基于光栅阵列振动传感的道面车辆监测研究

针对道面全时域监测手段的不足,提出了一种基于光栅阵列振动传感的道面车辆监测方法。该方法基于光栅阵列技术,通过将光栅阵列传感光缆布设道面底层,利用光栅阵列解调设备实现车辆振动行驶信息的获取。通过对车辆的行驶振动数据进行理论分析和实验研究,在有效滤波的前提下,可准确获取车辆行驶的轨迹,并进一步测得车辆行驶的速度、位置等信息。此外,通过设计基于图像的车辆跟踪识别算法,极大地消除了恶劣环境的影响,可实现监测路段全时全域的跟踪监测,为公路的智能化探索了一条新的道路。

分布式光纤传感系统在公路隧道车速监测中的应用

交通隧道内的车速监测对于隧道的运行管理非常重要。由于交通隧道应用环境特殊,现有的交通检测技术不能够有效地满足隧道内的车速监测需求。本文基于分布式光纤传感系统构建路面振动探测网络,对车辆行驶碾压路面产生的振动进行采集和分析,对隧道内各车辆分别进行实时的速度监测。模拟测试表明,本文提出的基于光纤传感的公路隧道内车速监测方法,可以准确判断车辆加速行驶或者减速行驶的状态,同时对车辆在行驶过程中各个位置、各个时刻的瞬时速度进行准确地估算,对车辆行驶全过程的速度状态进行实时有效的监测,速度估算的平均误差不超过±5m/s,为交通隧道在运营过程中的安全管理提供了可靠的参考依据。

地埋式光纤测振周界入侵报警系统应用研究

针对轨道交通车辆段停车场的周界安全问题,提出利用地埋式光纤测振周界入侵报警系统,连续实时地监测轨道交通车辆段停车场周边出现的异常振动信号,同时融合视频识别信息对周界环境进行预判,给出最优的报警策略参数,对入侵行为进行识别和定位,既保证光纤周界系统的高灵敏度特性,同时有效降低系统的误报率。文中介绍了地埋式光纤测振周界入侵报警系统的安装实施方式和信号处理方法。经过模拟测试统计和长期运行观察,地埋式光纤测振周界入侵报警系统结合视频信息融合算法,可对车碾压、人行走等多种入侵行为进行有效报警和准确定位,系统报警正确率可达到98%~99%,误报频次≤3次/月。

滑动式光纤布拉格光栅位移传感器

为克服现有光纤光栅位移传感器设计中存在的传力介质弹性系数易改变、滑块易产生偏移等对测量精度的不利影响,提出了一种滑动式位移传感器。楔形滑块的滑动面和限制面的采样互相垂直、等强度梁的变截面和一体化、滑动面圆弧化等特殊设计,使传感器具有抗滑动干扰性、梁挠位移测量的高灵敏性、长期往复测量的耐磨性等优点。阐述了传感器测量原理,加工制造了传感器原型,并开展了全面的性能测试。测试结果和误差分析表明:传感器在0~100mm的量程中,灵敏度为20.11pm/mm,精度达到0.099 5%F.S,具备良好的微位移测量能力;重复性误差和迟滞误差分别仅为0.705%和0.403%,且抗蠕变性能良好,可满足机械装备、土木工程等重大设施的结构健康监测对位移、变形测量的精度和长期稳定性要求。

521km超长站距无中继光传输系统研究

文章介绍了利用新型SMF-28ULL超低损耗光纤作为传输介质,使用相位啁啾、前向拉曼、增强型前向纠错(FEC)以及前置随路远程泵浦光放大(ROPA)技术,实现了2.5Gbit/s系统无中继521km的超长站距传输,这也是迄今所报道的使用前置随路ROPA技术所实现的距离最远的传输。

具有温度补偿的膜片型光纤光栅温度压力传感器

阐述了具有温度补偿结构的膜片型光纤光栅温度压力传感器。传感器以弹性膜片为感压元件,在压力作用下产生轴向位移来压缩压力敏感光栅以实现压力传感;通过结构温度补偿消除压力敏感光栅的温度漂移,同时串入感温光栅进行实时修正并实现温度测量。对传感器的压力和温度特性进行了测量。试验结果表明:压力灵敏度为528 pm/MPa,温度灵敏度为8 pm/℃。

