神经网络在布里渊光时域分析仪温度提取中的应用(特邀)

文章回顾了本研究小组将人工神经网络(ANN)和深度神经网络(DNN)用于提取布里渊光时域分析仪(BOTDA)传感系统中的温度分布信息的研究工作。在对ANN或者DNN模型进行适当的训练之后,沿被测光纤的温度分布信息能够被训练完成的ANN或DNN从实验获得的布里渊增益谱(BGS)中直接提取出来,而不需要像传统的洛伦兹线型拟合(LCF)方法一样先对BGS拟合得到布里渊频移(BFS),再将其转换成温度信息。实验结果展示出了用ANN和DNN进行温度提取的方法相比于用传统LCF方法的优势。

布里渊光时域分析仪与马赫一曾德尔干涉仪共同检测传感技术

布里渊分布式光纤传感器适用于测量静态的温度／应力，而马赫一曾德尔干涉仪分布式光纤传感器（DOFS）可测量动态的应变变化。许多应用场合需要静态和动态的传感信息，这是单机理分布式光纤传感器难以达到的。由于布里渊光时域分析仪（BOTDA）和马赫一曾德尔干涉传感器都采用双向环路传感光纤结构，通过共用光源和主要光器件，将布里渊光时域分析仪和马赫一曾德尔干涉传感器相结合。利用布里渊传感测温度，马赫一曾德尔传感器测振动，从而可实现多机理多参量传感。搭建了25km传感实验系统，对于马赫一曾德尔振动传感，定位精度达到60m，并可计算振动频率；对于布里渊传感，在没有振动时传感光纤的始端和末端都为2℃的测量精度，但在振动时得到始端为3℃、末端为4℃的测量精度。

拉曼放大布里渊光时域分析系统非局域效应

应用包含探测光、布里渊泵浦光及拉曼泵浦光相互作用理论模型,数值分析了基于拉曼放大的长距离布里渊光时域分析仪非局域化特性。结果表明:非局域化随探测光及拉曼泵浦功率增加而恶化;通过频分复用(将具有不同布里渊频移的光纤拼接)及时分复用技术(同时对布里渊泵浦及探测光进行脉冲调制),可有效缩短布里渊泵浦与探测光的作用距离,达到较理想的抑制非局域效应结果。

基于BOTDA的电力特种光缆应力应变研究

为解决光缆机械特性监测盲区,防止因机械性能劣化而产生的故障隐患,对光缆中光纤余长理论和BOTDA(布里渊光时域分析仪)、OTDR(光时域反射仪)监测原理进行研究。采用BOTDA监测技术,对光缆中光纤的应变进行了监测实验。结合理论分析,得出光纤应变随光缆的应力应变及机械特性变化的关系,能够对光缆机械性能劣化起到预警作用,防患于未然。

钢筋混凝土梁表面多裂缝扩展的试验研究

采用单模光纤和基于差分脉冲对(DPP)技术的布里渊光时域分析仪(BOTDA)对表面已有2条宽度分别为0.5和0.1mm、间距20cm裂缝的钢筋混凝土梁在一定荷载下裂缝的扩展变化进行了试验研究.将一根直径250μm的裸光纤环绕4道跨过相同裂缝,并采用不同的胶黏剂全面黏接,研究了胶黏剂粘贴效果对测量结果的影响.在梁中部加载10kN的静态荷载使裂缝扩展,将BOTDA的空间分辨率设为5cm,采样间隔设为1cm,经初步的信号处理,即可获得混凝土表面裂缝扩展的应变分布的明显变化.测量结果表明,具有高空间分辨率和较小空间采样间隔的DPP-BOTDA能比较准确地测量混凝土连续梁表面比较密集的裂缝受压扩展情况,测量结果基本不受胶黏剂的影响.

基于BOTDA的分布式光纤高温传感研究(特邀)

基于布里渊光时域分析(Brillouin optical time-domain analysis,BOTDA)测量技术分别研究了单模光纤、光子晶体光纤和镀金光纤在1100℃、1200℃和1000℃的高温传感特性,通过对石英光纤的布里渊频移(Brillouin frequency shift,BFS)跳跃现象和涂覆层燃烧现象进行研究,指出石英光纤均需要退火才能够达到热稳定状态。退火后,三种光纤的布里渊频移随温度呈非线性变化。其中,单模光纤和光子晶体光纤高温状态下涂覆层气化,二氧化硅发生晶化导致其机械强度大幅下降,因此仅能作为一次性高温传感器;镀金光纤由于金涂层具有较高的熔点和良好的气密性,高温退火后仍然能够保持良好的机械强度,因此可以作为一种重复使用的高温传感器。该研究有望为高温传感应用(如涡轮发动机内部温度监测)提供一种技术参考。

