基于OTDR的集成监控管理系统的设计与实现分析

光时域反射仪(OTDR)是光纤测量中最主要的仪器,被广泛地应用于光纤光缆工程的测量、施工、维护和验收工作中,是光纤系统中使用频度最高的现场仪器,被人形象地称为光通信中的“万用表”。为了更好地解决传统OTDR价格相对昂贵、无法进行实时监测等弊端,明确提出了一种采用虚拟仪器技术设计的基于PC的OTDR新方案,采用PC-DAQ系统结构,由数据采集卡和数据处理方法两大部分组成,可实现光纤回传数据信号的实时采集、存储和解析,具有一定的工程实用价值。

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。

小波域噪声估计的分块自适应降噪方法提升Φ-OTDR信噪比研究

相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)以激光器为探测光源进行光纤沿线振动信号的检测,但激光器的自发辐射现象会导致光场相位发生波动,直接影响相位解调信号的信噪比。针对此问题,提出了一种小波域噪声估计的分块自适应降噪方法。分析了激光器自发辐射导致的相位噪声特征,通过连续小波变换提取系统相位噪声在不同分解尺度下的噪声水平,结合无偏似然估计调整小波系数的分块长度和阈值,实现对不同输入信号的自适应降噪。实验证明,与未经本算法处理相比,在光纤4.5 km处,单频信号的信噪比从40.01 dB提升至54.60 dB,系统的应变分辨率从66.15 pε/√Hz优化至11.69 pε/√Hz;线性扫频信号的信噪比从18.31 dB提升至26.40 dB。与其他同领域的降噪算法相比,单频信号均方根误差低至0.0096,信噪比增益达到14.59 dB;线性扫频信号的均方根误差低至0.0809,信噪比增益达到8.09 dB。研究表明,该方法在保留有效信号的同时,抑制了相位噪声,提高了相位还原的精度。

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。

Φ-OTDR系统振动信号的聚类识别方法

分布式光纤声学传感(DAS)利用单模通信光纤即可实现大规模、低成本的传感阵列,针对基于相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术的DAS系统产生的大量数据中有效信息稀缺的问题,提出了一种基于时域振幅特征提取和无监督聚类的方法,旨在探索无监督学习在DAS入侵事件识别中的应用。该方法通过计算相邻数据点差值、提取关键特征,并使用层次聚类对振动事件进行分类,相较于主流神经网络算法,需更少样本且无需手动标记。实验模拟了风噪声、人工敲击和挖掘三种振动事件,结果表明,该方法的V度量为0.721、剪影系数为0.778、聚类准确率可达88.68%,有效区分了入侵信号与噪声,并基本分辨出人工敲击与挖掘信号,证明聚类识别可应用于Φ-OTDR事件识别。

基于OTDR的缠绕式光纤应变传感器研制及性能测试

为了精确监测高应力软岩巷道岩体变形规律,基于光时域反射技术,研制了一种缠绕式光纤应变传感器,研究了传感器结构中的弹簧直径、节距、有效圈数及压缩位移对光纤光损耗数值与灵敏度的影响,并通过性能测试对传感器结构进行了优化。研究结果表明:传感器内光纤弯曲损耗与其空间螺旋结构的几何尺寸有显著关系,主要影响因素有光纤单位长度弯曲损耗、光纤弯曲半径、缠绕的节距及缠绕圈数,受弹簧线径影响较小。光纤初始损耗随着弯曲半径和节距的增大而减小,随缠绕圈数、压缩位移的增大而增大;初始灵敏度随弯曲半径、压缩位移的增大而减小,随节距的增大出现先增大后减小的趋势。当弹簧线径为1.2 mm、直径14 mm、节距14 mm、有效圈数4圈时,弹簧-光纤结构最大量程可以达到50 mm,将弹簧-光纤结构改进封装成传感段,并与延时段首尾相接能够组成一个完整的传感器,单个传感器的误差较小,测得的“光损耗-压缩位移”关系式具有良好的线性关系,能够实现100 mm的位移监测,且通过进一步改进可以实现更大量程。同时,多个传感器经串联后能够形成准分布式测量系统,可以有效实现巷道深部岩体和周边岩体变形的精确监测。

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。

基于BOTDR分布式检测技术的光缆隐蔽性缺陷识别

提出基于布里渊光时域反射(Brillouin optic time domain reflectometer,BOTDR)分布式检测技术与解调信号的光缆隐蔽性缺陷识别方法,识别检测光缆隐蔽性缺陷。在生产阶段将光纤植入多股碳纤维导线复合芯内部作为传感器,依据BOTDR技术与光时域反射(optic time domain reflectometer,OTDR)技术原理,构建关于碳纤维导线光缆隐蔽性检测的分布式传感系统,利用光纤对温度、应力、传播损耗的高精度感知,多维度地分析碳纤维导线光缆的隐蔽性缺陷及位置分布,实现光缆的隐蔽性缺陷识别。利用morlet小波解调布里渊散射信号,提取包络信息,去除信号噪声,采用列文伯格-马夸尔特算法,拟合布里渊散射谱数据,精确估计最优Brillouin频移量参数,提升整体缺陷识别精度。实验证明:该方法可以准确地对光缆的隐蔽性缺陷进行表征,实现多股碳纤维导线光缆隐蔽性缺陷的快速、有效识别,促进碳纤维导线光缆更好地应用于增容、大跨越等工程中。

