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。

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。

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。

基于Φ-OTDR的海风机与海底电缆在线状态监测方法

利用自研的Φ-OTDR系统,在福建省某海上风电场开展了演示验证,实现了对海风机机组的启动-运行-停机等不同工况下的状态分析与诊断,总结了不同工况下的振动特征及诊断依据;以及针对海底电缆的水流冲击、锚害拖拽、抵近船只航行等监测预警功能,总结了不同海缆状态下及周边环境感知目标事件特征。实测结果证明该方案能够在线监测海风机与海底电缆状态,并有效感知周围环境,为提升海上风电场运维水平提供了可靠的技术途径。

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.

?-OTDR系统中的相位解调方法研究进展

随着相位敏感光时域反射计(?-OTDR)技术的发展与应用,传统的幅度解调方法已经很难满足人们对高质量传感的需求,而相位解调方法凭借其对相位信息解调的高灵敏性和高精确度的优势,近年来引起了国内外的广泛关注。综述了?-OTDR系统中相位解调方法的研究进展,介绍了相位生成载波解调法、基于3×3耦合器的解调法和数字相干IQ解调法3种?-OTDR系统中的相位解调方法,并简单分析了这几种方法的优缺点。对未来基于?-OTDR的传感系统中解调方法的优化及新方法的提出具有重要的意义。

小波阈值降噪法在Φ-OTDR扰动传感系统中的应用

针对目前基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤扰动传感系统信噪比较差的问题,提出采用小波阈值降噪法对系统采样信号进行信号处理的前期降噪。分析系统有效信号特征,采用小波阈值降噪法中强制阈值降噪法、软阈值降噪法以及硬阈值降噪法分别对采样信号进行降噪处理,经过比较选择了阈值降噪法作为降噪算法。定量对比降噪前后扰动信号的信噪比,证明采用小波阈值降噪法中硬阈值法处理后的数据在进行后期定位算法时,信噪比提高近一倍。

基于Φ-OTDR的智能识别技术研究

相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)已广泛应用在防入侵检测、建筑结构的裂缝健康检测和管道检测,但其准确性和抗噪性能还需要提高。提出了一种基于Φ-OTDR的智能识别系统,该系统采用神经网络算法进行智能识别,并对振动强度进行识别概率化处理。实验结果表明:提出的系统能够准确识别并定位入侵行为,定位精度达到5 m以内。

基于φ-OTDR的振动检测研究型综合实验设计

设计了基于相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)的车辆振动检测研究型教学实验。包括φ-OTDR基本原理、实验场地选择、关键参数确定、振动信号检测以及信号处理算法设计等。实践表明,针对常规幅值差分累加算法在振动信号解调中存在差分间隔依赖性问题,学生能融合所学数理知识提出一种简单、高可靠的振动信号检测方法。该方法不仅可以避免常规方法因差分间隔依赖性出现的振动误判问题,而且大幅增加了检测信号的信噪比。

基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统研究现状

基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤扰动传感系统一直是扰动监测方面的研究热点。通过对比与传统光时域反射计(OTDR)的区别,介绍了Φ-OTDR传感系统的结构和工作原理。根据其发展动态,以提高传感距离和定位精度为目的,从Φ-OTDR系统结构的改进出发,分别论述了传统式、拉曼式、布里渊式和级联式四种典型的Φ-OTDR扰动传感系统的工作原理及研究现状,总结了各自的优缺点,为在实际应用中选择合适的系统结构提供了方向,最后展望了基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统的应用前景。

基于Φ-OTDR的架空输电线路覆冰在线监测方法

利用ANSYS有限元分析软件建立等高架空输电线路有限元模型并进行模态分析,揭示了架空输电线固有频率与覆冰厚度间的单调递减规律,因此提出了一种基于相位敏感型光时域反射(Phase-sensitive optical time-domain reflectometer,Φ-OTDR)技术的输电线固有频率测定方法,通过反演覆冰厚度变化,实现覆冰在线监测。搭建了输电线覆冰模拟装置,Φ-OTDR设备的测试结果表明悬垂线的小幅度振动频率只与系统属性有关,而与外部激励无关,且悬垂线的固有频率随着覆冰层数的增加而降低,具有很好的单调性,从而为架空输电线路覆冰在线监测提供了一种潜在的全新解决方案。

