布里渊光时域反射传感系统自适应扰偏模块的研制

布里渊光时域反射传感系统通过对布里渊背向散射信号的测量,可以得到温度和应变沿光纤的分布特性。布里渊背向散射信号的偏振态会影响布里渊光时域反射传感系统(BOTDR)的性能。扰偏器可以消除这种影响。本文分析了扰偏器的工作原理。设计了一个自适应的扰偏模块并制作了相应的驱动电路。该扰偏模块可以工作在不同的温度和频率点。实验显示该模块可以消除布里渊背向散射信号偏振态的影响,满足BOTDR测量的要求。

布里渊光时域反射传感系统数据采集模块的研制

分析了布里渊光时域反射传感系统的工作原理。讨论了传感系统性能与数据采集模块硬件性能的关系。设计了一个高速高精度的数据采集模块,其可以满足空间分辨率1 m、温度分辨率1 K以及应变分辨率20με的布里渊光时域反射传感系统的要求。

利用局部受激散射提升布里渊光时域反射系统性能

分布式光纤传感技术在工程领域中逐渐得到大规模应用,为了简化传感解调模式以提高光纤监测方案的工程便捷性和可行性,在降低光纤监测成本的同时提高监测的精度和准确性,提出了一种基于局部受激散射的布里渊光时域反射系统。在采取光纤单端探测以满足工程便捷使用要求的基础上,利用连续泵浦光的自发布里渊散射与系统中的探测脉冲光作用,通过自发布里渊散射系统中产生的局部受激布里渊散射模式,来提升布里渊光时域反射仪的传感距离和测温精度。通过此方法,可使原低成本布里渊光纤传感系统在使用宽度为100 ns的常用探测光脉冲基础上,将2.7 km测温光缆的末端测温精度提升至±1.27℃,提升了283%,改善了系统的测温精度和传感距离,且该结构不额外增加运算时间及其他冗余光电器件。与传统相干探测结构相比,该系统为改善低成本建筑工地专用布里渊光时域反射仪的性能提供了一种途径,尽量满足当前阶段建筑工程领域对超低成本分布式光纤解调仪的应用需求。

可重构分布式天线和反射面辅助的集成传感和通信系统演绎

集成传感和通信系统(ISAC)是一种通过赋予无线通信传感能力来升级物理系统的解决方案,我们开发了一个可重构分布式天线和反射面(RDARS)辅助的集成传感和通信(ISAC)系统原型。该原型采用可编程元件,根据需求动态调整工作模式,优化信号传输和传感性能。用户定位功能可靠,且不会对通信速率造成影响。系统可应用于室内导航、智能交通等领域,并展示了在6G系统中的潜在应用,为未来需要同时进行通信和传感的应用提供了重要的技术支持和创新思路。

基于布里渊光时域峰值边沿分析的变压器绕组局部热点检测

变压器绕组的温度分布一直是电网运行人员重点关注的对象。与传统传感器相比,分布式光纤传感具有抗电磁干扰能力强、可实现分布式测量等优势,其中布里渊光时域分析技术(BOTDA)的性能稳定,适用于大多数场景,但BOTDA的空间分辨率为m级,难以分辨绕组运行中的局部热点。该文从布里渊散射增益谱的机理入手,利用双峰拟合算法,并结合对异常峰值曲线的边沿分析,提出了一种在不增加系统硬件复杂度的基础上提升BOTDA空间分辨率的方法,以满足局部热点检测要求。通过对光纤沿线不同位置、不同热点长度及不同热点温度下的模拟试验验证了该方法的有效性,在实验室条件下可将准确传感的热点长度提升至原空间分辨率的一半以内。基于变压器实际绕组的局部升温试验,实现了绕组异常热点的精确定位和长度感知,并准确解调了绕组局部热点的温度,进一步验证了该方法的实际可行性和检测优越性,温度相对误差控制在5%以内,为提高变压器绕组温度在线监测的经济性和可行性提供新的思考,同时也为变压器绕组局部故障的提前感知和预警提供了新的思路。

多通道光栅传感解调系统的信号同步分析

多通道光栅传感解调系统的解调精度和信号同步程度存在直接关联,为保证解调效果,研究多通道光栅传感解调系统的信号同步方法。基于多通道光栅传感解调系统的应用原理,确定解调过程中相邻光栅传输时延,导致反射光信号发生重叠,无法保证多通道信号同步;充分分析解调系统信号时延情况后,采用卡尔曼滤波方法,依据频率偏差补偿完成相位偏差补偿,实现多通道同步时间补偿,以此完成多通道光栅传感解调系统的信号同步。测试结果显示:采用研究方法进行多通道光栅传感解调系统信号同步后,时间同步偏差结果均低于0.15 ms;并且信号同步后解调系统的解调误码率均低于0.55%;解调后最大漂移结果为0.007 8 nm;可有效避免反射光信号发生重叠。