光纤智能材料在振动传感器中的应用

针对传统振动传感器不适应大规模组网监测及振动信号的无中继远距离传输的问题,设计研制了一种新型的基于光信号并适宜信号远传的匹配滤波光纤光栅振动传感器。该传感器结构简单,匹配滤波环节少,生产简便。实验室性能测试结果表明,传感器响应频率与测试频率一致,信噪比高,满足桥梁低频响应的检测要求。实桥监测结果验证了其信号远距离传输的可靠性及对结构低阶频率的良好识别效果。

SGDBR型激光器的波长自动控制系统

根据取样光栅分布布拉格反射器(SGDBR)型激光器的波长调谐原理,设计出用于SGDBR型激光器的波长自动控制系统。利用该系统对自行研制的SGDBR型激光器进行了准确、快速的波长扫描,为器件的动态性能研究奠定了测试基础。

基于边缘滤波法的光纤光栅振动传感器解调技术

为了满足各种场合中对振动信号监测的需求,基于长周期光栅的边缘滤波原理,设计了一种结构简单、低成本的光纤布喇格光栅振动传感器解调系统。系统在硬件部分采用双光路结构及低噪声光电转换电路,解调及显示软件基于LabVIEW平台开发。通过在可调谐振动台上试验,证明了系统能实现对振动传感器可用范围(0Hz～300Hz)内振动信号频率的解调,误差在3%以内。结果表明,振动加速度与模拟信号伏值成线性关系,拟合得到本系统的比例因子为0.94,拟合程度为0.9752,可对加速度在0～4.7g范围内的振动信号进行振动加速度解调。

基于Mach-Zehnder干涉的全光纤防区型周界系统

为了对各种防区进行实时监测,准确分辨出入侵行为,提出了一种基于非平衡马赫-曾德尔结构干涉原理的全光纤防区型周界报警系统。对这种干涉结构进行了理论分析和实验验证,并在LabVIEW平台上开发了基于此传感结构的防区报警软件,在运行10d内,此系统准确报警率达95.1%。结果表明,此系统对突发事件有较好的模式识别能力,该结构在防区报警系统方面具有较好的效果。

基于EDFA的分布式光纤喇曼温度解调技术

为了消除掺铒光纤放大器的放大自发辐射噪声对分布式光纤温度传感器测温精度的影响,采用精确的修正公式进行温度解调是一种有效手段。通过分析掺铒光纤放大器的放大自发辐射噪声对系统产生的影响,并将计算的中间结果代入理论公式获得了修正后的温度解调公式。实验中分别采用理论公式和修正公式对温度进行分布式测量并获得了实验数据。结果表明,修正后的温度解调公式有效补偿了掺铒光纤放大器噪声引起的误差,并显著提高了系统的信噪比和测温精度;修正公式可将系统的整体测温精度提高到1℃～2℃;此外,实验中观察到多模光纤中喇曼背向自发散射同样会出现放大现象,这与单模光纤中的情形类似,且放大喇曼自发散射依然具有理想的温度效应。

基于3×3耦合器Fox-Smith型光纤周界系统的定位技术

为了对长距离周界入侵进行定位,提出一种使用3×3耦合器作为基本元件的Fox-Smith干涉仪光纤入侵探测系统。对此结构及其定位方法进行了理论分析和实验验证。当有冲击作用在传感光纤上时,光纤中的光波受到相位调制,利用两束光波受到调制的时间不同从而产生相位差;通过对解调出的相位信号进行傅里叶变换,获取了一系列的陷波点。结果表明,在长度为34.793km传感光纤上,获得平均定位误差为±83m,可见该种结构在长距离周界系统定位是可行的。这一结果在长距离周界入侵定位上具有一定的帮助。

基于光纤光栅传感系统的入侵信号识别

介绍了一种基于光纤光栅传感器的周界检测系统中的信号处理方法,即时频数据分析法。在时域信号分析的基础上,通过将时域信号进行频域转换来进行入侵信号的模式识别及分析,并利用MATLAB仿真计算结果加以验证。试验结果表明该方法可以提升系统识别不同的入侵行为的能力,解决了纯时域分析下难实现的模式识别问题。

