相位光时域反射仪中信号采样率的双频光倍增

在相位光时域反射仪中引入等时分双频光,提高扰动信号采样率,降低相邻相位的绝对差值,从而使得相位解缠绕正确实现,进而精确重构相位信号。然而,引入双频光使得初相位的不一致变得更加复杂,以致相位信号无法精确重构,即扰动信号的采样率难以真正得到提升。为此,在等时分双频光相位光时域反射仪中,基于模值最小值的乘积来快速确定参考位置并补偿脉冲序列方向初相位的不一致,对光纤长度方向初相位的不一致进行二次静态补偿。在实验中,当外界扰动为700 Hz的Burst信号时,使用单频探测脉冲光已无法进行正确解缠绕,而使用双重静态补偿方案的等时分双频光相位光时域反射仪却能够精确求解出Burst信号,且正弦部分的均方根误差仅为0.3872 rad,即在相位光时域反射仪中实现了信号采样率的双频光倍增和相位信号的精确重构。

相位光时域反射仪中相位信号噪声抑制的研究

噪声的抑制对于相位光时域反射仪实现相位信号的精确测量至关重要。为此,在相干探测型相位光时域反射仪中采取了幅度形式噪声抑制和相位形式噪声抑制的双层处理方法,并且在“慢时间轴”和“快时间轴”两个方向上对相位形式的噪声进行抑制。首先,在正交解调时采用数字低通滤波器抑制幅度形式的噪声,以正确求解未解缠绕的包裹相位;接着,在“慢时间轴”方向上采用小波分解与重构的方法实现噪声的抑制,并借助相干探测型相位光时域反射仪相位变化线性分布的空间特征和噪声的随机性同时结合相关计算获得最佳小波分解层数;最后,在“快时间轴”方向上使用整体最小二乘的数据拟合方法进行噪声的抑制。实验结果表明:采用三重降噪得到的相位信号的均方根误差为0.17832 rad,比没有采用“慢时间轴”小波降噪的二重降噪方法降低了23.3%。这表明使用包含“慢时间轴”方向小波降噪的三重降噪方法能够实现更精确的相位信号测量。

特高压直流控制保护系统相位光时域反射仪信噪比提升方法

分析了由特高压直流输电控制保护工程系统相位光时域反射仪(Φ-OTDR)测得光缆沿线时域、频域信号的分布规律,提出了信号时域乘法短时过双电平率与频域分段频带均方根误差(RSMD)综合算法,编制了综合算法程序,开展了工程实验。当光缆链路在2.3,5.0,10.8,16.0km处存在微弱故障时,利用乘法短时过双电平率法可使得系统信噪比(SNR)分别提高到9.41dB、9.02dB、7.60dB、3.50dB。当光缆链路信号频带内分段数为8时,系统SNR可进一步提升,且频带RSMD峰值可突出微弱故障位置,与实际情况差异小。所提方法的光缆链路微弱故障定位精度达到±2m,不仅提升了工程系统的SNR,还解决了难以辨识光缆链路微弱故障的问题。

相位光时域反射仪中声信号测量范围的提升

本文提出一种基于辅助光的相位展开的新方法,用来打破传统相位解缠绕算法的限制条件,进而扩大相位信号的测量范围。首先基于相干探测型相位光时域反射仪中缠绕的统计相位,可以求解出参考位置和后续位置之间缠绕的差分相位。然后基于联合脉冲序列按照传统相位解缠绕算法展开缠绕的差分相位,将展开的差分相位求解得到的相位变化曲线叠加在一起。正确实施了传统相位解缠绕算法的光纤位置可以由叠加的相位变化曲线的线性特征获取,因而,基于相位变化的线性特征可以正确地获取扰动源所对应的相位信号。在实验中,一个相邻采样点之间最大绝对相位差值为3.7154的相位信号能够被完美地重构出来。

相位敏感光时域反射仪的信号处理方法综述

相位敏感光时域反射仪由于具备监测范围广、灵敏度高等优点被广泛应用于周界安防等领域。近年来,研究者对其光学系统的改进使得传感距离更长、空间分辨率更高。但需要处理的数据量大大增加,且环境噪声以及扰动类型多样给分布式扰动传感系统的实际应用带来了挑战。本文总结了提高该系统信号信噪比、扰动识别率等性能指标的信号处理方法,包括降噪算法、特征提取算法、机器学习以及深度学习算法,尽可能地对比各种算法的优劣,并展望了未来该领域信号处理方法可能的发展方向。

基于支持向量机的相位敏感光时域反射仪研究

为了解决实际环境中振动事件易误报的问题,在基于相位敏感光时域反射仪的分布式光纤振动传感系统中,引入了一种融合小波能量谱和支持向量机(SVM)的模式识别方法。首先,利用小波能量谱分析方法,设定最优分解层为5层,并从原始信号中提取出特征向量;然后利用支持向量机的“一对一法”多分类策略对振动事件进行识别分类。考虑到实际环境因素的影响,对沿光纤行走、敲击光纤以及沿光纤慢跑3种模式的振动进行了检测试验;最后,采用准确率、精确率、召回率和F值来综合评价支持向量机分类器的性能。实验结果表明:该模式识别方法实现了84.9%的振动事件分类准确率。

