基于空间域差分的φ-OTDR光纤分布式扰动传感器定位方法研究

针对φ-OTDR光纤分布式扰动传感器偏振衰落导致漏报的问题,提出了一种基于空间域差分的定位方法。在不增加光路器件的情况下,在空间域对探测光强进行差分处理,与现有时域定位方法相结合,通过在时域和空间域分别设置报警阈值,可以有效抑制偏振衰落导致的漏报。对提出的定位方法进行了实验验证,在空间分辨率为50 m、光纤长度为25.05 km的条件下进行多次实验测试,与现有单一时域定位方法相比,漏报率从18.5%降低到2%,报警准确率从76%提高至89%。该研究工作可以为优化和提高φ-OTDR光纤分布式扰动传感器在实际应用中的技术性能提供理论指导和技术参考。

基于Sagnac组合型干涉仪的光纤分布式扰动传感器(英文)

提出并研究了基于Sagnac组合型干涉仪的光纤分布式扰动传感器。扰动作用在传感光纤上引起传输光波相位的变化,可以通过Sagnac干涉仪进行检测。所提出的光纤传感器包括三个Sagnac干涉仪,它们共用一个宽带光源(BBS),并通过两个光电探测器(PD)检测干涉信号。由于宽谱光源的相干长度很短,因此只有经历相同路径的两束光会发生干涉,这样的路径存在三条。其中一个光电探测器检测有着相同环路长度的两个Sagnac干涉仪的信号之和,另一个光电探测器检测由法拉第旋光镜和传感光纤组成的干涉仪中的干涉光强。通过对探测器接收到的信号进行数学运算可以对扰动进行定位。实验结果表明,所提出的传感器可以检测并定位扰动。10次实验的最大定位误差为370 m,平均定位误差为270 m。

光纤分布式扰动传感器中瑞利和受激布里渊散射光谱特性及其影响研究

针对光纤分布式扰动传感器长距离应用定位误差增大的问题,研究了传感器长距离光纤中的瑞利散射和受激布里渊散射的光谱特性及其对系统定位精度的影响。建立了长距离光纤中瑞利和受激布里渊散射的数学模型,通过仿真研究发现散射光波的杂波干涉和强度噪声会严重降低干涉仪的光学信噪比,从而导致定位误差。通过实验验证了仿真结果的正确性。研究结论可以为提高长距离应用定位精度提供理论指导。

基于Lissajous图形的光纤分布式扰动传感器定位方法

研究了一种基于Lissajous图形的光纤分布式扰动传感器定位方法。光纤分布式扰动传感器基于Mach-Zehnder干涉仪，通过两路输出信号的时延得到扰动定位。在两路输出信号的Lissajous图形中构造拟合椭圆，基于实验数据的仿真研究表明：通过椭圆半短轴长可以得到时延，实现定位。法进行了仿真和实验研究，在无需噪声抑制的条件下定位精度较高：在信噪比为-6~7dB范围，最大定位误差为207 m 多次测量中，最大误差为94 m。研究结论可以为光纤分布式扰动传感器定位方法提供新的技术参考。

基于Michelson干涉仪的光纤分布式扰动传感器(英文)

提出并研究了基于Michelson干涉仪的应用于检测时变扰动的光纤分布式传感器。所提出的光纤传感器由两个Michelson干涉仪和一个光纤延迟环组成。扰动作用在传感光纤上,引起传输光波相位的调制作用,可以通过该传感器进行检测并得到扰动的位置信息。通过光电探测器对干涉信号进行接收。对接收到的信号进行隔直,并通过求取峰峰值的方法对隔直后的信号进行预处理。通过希尔伯特变换、相位去包裹和三角函数运算可以提取出预处理信号中包含的相位信息。最后,通过频谱分析和相应的数学运算可以实现扰动的定位。在20 km的监测距离内通过实验验证了传感器的可行性。所提出的光纤传感器具有实时性好、抗偏振性、低成本的独特优势。

调制器消光比对光纤分布式扰动传感器的影响

基于多波干涉原理,建立了调制器消光比(ER)不理想条件下基于相位敏感光时域反射(OTDR)的光纤分布式扰动传感器(FDDS)光路系统输出信号模型,研究了调制器ER对FDDS定位精度的影响机理。仿真结果表明:调制器的ER不理想引起泄漏光产生的后向散射相干曲线是噪声源,它会导致传感器的信噪比(SNR)恶化。因此,调制器的ER是引起定位误差甚至传感器无法定位的一个关键因素;当调制器的ER分别低于10.2dB和7.8dB时,依据有扰动减无扰动定位方法以及移动平均和移动差分算法得到的传感器SNR低于2dB,定位算法失效。通过调节声光调制器的驱动电压来改变衍射效率从而改变调制器的ER,实验结果与数值仿真基本一致。