新型光纤传感用角度调谐Fabry-Perot滤波器

提出一种光纤传感用可调谐滤波器方案,使用伺服电机驱动滤波片匀速旋转,利用改变入射光角度的方式实现连续调谐波长输出。结合光纤传感的解调原理,设计了基于DSP芯片的伺服电机控制电路。通过选择PID控制算法及PID参数稳定伺服电机转速,在1 530～1 570nm的波长调谐范围内,该滤波器实现了比较高的重复性和稳定性,由电机转速抖动误差造成的解调波长的误差控制在±10pm内,成本低,控制方便,可用于光纤传感系统。

光纤布拉格光栅电气测温系统的研究和设计

为了避免电力系统中设备或者线缆发热引起火灾事故,实现对电气设备的在线温度监测已成为电力系统安全与稳定的重要保障。文章设计并实现了一种高速率、高精度和低成本的适合工程应用的分布式光纤光栅电气测温系统,对陶瓷封装的光纤光栅传感器的温度响应特性进行了实验验证,结果表明,光纤光栅传感器的反射波长与温度具有良好的线性关系。通过对电力高压开关柜的长期温度监测,证明了该系统具有良好的稳定性和较高的测温精度,适用于电力系统测温领域。

一种用于光纤布拉格光栅传感的自适应寻峰算法

针对现有的寻峰算法适用范围窄、需要预先设定参数的缺点,在现有的寻峰算法的基础上,提出一种自适应寻峰算法。当所分析的数据的幅度与时间尺度发生变化时,自适应算法可以自动调整窗口与门限阈值,正确的找到峰值。与现有的寻峰算法相比,该算法无需设定参数、简单可靠、适应范围广。为验证算法,对不同条件下光纤布拉格光栅的反射谱进行分析。结果表明,这种新的自适应寻峰算法能准确寻峰,适用于光纤布拉格光栅传感系统的解调。

聚类分析在分布式光纤振动传感系统中的应用

为了解决分布式光纤振动传感系统中多点同时扰动情况下扰动点定位和扰动时间难以判断的问题,采用信号处理方法,应用聚类分析技术,对系统生成的热点图先做阈值处理,提取目标对象,依聚类分析的结果,对扰动点进行定位和扰动时间加以确认。结果表明,该方法在排除噪声干扰的同时,较为准确、合理地对扰动行为的位置和扰动持续时间做出了判断。这属于事件等级划分的一个步骤,该研究为最终系统报警策略的规划提供了依据。

应用于吸收型甲烷传感器的1650nm DFB激光器的研制

光学吸收法是一种工程上有效可行的检测痕量甲烷气体的方法,具有广泛地应用于构建煤矿坑道等场合的安全防护和报警系统的潜力。为实现针对甲烷气体1653nm吸收峰特性的单色光源,采用金属有机化合物化学气相沉积外延和纳米压印等技术手段,从多量子阱外延材料设计和金属有机化合物化学气相沉生长到器件封装,研制了1653nm分布反馈激光器。器件性能达到了52dB边模抑制比、14.9%的外微分斜率效率、不大于12mA的阈值电流、匹配甲烷1653nm吸收带的0.116nm@20dB光谱线宽和稳定的光学与电学特性。基于该激光器,对体积分数为0.005～0.05的甲烷气体测试误差率不大于1.3%。结果表明,该器件能够应用于基于谐波法的痕量甲烷探测工程系统,且适应于批量制造。

基于可调谐半导体激光器的甲烷气体监测技术

介绍了一种利用分布反馈(DFB)可调谐半导体激光器吸收光谱技术(TDLAS)实现甲烷气体浓度监测系统。不同于直接测量气体吸收前后光源强度的变化值,TDLAS通过提取二次谐波幅值信息,在频域换算气体浓度,因此具有更高的稳定性和精确度。同时对不同输出特性的DFB半导体激光器进行对比研究,分析光源的波长调谐特性及功率-电流特性对实际应用的影响。

基于NPU的光纤振动信号数据预处理算法

在分布式光纤振动传感系统判断入侵事件的过程中,需要处理规模巨大的传感器阵列信号,使用中央处理器(CPU)端的异常事件识别所需的计算量大,而且运算时间长,特别消耗CPU的计算资源。基于此,利用华为公司的网络处理器(NPU)设备并结合TensorFlow计算框架进行运算实现,对分布式光纤振动传感系统采集到的部分本地原始解调数据进行读取以及预处理,以此分担CPU端的运算压力。经过测试表明,在NPU设备上对本地部分原始数据进行预处理后符合原系统准确度需求,所用的时间约为CPU端的1/3。