基于光脉冲编码的相位敏感光时域反射仪研究进展

光脉冲编码(OPC)近年来在光纤声波传感领域备受关注,特别是将其与相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)相结合的技术。通过对注入光纤中的探测脉冲进行编码,可在不增加脉冲峰值功率的情况下大幅提高传感信号的信噪比,同时避免了非线性效应的影响;在接收端解码后可获得单脉冲响应,系统空间分辨率由单个脉冲而不是整个探测脉冲序列的长度决定,从而在获得高信噪比传感信号的同时保持了空间分辨率。本文首先回顾了OPC在光纤声波传感领域中的发展历程;然后,重点介绍了本课题组基于OPC的分布式和准分布式声波传感研究进展,特别是在传感带宽提升方面的成效;最后,对基于OPC的光纤声波传感技术未来发展方向进行了探讨。

相位敏感光时域反射仪研究和应用进展

国家重大基础设施和关键区域的安全,对于保障经济发展、国家安全、社会稳定和人民生活具有极其重要的意义。基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统在入侵探测、周界安防和基础设施安全监控等方面具有独特的技术优势,近年来受到各国科技界和工业界的广泛关注。详述了本课题组近10年来在该领域的研究成果,包括Φ-OTDR定量化相位解调技术、信号干涉衰落的机理研究、超高频率响应带宽系统、超高空间分辨率系统、低噪声窄线宽单频激光器和激光扫频技术等方面的进展;介绍了Φ-OTDR系统在周界安防和铁路安全监测等领域的工程应用,并对Φ-OTDR的国内外发展趋势进行了简要的评述。

基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪

报道了一种基于双向拉曼放大延长相位敏感光时域反射仪分布式光纤传感系统传感距离的方法.利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大,补偿了光纤传输损耗.实验表明,该方法提高了整个传感光纤上信号光的分布均匀性,实现了74km的超长传感距离和20m的空间分辨率,同时,试验了不同信号光入纤功率和抽运功率对基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪系统的影响.

基于弱光栅阵列的增强相位敏感光时域反射仪振动传感系统

设计了一种基于弱光纤布拉格光栅阵列的增强相位敏感光时域反射仪(?-OTDR)振动传感系统,以反射率较大的弱光纤光栅反射信号代替?-OTDR中的瑞利散射信号,利用相邻弱光纤光栅反射信号间干涉信号的强度变化来判断光纤线路上振动事件的情况,并采用时分复用技术对振动点进行精确定位。结果表明,该系统在面向振动信号的检测与解调方面比?-OTDR更为简便,同时能实现分布式测量,并能解调出频率范围为10~500Hz的任意振动信号,在周界安防领域具有实际应用价值。

相位敏感光时域反射分布式光纤传感技术

由于散射光的相位变化对外部扰动极其敏感,相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术具有高响应速度、超高灵敏等特点。相比现有的其他分布式光纤传感技术,Φ-OTDR技术在环境适应性与光缆布设的便捷性方面有明显的优势。本文介绍Φ-OTDR系统的原理、结构、性能及应用情况,并对其发展趋势进行展望。

基于外差检测和前向拉曼放大的新型长距离相敏光时域反射仪

基于外差检测与前向拉曼放大相结合的思路,提出了一种能实现长距离传感并同时具备高空间分辨率和高信噪比(SNR)的新型相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)。讨论了如何优化入纤脉冲光和拉曼泵浦光功率,尽可能降低非线性效应对系统的不良影响,并在此基础上讨论了外差检测相比直接检测对系统性能的改善。实验证明,本文提出的Φ-OTDR传感距离可达到103km,为迄今报道的最长距离,空间分辨率为15.7m,SNR为7.89dB,其应用在管道防开挖现场试验中得到较好的验证。

基于Sagnac干涉仪和Φ-OTDR的光缆振动预警定位系统

针对光缆经常遭到工程施工破坏的问题,提出了一种低成本的监测光缆线路沿线工程施工情况的振动预警定位系统,采用多个基于单轴Sagnac干涉仪的振动预警模块实时监测多个光缆的振动情况,通过相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)模块确定振动点的位置。实验表明该系统成本低、预警效果好。

