SNR improvement in self-heterodyne detection Brillouin optical time domain reflectometer using Golay pulse codes

The application of Golay pulse coding technique in spontaneous Brillouin-based distributed temperature sensor based on self-heterodyne detection of Rayleigh and Brillouin scattering is theoretically and experimentally analyzed. The enhancement of system signal to noise ratio(SNR) and reduction of temperature measurement error provided by coding are characterized. By using 16-bit Golay coding, SNR can be improved by about 2.77 d B, and temperature measurement error of the 100 m heated fiber is reduced from 1.4 °C to 0.5 °C with a spatial resolution of 13 m. The results are believed to be beneficial for the performance improvement of self-heterodyne detection Brillouin optical time domain reflectometer.

Two-Dimensional Terahertz Time-Domain Spectroscopy and Its Applications

In this work, we review the developing progress of two-dimensional terahertz time-domain spectroscopy（THz-TDS） and its diverse applications, including analyzing the polarization of THz radiation from a laser-induced plasma source and studying the corresponding physical mechanism, and characterizing the optical properties of crystals, etc.

基于BOTDR的区段煤柱水平变形监测

针对煤柱内部微裂纹萌生、变形破坏等潜在安全隐患,利用布里渊光时域反射(BOTDR)分布式光纤传感技术进行煤柱水平变形监测。首先,根据煤柱破坏碎胀特性理论分析,建立了光纤轴向应变与水平变形的转化方法;其次开展室内试验确定了金属基索状传感光纤轴向拉伸响应情况,并根据煤柱变形破坏规律修正了应变系数,最后以陕西大柳塔煤矿活鸡兔井为工程背景,对22206工作面区段煤柱水平变形实现现场监测。监测结果表明:区段煤柱采动侧和未采动侧存在明显的水平变形差异,采动侧变形量最大,约为未采动侧的5倍,但煤柱整体水平变形较小,仅出现弹性变形,煤柱较稳定;煤柱变形分区明显,呈现中部为弹性核区,两侧为塑性破坏区的分区特征;工作面从测点前20m推进至测点后40m时,煤柱水平应变呈指数增长,远离测点之后变形趋于稳定,反映煤柱变形与采动应力扰动之间的动态关联;通过分析煤柱水平应变与垂直应力,发现两者呈指数相关关系,定量建立了煤柱水平应变与垂直应力关系式,说明煤柱变形与破坏很大程度上取决于采动应力的分布与演化。利用BOTDR技术对区段煤柱内部变形进行监测可以精确获取区段煤柱内部的微观变形信息,对于煤柱留设尺寸确定、围岩控制及采空区压力评估等具有重要指导意义。

基于φ-OTDR的车辆振动信号检测方法

针对相位敏感光时域反射计(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometer,φ-OTDR)系统在车辆振动信号检测中信号信噪比低且检测准确率受频率影响的问题,提出了一种引导边缘滤波检测(Guided Edge Filter,GEF)方法。GEF方法在减少噪声影响的同时保留并提取出有效的振动位置信息。使用PZT分别产生不同频率的振动信号,将GEF方法与直接振幅差分法进行实验对比。结果表明,使用GEF方法得到的平均信噪比相较于直接振幅差分法提高了3.26 dB。使用公路上行驶车辆的振动信号进行测试,结果表明,使用GEF方法得到的信噪比最高为3.98 dB,比直接振幅差分法提高了2.65 dB。

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Ф-OTDR和POTDR结合的分布式光纤微扰传感系统

提出了一种ф-OTDR和POTDR相结合的分布式光纤微扰传感系统.该系统将窄线宽DFB激光器作为传感光源同时应用到ф-OTDR和POTDR中,在不增加成本的前提下使两种系统合为一体,可同时检测传输光脉冲的相位和偏振态的变化,并使它们并行运行以提高传感系统对微扰远程定位检测的准确度,从而大幅减小误判率和漏报率.同时采用小波分析的方法来降低传感信号的噪音以进行后续的处理.实验结果表明,传感系统在14km处获得具有较高信噪比的扰动信号,同时系统的空间分辨率也达到了50m.