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FPGA的Φ-OTDR系统数字正交解调方法

相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)通常利用相干探测的方式实现长距离、分布式、高灵敏度的振动检测。为了准确获取振动信号的位置与相位信息,正交解调算法是当下广泛使用的重要技术,但该算法存在耗时过长的局限。针对此问题,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的瑞利散射信号快速解调方案,采用流水线结构实现传感数据采集以及数据解调的同步,通过数字正交混频技术获取两路正交信号,利用有限冲激响应低通滤波去除高频分量,利用坐标旋转数字算法(CORDIC)向量模式实现振动相位硬件解调,可以较好地提升相干探测Φ-OTDR系统整体的实时性。实验结果表明,在探测距离40 km的条件下,传感系统可成功实现振动信号的定位与相位还原。而探测距离不变,数据采集条数提升至4 000条时,FPGA解调仅耗时1.60 s,与传统的上位机CPU解调方案相比缩短了145.61 s,从而为Φ-OTDR振动传感数据的实时解调提供了参考。

基于OTDR的汽车动力电池温度解调与采集研究

加强动力电池安全管理技术研发已成为新能源汽车产业发展过程中的一个重要课题,文章采用基于光时域反射仪(OTDR)技术的测温原理对电池组单体电池进行分布式采集。对比单路解调法和双路解调法,得到采用双通道的双路解调法更适合动力电池温度的解调。搭建由波分复用模块、放大器模块、模数转换模块、温度显示及报警系统等组成的温度采集系统,对微弱的斯托克斯及反斯托克斯光进行采集,在Proteus8.9软件中搭建了测温系统的电路图并进行仿真测试,使用变阻器模拟信号源验证了系统温度显示和异常报警的功能。

基于φ-OTDR系统的二维空间定位方法

研究了基于相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)系统的声源二维(2D)空间定位的方法,该方法利用差分解调相位(DUP)方式来提取由传感光纤测得的相位。DUP方式解调的相位比常规的解调差分相位(UDP)方式解调的相位更平滑,并且DUP方式可以高保真地对扰动事件的时域信号进行还原,解决了对于非扰动点处UDP方式所获相位不是零相位而导致的信号失真等问题。通过声源2D定位实验对该方法进行验证,实验结果表明,DUP方式解调的相位用于声源2D定位的结果与实际结果基本相符,实验值与真实值的误差在X方向为0.09m,在Y方向为0.16m。研究结果表明,该方法能够增大相位信息的利用率,提高声源定位的精度,在管道安全监测、边界安防、入侵警报等领域具有潜在的应用价值。

基于OTDR的智能变电站光纤回路检测改进方法

【目的】在智能变电站建设过程中,为精确检测智能变电站光纤回路中光纤熔接、受压等因素导致的非反射性事件,提出了基于光时域反射仪(OTDR)的智能变电站光纤回路检测改进方法。【方法】通过时钟移相模块进行移相,并进行多次重复测量,对各相位数据进行插值组合,得到更高的采样频率。这样可以在不增加硬件成本的基础上大幅提高OTDR的采样精度。同时通过小波去噪和突变量信号增强技术,抑制噪声,突出增强事件点的小波系数,使有用的信号更加容易被检测出来,提高了智能变电站光纤回路的检测水平。【结果】经过现场试验检测,该方法能够精准地检测出光纤受压、过度弯曲、熔接不良等事件点。【结论】该方法能够有效检测智能变电站光纤回路中存在的异常现象,防止隐蔽性缺陷影响变电站的运行,具有较大的工程应用价值。

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。

φ-OTDR相位提取程序的设计

阐述相位敏感型光时域反射仪(φ-OTDR)利用光纤实现沿线振动的分布式测量,φ-OTDR通过光相位变化反映光纤沿线的振动状态,相位提取是φ-OTDR技术的关键。针对相位提取过程中的数字正交解调、振动定位和相位解卷绕的主要步骤,介绍程序设计的实现方法,并给出流程图。通过对数据的处理,验证实现方法的有效性。

自构建光纤链路的OTDR测试实验及教学实践

为了加深学生对光纤基础知识、光纤连接及测试基本理论的理解,提高学生的工程应用能力,浙江大学信息工程(光电)专业在"光通信及集成光电子技术模块实习"中设置了光纤链路测试实验,要求学生基于光纤、跳纤、尾纤、光纤端面处理工具、连接器、衰减器和熔接机等实验器材,通过机械对接、法兰及熔接方式自行构建光纤链路,并使用光时域反射计(optical time domain reflectometer,OTDR)进行测试,并对光纤端面质量、接续效果以及链路构建的合理性进行评估。2a来的教学实践表明,通过这种"基于任务,边做边学"的自主式、探究式实验,学生不仅能掌握OTDR的使用要点、光纤的端面处理及接续方法,而且学生发现问题和解答问题的能力也有所提高。

基于短时傅里叶变换的光时域反射计(OTDR)事件分析

论文研究了基于单边指数窗的短时傅里叶变换(又称Gabor变换)的光时域反射计(OTDR)事件分析算法。在分析信号模型中噪声的产生原理的基础上,简化了事件检测算法。提出应用Gabor变换和二元信号检测理论对OTDR数据进行事件检测。该算法在保证准确检测事件信息的基础上,提高了OTDR远端事件检测的能力,提高了算法的速度和效率。对实测数据的处理表明,该算法可以有效定位光纤中的事件信息,具有较强的应用价值。