基于下变频和IQ解调的外差型相位敏感光时域反射技术的模式识别

基于模拟下变频器、数字IQ解调和反向传播(BP)神经网络,采用现场可编程门阵列结合数字信号处理器(FPGA+DSP)的数据采集和处理架构,提出了一种全嵌入式高信噪比(SNR)、高分辨率和低成本的外差型相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术模式识别方法。针对外差型Φ-OTDR技术,使用DSP、FPGA及其外围硬件电路替代原有的GHz级高速采集卡和信号发生器,减小了系统的体积和成本。在此基础上,设计了基于时空域二维图提取形态学特征的方法,并采用BP神经网络进行分类识别;所提方法相对于传统的针对一维信号进行模式识别的方法误报率更低、识别率更高。实验结果表明,所设计的基于FPGA+DSP全嵌入式并行信号处理架构满足实时监测的要求,SNR高达12.43dB,事件识别准确率达到97.78%。

基于奇异值分解的Ф-OTDR相位提取

在相位敏感光时域反射仪(Ф-OTDR)传感系统中,相位差分方法常被用来还原扰动信号。当相位差分所选取的位置受到噪声的影响,噪声引起的相位波动可能会导致信号还原失败。提出了一种基于奇异值分解(SVD)和相位差分方法的Ф-OTDR相位提取技术。在实现扰动的精确定位后,分别在扰动位置前后构建解调相位矩阵,并对其进行奇异值分解和重建。实验结果表明:SVD去噪方法可以有效抑制噪声引起的相位波动;结合相位差分方法,能确保外界扰动信号被准确还原。

Φ-OTDR系统非对称光纤耦合器相位解调方法研究

针对3×3光纤耦合器三路输出信号非旋转对称易导致相位解调产生误差的问题,提出了基于3×3光纤耦合器两路输出信号的非对称光纤耦合器相位解调系统理论,通过软件仿真分析验证了系统对单频周期信号与三次谐波信号的相位解调能力,并在相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)上开展了光纤振动传感系统相位解调性能测试。实验结果表明,系统能够实现200~4000 Hz频率范围内的相位解调,振动定位绝对误差在±10 m以内,系统空间分辨率为21 m。本方法在减少系统硬件成本的基础上,为Φ-OTDR系统光纤耦合器分光比与相位差不恒定问题提供了新的解决思路与参考方案,可在交通安全监测等领域进行应用推广。

基于FPGA技术的相位敏感型振动传感系统

针对相位敏感型振动传感系统数据量庞大、数据解调缓慢的问题,在搭建相位敏感型振动传感系统的基础上,开发了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的信号解调系统,采用了可提升数据存储效率的三级缓存结构,设计了振动幅度动态阈值调整算法,构建了振动特征量矩阵,实现了外界振动事件的定位与系统解调速度的优化。实验结果表明,系统可实现10 km光纤上振动信号的准确检测与定位,定位误差保持在20 m以内,信号解调速度可提升约20 ms,从而有效解决了系统数据解调缓慢的问题,为相位敏感型振动传感系统实时响应优化提供了借鉴。

基于PE-CEEMD-SVD的Φ-OTDR信号降噪方法

为实现相位敏感光时域反射仪中相位信号的精确测量,提出了一种基于排列熵算法的互补集合经验模态分解联合奇异值分解的新型降噪方法(PE-CEEMD-SVD)。首先,对含有噪声的相位信号进行CEEMD分解,得到一系列频率不同的IMF分量;然后,将PE算法和相关系数机制相结合,保留较大相关的有用分量,对较小相关的噪声分量使用SVD算法进行二次降噪;最后将两次降噪后保留下来的有用分量进行重构。仿真和实验结果表明,相较于EMD、EEMD和CEEMD降噪方法,该方法可获得更高信噪比的信号,有利于相位信号的精确测量。

基于PSO-SVM的Φ-OTDR系统模式识别研究

针对相位敏感光时域反射仪(phase sensitive optical time domain reflectometer,Φ-OTDR)系统中误报率高的问题,提出一种多域特征提取与粒子群算法优化支持向量机(particle swarm optimization-support vector machine,PSO-SVM)相结合的模式识别算法。首先,对原始信号进行差分处理后提取时域特征,并利用小波包分解方法,通过验证不同分解层数下的事件分类准确率,设定最优分解层数为6层,提取差分信号的能量特征。然后以SVM分类器为基础,利用PSO算法优化SVM分类器参数,提高光纤振动信号识别准确率。最后利用Φ-OTDR事件数据集进行验证,实验结果表明,该模式识别算法达到了95.6%的振动事件分类准确率。

基于小波包降噪与特征投影的Φ-OTDR振动定位

为建立通信光缆长度与地理位置数据库,提出一种基于小波包降噪与特征投影的相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)振动定位算法。该算法利用Φ-OTDR进行光缆长度定位,有效应对实际光缆线路中的干扰信号问题。通过小波包分解信号并应用阈值法降噪,同时基于敲击振动信号的频率特性,选取特定小波包,以其能量为特征向量进行投影,有效解调振动信号并抑制干扰。测试结果表明:相较于其它算法,所提算法的复杂度低、性能优异,可成功应用于嵌入式设备,实现了对20 km光缆的精确敲击定位。