POTDR分布式光纤传感及其在安防监测中的应用

提出了一种基于偏振光时域反射计分布式光纤传感技术的新型安防监测系统.该系统使用偏振分束器获取到具有正交偏振态的两路偏振光时域反射计信号,对比验证以确认是否出现了造成偏振态变化的扰动,提高了系统对扰动远程定位检测的准确度,大幅度减小了误判率和漏报率.同时在偏振光时域反射计系统的扰动探测中创造性的采用差值法和相对坐标相结合的方法,首次可以明显并且直观地检测和定位偏振光时域反射计系统中的扰动.最后采用Visual C++开发了一套实时的数据采集与处理软件.实验结果表明该系统具有较高的灵敏度,并在2km和14km处获取到具有较高信噪比的扰动信号.

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。

基于二维图像高斯滤波的BOTDR噪声抑制方法研究

布里渊光时域反射仪(BOTDR)因光信号单端注入及自发布里渊散射信号弱而导致布里渊增益谱(BGS)信噪比(SNR)较低,本文提出采用二维图像高斯滤波算法对BGS图像进行处理以实现对BOTDR系统的降噪。分析了微波外差扫频BOTDR的BGS噪声信号特征,设计了二维图像高斯滤波BGS降噪算法,并在BOTDR测温实验系统上实验验证了该降噪算法的噪声抑制效果和信号处理效率。实验证明,在单频功率曲线100次累加平均的条件下,采用高斯滤波算法对二维BGS图像降噪,降噪前后BGS的SNR提升约10.7dB,变温区的波动范围由±7.79MHz降低至±2.61MHz,同时有效传感距离由约13.8km提升至约24.0km,降噪算法平均信号处理时间约为0.129s。研究表明该降噪方法可显著提升BOTDR系统的SNR,且具有良好的实时性。

基于改进小波变换的OTDR事件检测方法

针对信号中噪声影响的问题,提出了基于改进小波变换的光时域反射仪(OTDR)事件检测方法。首先通过对小波去噪算法进行改进,获得新的阈值选取方式和阈值判断函数,然后结合小波模极大值法和斜率法定位测量光纤发生事件位置和光纤始末端位置,计算事件衰减损耗的同时对事件进行分隔和误判消除。仿真和实验结果表明:所提方法的定位精准度较高,反射事件和非反射事件的计算位置偏差分别小于5 m和15 m;测量光纤的事件检测分析结果与光纤连接位置及光纤总长度相符。

一种减小光纤传感系统频谱噪声的信号处理方法研究

针对基于短时傅里叶变换的布里渊光时域反射仪(STFT-BOTDR)系统噪声频谱泄漏导致的布里渊频移误差问题,提出利用布莱克曼窗函数解决频谱噪声的信号处理方法。首先搭建STFT-BOTDR系统,采集到包含系统变频模块产生低频噪声的布里渊信号,然后分别利用海明窗函数和布莱克曼窗函数解调的布里渊增益谱和布里渊频移分布。实验结果显示:利用布莱克曼窗函数比利用海明窗函数更能有效解决STFT-BOTDR系统中由于低频噪声发生频谱泄漏产生的谐波使布里渊增益谱失真的现象,减少布里渊频移的测量误差。实验表明利用窗函数解决系统频谱噪声的方法,在1.8 km的待测光纤上利用布莱克曼窗函数解调的布里渊频移分布测量精度达到1.4691 MHz,系统性能得到了提升,有利于加速低成本、中精度STFT-BOTDR系统的工程应用进程。

随机数编码融合长脉冲级联调制提升Φ-OTDR定位性能

为解决随机数编码造成相位敏感光时域反射系统振动定位差的问题,设计了一种随机数编码融合长脉冲的级联调制方法,分别利用声光调制器和半导体光放大器实现随机数编码和长脉冲的融合调制,提升消光比。使用自相关的随机数编码生成脉冲序列,设计数字正交解调算法获得拍频信号幅值与相位信息。实验结果表明,在4km长度传感光纤上,脉冲宽度为40ns时,方案可将消光比提升13.7dB;当振动信号频率为200Hz时,振动信号定位均方根误差为2.1m,最大绝对误差为3.8m,提升了振动信号定位精度,为编码相位敏感光时域反射系统定位性能提升提供了新方法。

基于相干检测技术的光时域反射仪硬件优化研究

光时域反射仪(OTDR)是诊断光纤故障点的主要仪器。但在OTDR检测过程中,需要暂停光通信网络中正常的通信业务。通信信号光时域反射系统利用光网络中的通信信号检测故障点,改进了传统OTDR的缺陷。在实验测量中发现,后向瑞利散射和菲涅尔反射的回波信号功率很小。若功率太小,示波器便很难采集到有用的回波信号,将影响对光纤故障点的判断。提出利用相干检测技术增大回波信号功率,结合通信信号相关探测法来检测光纤链路故障点的方案,以达到边通信边检测的目的。仿真结果表明,相干增强后的回波信号功率增大了10倍,可以实现故障点的检测,且检测过程不影响正常通信业务。

