相干衰落抑制Φ-OTDR的分布式光纤周界安防技术

基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统在铁路周界安防中有着重要的应用前景.为降低Φ-OTDR中固有的相干衰落对相位解调的影响,提高扰动信号识别率,提出一种基于矢量旋转滑动平均(MVRA)的相干衰落抑制方法.首先,对探测信号复矢量化,并对各位置的复矢量信号按初相角进行旋转对齐;然后,采用滑动平均的方法缓和信号幅度起伏以及减小噪声功率,提高信噪比,进而抑制相干衰落;其次,从衰落抑制信号解调出扰动信号,将MVRA与频谱提取重组(SERM)、数字向移变换(DPST)方法进行对比,通过差分相位标准差验证抗衰落效果;最后,通过搭建分布式光纤周界入侵检测实验平台,模拟环境噪声、应力破坏、攀爬、剪网4种防护扰动信号,以解调的相位灰度图作为特征图像,使用卷积神经网络进行模式识别.实验结果表明:相比SERM、DPST,MVRA能更高效地抑制衰落,当滑动窗长50 ns时,MVRA提高11.2 dB信噪比;扰动信号的识别率由衰落抑制前的88%提高到衰落抑制后的92%.

基于优化MRVA的Φ-OTDR相干衰落抑制方法

本文针对相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)系统的一种相干衰落抑制方法旋转矢量移动平均(MRVA)进行了优化,获得了性能更优的相干衰落抑制.该优化方法从两个方面展开,首先使用加权窗口代替MRVA方法中的矩形窗口,兼顾测量精度和空间分辨率;然后根据移动平均与低通滤波的数理等效性,将时域移动平均转换为运算速度更快的频域低通滤波,提高信号处理效率.实验结果表明,相较于MRVA方法,该方法的解调相位精度提高了约23%,计算时间从0.957 s缩短至0.026 s,运算速度提高约36倍.

基于光频域反射仪的分布式光纤传感及应用进展(特邀)

光频域反射仪(OFDR)具有高空间分辨率、高精度和高灵敏度等多种分布式传感能力,其在油气资源勘探、结构健康监测,以及医疗微创介入手术等多种场合展示出了巨大的应用潜力。然而,扫频非线性噪声、相干衰落噪声,以及光纤中微弱的瑞利后向散射信号是影响光频域反射仪性能的主要因素。本文介绍了光频域反射仪基本原理和波长、相位两种传感解调方法,详细阐述了多种抑制扫频非线性噪声和相干衰落噪声的方法,同时介绍了光频域反射仪在三维形状、大应变、高温、折射率等4个方面的传感应用进展。

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。