基于ROPA技术的超长跨距φOTDR传感系统

【目的】针对分布式光纤传感系统单跨传感距离受限问题,文章提出了基于远程泵浦光放大器(ROPA)遥泵技术的相位敏感光时域反射仪(φOTDR)分布式光纤传感系统。【方法】采用偏振分集接收技术,获取彼此正交的偏振信号以解决偏振失配问题,分频带处理后抑制相干衰落与偏振衰落。应用高阶拉曼泵浦技术与级联遥泵放大技术,3个远程增益单元选取合适的增益介质长度,引入传输链路中适当位置,耦合远程泵浦单元发送的泵浦光与信号光使铒离子得到激励,实现信号光的无中继放大,解决了现有φOTDR单跨距传感距离不足的问题。【结果】实验结果表明,采用同相正交(IQ)解调算法,压电换能器(PZT)加扰的100 Hz扰动信号可实现线性还原。【结论】结果表明,文章所提系统可实现176.6 km超长单跨距振动信号传感,打破了现有φOTDR单跨距传感距离记录。前176 km振动曲线平稳且振幅低于0.4 rad,三维(3D)瀑布图中无扰动位置相对平稳,链路末端PZT加扰的扰动信号可准确感知。经快速傅里叶变换(FFT)处理后,100 Hz扰动信号的信噪比为8.9 dB。实验结果对于搭建超长跨距φOTDR传感系统提供了一定参考价值,对φOTDR系统的无中继超长距离传感发展具有一定意义。

基于相干光时域反射计的光纤温度传感测量

研究了基于相干光时域反射计的光纤传感技术,分析了基于相干光时域反射计的分布式温度传感机理.根据传感系统的组成和原理,建立了仿真模型,利用MATLAB对传感系统的性能进行了仿真与分析,结果表明基于相干光时域反射计的传感系统可以达到温度测量分辨率为0.01℃,空间分辨率为1m的性能指标.

布里渊光时域分析动态应变传感技术研究进展

布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)可以实现长距离、分布式、高空间分辨率、高精度的应变传感,在大型基础设施健康监测、飞行器状态监测领域具有广阔的应用前景.然而传统的BOTDA需要扫频,传感速度较慢,难以实现动态应变的测量.针对这一问题,根据工作原理的不同分别综述了斜坡辅助BOTDA(slope-assisted BOTDA,SA-BOTDA)、快速BOTDA(fast BOTDA,F-BOTDA)、免扫频BOTDA(sweep free BOTDA,SF-BOTDA)和基于啁啾泵浦/探测光的动态BOTDA近年来的进展情况,对比了各种技术的优缺点,并对布里渊光时域动态应变传感技术的发展前景进行了展望.

基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究

开展了基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究,提出了单端固定开口波纹薄筒光纤声增敏方法,建立了光纤声增敏装置波节间距、单波节轴向刚度、光纤长度等参数对光纤相位灵敏度的影响理论模型.制作了3种规格的光纤声增敏传感装置进行声传感实验.实验结果表明,声增敏传感装置相位灵敏度达到2.975 rad/Pa,最小声探测信号达到60.1 dB,3种规格的声增敏传感装置的灵敏度测试值与理论分析基本一致.研究结果为高灵敏度的光纤分布式声传感的进一步发展提供了理论和实验基础.

光纤传感阵列状态监测中的光时域反射技术

利用多模光纤缠绕钢绳式传感阵列网络，对智能材料与结构的受力，应变等状态参量进行监测和估计，并采用光时域反射(OTDR)技术实时处理并行分布式传感信号，给出了识别结果。

相位敏感光时域反射系统的时钟同源I/Q解调方法

提出一种基于时钟同源I/Q解调的相位敏感光时域反射系统解调方法.分析了调制信号与混频信号非同源不一致对解调结果的影响,采用声光调制器调制信号、斩波信号与I/Q混频信号时钟同源的方法以消除残余频率的影响.实验采用双压电陶瓷作为扰动源,通过I/Q解调实时获得后向瑞利散射光幅值和相位,进而实现扰动的定位和还原.实验结果表明,该系统能有效地探测到5km和9km处的正弦扰动,定位信号信噪比分别达17.8dB和16dB,相位解调结果准确还原正弦扰动,与正弦曲线的拟合系数分别为0.994和0.991,均方根误差分别为0.116和0.141.实验进一步验证了该方法能够测得不同扰动幅度下的相位正弦变化曲线,并能准确得到不同扰动频率,且扰动位置处相位变化幅度与扰动强度具有良好的线性关系,线性拟合系数达0.992,均方根误差为0.499,均优于非同源解调结果.

基于光时域反射计的全分布式光纤漏油传感器

报道了一种基于光时域反射计的全分布式光纤漏油传感器,该传感器能实现分布式实时监测长输油管道,及时发现小型的漏油事件.传感器沿管道铺设,利用光时域反射计实时测量光纤在长度上的损耗变化特点,及时发现并定位管道上的每一处泄漏事件.模拟实验证明了其实际操作的可行性,长期使用的稳定性和各种抗干扰性,能在15min内发现并定位漏油事件,且定位准确度为3m.