电力通信中的光缆故障定位与处置对策分析

随着电力通信网络的不断发展,光缆作为传输介质的可靠性受到极大关注。光缆故障不仅会影响通信的稳定性,还会给电力系统的正常运行带来不利影响。因此,快速且准确地定位光缆故障点,并及时处理,已成为电力通信网络管理的重要任务。光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer,OTDR)曲线事件分析技术是光缆故障定位的核心技术。文章通过分析OTDR曲线事件分析技术,研究改进OTDR曲线事件分析技术,结合地理信息系统(Geographic Information System,GIS)技术设计电力通信光缆故障精确定位方案,并针对不同故障提出相应的处置对策。本研究旨在为电力通信网络中的光缆故障检测与定位提供技术支持,同时为提升电力通信网络的稳定性和可靠性提供理论依据。

POTDR分布式光纤传感器

利用偏振光时域反射技术,设计了POTDR分布式光纤传感系统。实验表明:光纤未受力时,光纤中传输光偏振态的两正交模式的强度大小相反;受力时,在施力点两正交模式产生模式耦合。实验中为了将偏振信息的两模式完全分开探测,设计了高消光比偏振分束器,消光比接近50 dB;实验中采用多次测量取平均法,提高了信噪比。

基于Φ-OTDR的振动事件识别分类器研究进展

相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)凭借着传感距离长、铺设简单、耐腐蚀和抗电磁干扰等特点被广泛应用于分布式振动监测领域。随着传感任务多样化及人工智能的广泛应用,对振动事件的类型识别成为研究的热点方向。为了使读者能更好理解识别分类器研究进展和发展趋势,先后介绍了传统识别分类器和基于深度学习的神经网络识别分类器,对不同分类器性能指标、优缺点和应用场合进行了比较,最后对Φ-OTDR振动事件识别研究方向进行了展望。

融合弱反射光栅阵列的POTDR传感机理的理论研究

通过研究弱反射光栅阵列在偏振敏感光时域反射传感系统(POTDR)中的作用机理,将弱反射光栅应用于POTDR系统,POTDR可借助弱反射光栅的反射能量,提高到达系统探测端的能量,进而提高系统的信噪比.重点研究融合弱反射光栅的POTDR传感系统中光栅反射率、探测光脉冲宽度等参数共同作用对系统的影响,后使用仿真计算的方法将基于弱反射光栅的POTDR系统与传统的POTDR系统的传感性能做模拟研究分析.结果表明融合弱反射光栅的POTDR系统与传统POTDR系统相比可将信噪比提高6 d B,在光栅反射率为10-5的情况下,理论上可将传感距离延长30 km.

基于频分复用φ-OTDR的高频振动检测与解调

相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)是一种借助光纤为传感媒介,检测外部振动信息的可靠方案。为提高系统的探测频率,设计了一种双脉冲频分复用结构的φ-OTDR系统。通过对双脉冲信号中的其中一路采用频分复用技术处理,产生用于检测动态相位变化的不同频率载波信号,使更多的探测脉冲可以同时在光纤中传输。并针对振动信号的解调,提出一种微分自交叉相除的反正切(PGC-DSD-Arctan)算法,解决了传统算法中解调效果受调制深度影响的问题,具有更好的适用性和更高的稳定性。通过搭建系统平台,可以有效地在10 km传感范围内检测并解调出20 kHz振动信号的相位和频率信息。

基于改进压缩感知技术的Φ-OTDR系统研究

研究了一种基于改进压缩感知技术的相敏光学时域反射计(phase-sensitive optical time domain reflectometer,Φ-OTDR)系统。对于压缩感知技术,信号稀疏度K直接影响信号恢复的质量。为了提高信号恢复的质量,应该获得更接近原始信号的真实稀疏性度K。因此,提出了一种基于硬阈值的信号稀疏度K的计算方法,同时,采用结合收缩阈值的重构方法,尽可能保留信号的有效成分。实验结果表明,振动频率为1 kHz的正弦振动信号在5.6 km的距离处被成功地重建。与常用的硬阈值压缩传感技术、移动平均去噪技术和Sym8小波去噪技术相比,所提出的压缩感知技术的信噪比分别提高了3.55、13.2和8.02 dB。

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。