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。

相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的产生机理及其抑制方法

相位敏感型光时域反射(Φ-OTDR)传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点,能够实现对微弱扰动的分布式检测,在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康监测等领域具有广阔应用前景.然而,与传统的OTDR传感系统不同,Φ-OTDR系统中存在着激光器中心频率漂移、偏振相关的噪声、光纤应变与干涉强度非线性对应关系引起的测量失真等光学背景噪声,对有效信号的提取形成了不可忽视的干扰,从而限制了Φ-OTDR传感系统在实际应用环境下的传感性能.本文对这些光学背景噪声的产生机理进行了深入分析,并提出了相应的噪声抑制方法.实验结果表明,本文提出的方法可以有效抑制Φ-OTDR传感系统中的光学背景噪声,并显著提高传感系统性能.

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。

相位敏感光时域反射光纤传感技术的研究综述

相位敏感光时域反射计(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)是一种新型的分布式光纤传感技术,在周界安防入侵和建筑结构健康监测等领域具有广泛应用.针对Φ-OTDR的传感原理,根据其系统结构及信号处理,总结了Φ-OTDR系统在光源技术、传感头技术、探测技术、复用技术和信号处理技术方面的进展,并对其进行了简要分析.

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。

相位敏感光时域反射计识别入侵事件算法

在相位敏感光时域反射计识别入侵事件中,基于传统算法研究了时间域单点振动判断、空间域相邻点振动判断、特征量峰值比例判断相互结合的算法,并从算法的识别准确率、实时性、复杂性、定位稳定性等角度,衡量算法的优劣.实验验证发现,时间域单点振动判断、空间域相邻点振动判断结合的算法识别入侵事件准确率最高,达100%,且实时性满足性能要求,算法简单,定位稳定性好.该算法在不同频率下振动事件中适用性较强,可为相位敏感光时域反射计应用于安防监测领域的信号处理部分提供参考.

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.

基于相位敏感光时域反射技术的导线舞动状态监测

利用相位敏感光时域反射(phase-sensitive optical time-domain reflectometer,Φ-OTDR)技术对导线进行舞动状态识别和实时监测.首先通过预绞丝将光纤复合相线(optical phase conductor,OPPC)安装在室内舞动试验机上,然后由激振器对OPPC施加不同的激振频率,最后分析不同激振频率下Φ-OTDR系统测量信号的特征.当激振频率不同时,Φ-OTDR系统测量信号具有不同的频率特征.

基于波网络的相位敏感光时域反射系统模式识别方法研究

针对相位敏感光时域反射系统中传统人工特征提取和模式识别方法实时性差、准确率低的问题,提出一种波网络模式识别方法。该方法通过因果空洞卷积结构充分分析光纤振动信号的时序因果性,通过残差块结构使模型更快收敛,以实现更高的识别准确率和效率。实验结果表明,在对手拍、脚踩、棒击三种信号识别时,与一维卷积神经网络结构和长短期记忆网络结构方法相比,该方法识别准确率高达99.85%;且训练耗时最少,低至96 s,测试耗时也仅为30 ms,满足应用实时性的要求。该模式识别方法既具有高准确率又具有高实时性,对于φ-OTDR系统在周界安防中的应用推广具有重要意义。

基于移动方差平均算法的相位敏感光时域反射计去噪算法研究

在相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)系统中,扰动信号一般淹没在噪声中,导致扰动定位困难。为了提高扰动信号的信噪比,本文结合方差算法自身具有突出数据离散程度的特点,提出了一种移动方差平均算法。相比于累加平均、移动平均法、分离平均法、小波去噪、移动平均法+移动微分等传统算法,仿真和实验结果显示,移动方差平均算法具有更好的去噪效果,具有更高的信噪比(SNR)。因此,该算法可以用较少的累加采集次数实现扰动信号的定位,从而可以进一步提高φ-OTDR系统的响应频率,提升系统的实时性。

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。

相位敏感光时域反射系统低频响应性能优化

相位敏感光时域反射系统以其分布式光纤传感技术的优势在分布式水听、压裂微地震检测、自然灾害预警等低频监测领域具有极高的应用前景。文中对系统中脉冲斩波信号与频率调制信号时钟不同源的问题予以验证,并对其产生的影响进行理论分析;设计双路同步时钟源驱动产生脉冲斩波信号和频率调制信号,降低每个脉冲重复周期中频率调制信号的随机低频相位噪声,提高探测脉冲光的相位稳定性;采用时钟同源和时钟非同源两种方式对典型的基于外差相干检测的相位敏感光时域反射系统的声光调制器进行驱动,由信号发生器驱动缠有光纤的压电陶瓷,产生不同频段的扰动信号。实验结果表明:在同一测试条件下,前者在低频段的信噪比、相位解调质量、频率响应方面均优于后者,最小响应频率为0.1 Hz,相对提高两个数量级,降低了系统中低频噪声干扰。该方法易于实现,可与现有的低频性能优化方法或结构兼容,进一步提高系统低频响应性能。

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。

基于宽带声光调制的高保真相位敏感光时域反射计系统

相位敏感光时域反射计(Ф-OTDR)系统通常用于振动监测中,具有响应速度快和检测灵敏度高的优势,但受相干衰落效应的影响,导致振幅较低位置提取的振动信号相位信息失真。为此,本文提出一种基于宽带声光调制的高保真Ф-OTDR传感方案,实现对振动信号相位信息的高保真提取。该方案具有调制结构简单紧凑、相位延迟控制精确、频率分量灵活可控、不牺牲响应带宽和空间分辨率等优点。在验证实验中,灵活调制脉宽为100 ns,且同时将包含三个非等间距频率的多频探测光脉冲注入2 km的传感光纤,并以幅值评估的方式对多频拍频信号进行复用。结果表明,该方案中相干衰落的概率从17.541%降低到0.045%,并实现了对模拟振动信号相位信息的高保真重构。

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。