相位敏感光时域反射系统相位模糊及解卷绕

对相位敏感光时域反射系统相位模糊问题和解卷绕进行了研究,推导了系统中扰动引入的相位变化的整个过程,分析了相位敏感光时域反射系统相位解调过程中产生相位模糊的原因。实验采用压电陶瓷作为扰动源,通过数字相干解调方法进行了相位解调。实验结果表明,相位模糊同时存在于每条相位解调曲线上和曲线之间,因此需要进行两次相位解卷绕消除相位模糊现象;同时,对实验中产生的相位错乱进行了分析,指出相位解卷绕阈值和扰动位置相位的剧烈变化导致了扰动位置相位解卷绕结果不准确,提出了采用相位差变化峰之后的临近位置处的相位变化来还原扰动。实验表明,这种方法能够正确还原扰动信号,能够对10 Hz~1.5 kHz范围内的扰动信号进行准确解调,可同时响应并解调光纤沿线多点扰动,且相位变化幅值与扰动强度具有良好的线性关系。

基于布里渊光时域反射计的紧套型OPGW覆冰厚度监测

为了获取一个档距内更精细的覆冰厚度分布,针对紧套型光纤复合架空地线(OPGW),提出了一种基于布里渊光时域反射计分布式应变传感能力的覆冰监测技术,并通过实验进行了验证。测量得到OPGW的应变分布,通过力学分析将应变分布转换为重量分布,进而换算得到具体的覆冰厚度分布。在悬空光缆的模拟实验中,针对均匀负重5 kg和2.5 kg的实验结果误差分别为2.27%和15.77%,验证了此方法的有效性。误差分析表明在实际中OPGW具有更长跨距的情况下,采用较大的空间分辨率可以提高应变测量精度,改善本方法对覆冰分布的测量效果。

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。

一种基于暗脉冲光布里渊时域分析仪的延长传感距离的方法

基于暗脉冲的布里渊时域分析仪系统中泵浦光和探测光的功率较高,相互作用强烈,严重限制了系统的有效传感距离。而现有的系统众多采用利用多段具有不同布里渊散射频率的光纤相互连接延长传感距离的方法,降低每段光纤上的受激布里渊散射效应,延长有效传感距离,但这种方案会增加的系统的复杂度,影响实际应用.本文提出一种简单的暗脉冲光布里渊时域分析仪的结构,可在满足高空间分辨率的条件下,有效的延长系统的传感距离,取代通常的利用多段具有不同布里渊散射频率的光纤相互连接延长传感距离的方法.利用基于光抑制载波的技术,产生具有两个边带的斯托克斯光.斯托克斯光的两个边带和泵浦光相互作用,同时激发布里渊散射增益和衰减效应,在接收端利用两者接收信号的差,可抵消原有暗脉冲泵浦信号中准连续光对传感距离的影响,从而有效地延长系统的传感距离,并利用数值仿真的方法验证了此方法的有效性.

基于单光子探测的光子计数光时域反射仪研究进展

基于光时域反射技术(Optical Time Domain Reflectometry, OTDR)的光纤分布式传感器可以实现对整个传感光纤空间可分辨的分布式测量,相比点式传感器具有极大的技术及应用成本优势。而传统的基于模拟探测的OTDR光纤分布式传感器在空间分辨率及动态范围上存在性能瓶颈。基于单光子探测的光子计数OTDR光纤分布式传感系统通过数字化的探测和记录方式,可以突破传统OTDR系统的性能极限。本文对光子计数OTDR系统技术及发展进行了综述,旨在通过本文的综述,明确基于单光子探测的光子计数OTDR系统的优势及限制,以及该技术的未来发展趋势,促进基于OTDR技术的光纤分布式传感器的进一步发展。

一种利用菲涅尔反射的分布式温度传感系统

为了实现对温度的快速测量,采用了一种利用低频信号源进行频率扫描的分布式温度测量系统。搭建了基于菲涅尔反射的分布式光纤温度传感系统,并对系统进行了理论分析和实验验证,得到了分布式光纤温度传感测量系统的温度特性。结果表明:通过测量布里渊增益谱(BGS)获得的布里渊频移(BFS)与温度呈良好的线性关系;由菲涅尔反射分布式光纤温度传感系统获得的BFS的温度系数为1.02 MHz/℃,与传统分布式双端布里渊光时域传感系统的测得值1.20 MHz/℃基本相符,在1.876 km光纤上可实现4.5 m空间分辨率的温度传感测量。

应用于物联网的光纤布里渊传感系统设计

采用当前方法设计光纤布里渊传感系统时,系统在光纤中区分距离较近的2个点能力较弱,传感器到达设定测量精度花费的时间较长,存在空间分辨率低和时间分辨率低的问题。提出应用于物联网的光纤布里渊传感系统设计方法,对布里渊信号检测技术进行了分析,具体包括直接探测技术和相干探测技术。在此基础上通过选择光源、电光调制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光电探测器和偏振控制器构成光纤布里渊传感系统的结构,结合布里渊传感技术完成光纤布里渊传感系统的设计。实验结果表明,该方法设计的光纤布里渊传感系统的空间分辨率高、时间分辨率高。