磁悬浮飞轮位移传感器谐波扰动的主动抑制

针对磁悬浮飞轮转子位移传感器谐波噪声引起的多频扰动问题,提出了一种基于级联相移陷波器的全转速自适应控制方法。首先根据多频扰动特性,构造分级的自适应相移陷波器,每级陷波器对应一个陷波频率;然后,将陷波器级联,分别设置相角补偿矩阵解决闭环控制回路在全转速范围内的稳定性问题。最后,以五自由度磁悬浮飞轮为实验对象进行实验验证,实验结果表明,所提出算法能够在全转速范围内有效地抑制谐波扰动。

基于相位敏感光时域反射计的长距离入侵探测系统(英文)

根据受激布里渊散射(SBS)对相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)的监测距离的限制,分析了在使用不同灵敏度的光电探测器时φ-OTDR系统的监测距离,并根据SBS阈值随着光纤长度的增加而下降的特点,提出了一种新的光路结构以提升系统的监测距离。该光路结构采用环行器将敏感光纤分为多个部分,并对各部分的后向瑞利散射光分别进行探测,避免了各部分光纤产生的斯托克斯光相互叠加,从而提高了SBS阈值,进而实现了提升系统监测距离的目的。在实验室测试中,使用3个环行器将敏感光纤分为了3个部分并实现了66.92 km的监测距离。通过增加环行器的数量,系统的监测距离可以进一步提高。

激光器频率漂移对相位敏感光时域反射计性能影响研究(英文)

针对激光器频率漂移对相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)的性能影响,文中采用后向瑞利散射的一维脉冲响应模型对其进行了理论分析。在实验室测试中,搭建了臂长差为100 m的非平衡MZ干涉仪来实时监测激光器的频率漂移;并通过测试三种不同频率漂移的激光器下的φ-OTDR系统性能验证了理论分析的正确性。理论分析及实验结果表明,激光器的频率漂移是引起φ-OTDR曲线波动的重要因素,频率漂移越大,其引起的φ-OTDR曲线波动就越大;当频率漂移高达几百MHz/min时,在时域上已难以区分出是频率漂移引起的扰动还是入侵事件引起的扰动,但仍能在频域中将频率漂移噪声分辨出来。

基于FPGA的高速数据处理系统设计

针对光纤微扰动传感器的高速数据处理问题,设计一种以XC4VSX25为核心,具有数据采集功能、存储功能、LCD显示功能和USB通信功能的系统。利用XC4VSX25带有的XtremeDSPTM IP核,通过并行运算解决高速实时数据处理问题,并且通过Verilog HDL语言设计串行结构和并行结构,并在ModelSim中对两种结构进行仿真比较。结果表明,本系统中并型结构的计算速度是正比于并行度的,可以提高系统处理速度。

基于通信光缆的光纤油气管线预警系统

提出了一种以光纤分布式扰动传感器为核心,通过随油气管线一同敷设的标准通信光缆为传感介质的新型光纤管线预警系统.该系统利用激光干涉的原理对扰动信号进行实时探测,从而实现对挖掘、偷盗和第三方破坏等事件导致的扰动的实时监测和定位,从而达到管线安全预警的功能.该预警系统成功研制后分别在津唐输油处石油管线和杭州至嘉兴天然气管线进行了多次外场测试,该系统能在长达60 km的管线上实现250 m的定位精度,具有很好的定位稳定性.其测试结果表明:与传统油气管线监测手段相比,该系统具有无需外场供电、本质安全、灵敏度高,监测距离长、可定位以及可预警监测等技术优势,是未来油气管线监测的发展趋势.

基于变步长LMS方法的磁悬浮飞轮振动抑制

针对磁悬浮飞轮转子位移传感器扰动引起的多频谐波振动,提出一种基于最小均方差(LMS)的变步长算法实现谐波振动的有效抑制.建立模型对磁悬浮轴承转子的位移刚度系数κ_(h)和电流刚度系数k_(i)片进行辨识,以位移传感器扰动引起的八倍频噪声为抑制目标,在自适应LMS算法抑制电流扰动基础上,改进一种随转子位移信号频率变化而变化的变步长因子实现自动平衡,利用广义根轨迹分析了引入补偿后系统的闭环稳定性.仿真结果表明所提出的方法能够有效实现对八倍频振动的抑制.

激光器频率漂移对相位敏感光时域反射计扰动定位精度的影响

基于多波干涉原理,建立了基于相位敏感光时域反射计(OTDR)的光纤分布式扰动传感器(FDDS)光路系统数学模型,研究了激光器频率漂移对相位敏感OTDR定位精度的影响机理。仿真结果表明:激光器的频率漂移是导致传感器定位精度和信噪比降低的关键因素,当激光器的频率漂移分别高于25 MHz/min和30 MHz/min时,依据移动平均和有扰动减无扰动定位方法以及移动平均和移动差分算法得到的传感器信噪比低于2dB,定位算法失效。采用频率漂移速率分别为3MHz/min和190 MHz/min的激光器进行实验,实验结果表明:频率漂移速率为3MHz/min的激光器通过所述的两种定位方法得到的定位误差均为100m;频率漂移速率为190MHz/min的激光器无法实现扰动的定位。研究结论为激光器的选型以及提高传感器的定位精度提供了理论指导。