基于BOTDA的OPGW应变性能研究

为研究长期运行光纤复合架空地线(OPGW)的应变性能,使用高精度的分布式光纤传感监测设备布里渊光时域分析仪(BOTDA)对新缆和不同覆冰环境下的旧缆进行应变监测,对比分析了OPGW光缆内光纤的布里渊频率在长期外界环境作用下的变化。试验结果表明,运行时间和覆冰等级是影响OPGW光缆内光纤应变性能的主要因素。

基于WOA优化神经网络的BOTDA传感信息提取

人工神经网络(ANN)已被应用于获取布里渊光时域分析仪(BOTDA)所测的布里渊频移信息(BFS),然而其存在易陷入局部最优和收敛速度慢等缺点。为了克服上述缺点,本文提出一种基于WOA优化人工神经网络(WOA-NN)快速获取布里渊光纤传感器BFS的方法;随后通过设计非线性收敛因子α,进一步构建基于非线性WOA优化的神经网络(NWOA-NN)用来提取BFS。将提出的2种网络与经典ANN、粒子群优化神经网络(PSO-NN)、遗传算法优化神经网络(GA-NN)等模型进行比较,实验结果表明,本文所提出的WOA-NN模型在提取BOTDA中的温度信息时的性能优于其他3个网络,其所获取的温度的平均RMSE分别低于ANN、PSO-NN和GA-NN约42.66%、52.51%以及45.93%,NWOA-NN模型所获取的平均RMSE进一步优于WOA-NN 19.08%。同时,使用ANN、PSO-NN、GA-NN、WOA-NN和NWOA-NN进行训练所花费的平均时间分别为929.71 s、889.49 s、699.36 s、580.06 s和549.12 s,所提出的2个网络训练时间表现亦较好。

CEEMDAN-WT降噪提升BOTDA信噪比研究

针对布里渊光时域分析仪(BOTDA)存在的信号噪声问题,提出一种自适应噪声完备集合经验模态分解联合小波阈值(CEEMDAN-WT)的降噪方法。首先,分析了CEEMDAN-WT算法降噪原理,基于微波扫频测量原理建立了BOTDA信号解调模型,通过仿真研究验证了CEEMDAN-WT方法可有效去除信号中的随机噪声。其次,搭建了BOTDA测温系统,在不同传感距离和不同空间分辨率下进行了降噪效果实验验证。结果表明,在30 km的传感距离和2 m的空间分辨率下,CEEMDAN-WT方法将光纤末端的信噪比提升了8.89 dB。研究证明,CEEMDAN-WT方法可为BOTDA信噪比提升提供一种有效方案。

BOTDA测试光路自动切换保护系统设计

针对布里渊光时域分析仪(BOTDA)的测试光路在长期使用中易发生故障进而导致BOTDA测试中断的问题,设计了一种基于光时域反射(OTDR)原理的光路自动切换保护系统。系统以K60控制器为控制核心,应用FLEXBUS接口挂载SRAM、FPGA和W5300,集成K60+FPGA架构的OTDR模块,通过光开关实现光路切换,监测各个光路的故障情况,能够在BOTDA测试光路出现故障时切换光路并发送短信报警;介绍了系统原理、主要硬件模块、以太网引导升级和光路自动切换保护软件流程。实验结果表明:OTDR动态范围达到35 dB以上,满足BOTDA测试光路的监测要求。

油气管道分布式光纤布里渊散射应变的仿真研究

通过有限元分析软件对硬质聚氯乙烯材料支吊架结构管道建立模型,采用中央竖直向下施加静态持续载荷方式进行力学仿真。将传感光纤沿轴向直线排布在模拟管道顶部、底部和侧部,通过粘贴传感器将管道外表面应变传递至传感光纤,并采用布里渊光时域分析仪对不同载荷下管道的应变变化进行监测。结果表明:管道轴向方向到管道底部为拉伸正应变,顶部为压缩负应变,侧部中线的应变基本不变;管道中段的应变最大,向管道两端的应变逐渐减小,距离管道端部0.6 m处的应变趋于0。此外,油气管道中段底部的应变灵敏度为顶部的3.3倍,为支撑端的5.5倍。

基于划分温度区段的分布式光纤传感应变监测温度补偿方法

针对分布式光纤应变传感中温度补偿问题,通过温度补偿光缆测得只与环境温度相关的布里渊频移。划分温度区段,对每一单独温度区段内的应变光缆的布里渊频移进行分析。基于在温度相同的不同时段,应变光缆的布里渊频移变化量只与应变相关的原理,构造出划分温度区段的温度补偿方法,在每个温度区段温度变化很小,基本不引起布里渊频移发生变化,可以独立分析应变,并给出了计算流程图。通过工程实例展示了该方法能在较大的温度变化范围内有效地进行温度补偿,实现温度和应变在测量中的解耦,准确测量应变。