单项Sobel算子提高Φ-OTDR信噪比方法的研究

主要介绍了基于Φ-OTDR的分布式光纤传感系统的原理和信号处理方法,提出了利用Sobel算子处理多组瑞利散射信号来提高整体信号信噪比的方法。通过对瑞利散射信号之间的关系进行分析,提出利用单项Sobel算子进行Φ-OTDR系统中振动点振动峰值阶跃信号的查找,在提高振动点峰值幅度的同时抑制随机噪声的影响,进一步提高系统的信噪比。

改进的D-S证据理论在Φ-OTDR三路监测系统中的应用

针对相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)分布式光纤扰动传感系统严重的误警问题,在Φ-OTDR多路监测系统方案的基础上,提出了将改进的D-S证据理论应用于Φ-OTDR三路监测系统中以减少误警率。利用改进的D-S证据理论信息融合算法对每路输出数据进行融合,然后将融合结果与报警阈值相比较,判断是否发生报警。实验测试发现:基于改进的D-S证据理论的Φ-OTDR三路监测系统不仅在三路监测方案中能够正确判断扰动信号,还使得漏警率由3%降至1%,72h内误警率由3.3%降至0%,提高了系统的报警性能。

基于小波包分解和SVM的φ-OTDR系统信号识别

针对基于相位敏感光时域反射计的分布式光纤传感系统的信号识别实时性和准确性问题,提出一种基于小波包分解和支持向量机的信号识别方法。通过小波包分解提取信号的能量特征向量并分析不同信号的平均能量分布趋势。采用支持向量机对敲击、晃动、行走和噪声四种信号共800个实验样本进行训练和识别,识别效果由精确率、召回率、F1值和准确率四种评估指标进行评价。实验结果显示敲击信号和晃动信号的识别精确率、召回率和F1值分别为94.12%、96%、95.05%;95.92%、94%、94.95%;行走信号和噪声信号的识别精确率、召回率和F1值均为100%;总体识别准确率在97%以上。该方法提高了相位敏感光时域反射系统在信号识别时的准确性和实时性。

基于Ф-OTDR的管道光纤预警系统应用统计分析

基于Ф-OTDR分布式光纤传感的管道光纤预警系统,利用同沟敷设的光缆作为分布式振动传感器,连续实时检测管道周围的振动信号进行提前预警与定位,通过长输油气管道测试与应用效果展示,系统具有较高的预警灵敏度、定位精度和有效预警准确率。结合应用实际,构建“技防+人防”管道安全防护体系。

基于多尺度特征融合的φ-OTDR系统相似信号识别方法

为解决分布式相位敏感光时域反射计系统现有事件识别方法对于相似振动信号识别困难这一问题,提出了一种基于多尺度特征融合的相似信号识别方法。在该方法中,原始信号首先通过经验模态分解和小波包分解被分解为不同频率范围内的子信号。随后,分别提取原始信号和子信号的时频特征和近似熵特征,并利用主成分分析法对所提取的特征进行融合。最后,通过构建一个6层轻量反向传播(BP)神经网络分类器,训练分类模型并利用测试集验证模型分类度。该方法对小车经过和行走等相似信号的识别准确率可分别达到98.5%和98.0%,对于敲击和摇晃差异性大的信号的识别准确率可达100%。相比于直接从原始信号中提取特征并结合时频图的卷积神经网络方式,所提方法的综合识别准确率分别提高了8.4%与9.0%,相似信号的识别准确率分别提高了13.5%与12.4%。结果表明,该方法在保证差异性大的信号的高识别准确率的基础上,显著提高了相似信号的识别准确率,对于拓展分布式光纤传感的应用范围有重要的价值。