法。首先,利用分布式光纤振动监测系统采集28.9 km长管道沿线6类事件的波形信号,并通过格拉姆角场(GAF)将其转化为二维图像信息,然后利用GoogLeNet、VGG、AlexNet三种深度学习网络对图像信息进行分类对比,并分析了不同信噪比条件下GoogLeNet的分类效果。结果表明:GoogLeNet对6类事件的分类准确率最高,优于其他两种网络;当信噪比为8 dB时,GoogLeNet对人工挖掘和机械破坏事件数据进行滤波、GAF等处理之后没有出现误报。本文所提方法适合在实际现场使用,为管道安全监测提供了一种新的技术手段。

基于分数阶傅里叶变换的分布式光纤振动识别

针对当前分布式光纤振动传感对振动干扰事件的识别容易过拟合以及泛化能力不强的问题,提出了一种基于分数阶傅里叶变换(FrFT)的分布式光纤振动事件识别方法。采用FrFT对时域振动信号进行时频变换,相比传统的时域方法多了一个新的分析维度。相比传统时频域方法,该方法不仅解决了时间分辨率和频率分辨率相互制约的问题,还增强了时频数据的特征丰富度,更利于深度模型的学习,可有效防止模型过拟合。户外实地实验表明,FrFT方法的识别准确率达到98.5%,且在专门的泛化测试集上依然能保持98%以上的准确率。同时引入更可靠的评估指标f1-score(f1-score是精确率和召回率的调和平均数)来综合评估精确率和召回率,该方法识别各事件的f1-score均高于0.975。

复合型分布式光纤振动侦听传感技术在长输油气管道的应用研究

随着我国社会经济的不断发展和进步,从而使得对于能源的需求也越来越大,特别是油气资源。在运输油气资源的过程当中,因为管道具有自身的一些优势,所以它成为了运输油气资源的一种非常重要的手段。但是在实际的运输中,因为很多人为因素和自然因素,经常都会发生管道泄漏的事故,这样对于环境的污染以及人们的生命财产都有非常严重的影响。文章主要针对复合型分布式光纤振动侦听传感技术在油气长输管道泄漏监测技术进行研究和分析。

基于环结构的新型分布式光纤振动传感系统

提出并验证了一种新颖的基于环形马赫-泽德干涉仪结构的全分布式光纤振动传感系统.采用直流光实时动态定位技术,通过在干涉仪光路中引入环结构,将直线型干涉仪转化为环型回路,使得一个马赫-泽德干涉仪中相向传输两路光波,相当于构成双马赫-泽德干涉仪.当振动信号作用于传感光纤时,相向传输的两路直流光同时产生相同的相位信号并沿不同的路径传输至光接收单元,采用数字信号处理技术分析接收信号即可实时获得振动的空间位置和频率、幅度等特性参数.实验中成功实现了监测距离为1.01km的分布式振动传感,单点振动的空间分辨率小于40m.另外,从理论上分析并模拟了系统对多点同时振动进行检测和定位的可行性.