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布里渊光纤分布式传感中谱拟合算法的影响因素

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高电压技术 2020年第10期46卷 3647-3657页

作者：徐志钮赵丽娟华北电力大学电气与电子工程学院保定071003

为了能给基于布里渊散射光纤分布式传感的电气设备在线监测系统中测量参数的选择提供参考,基于不同入射光脉宽和叠加平均次数的布里渊谱验证了伪Voigt模型和噪声模型对布里渊谱表征的有效性,然后在考虑扫频范围偏差的基础上基于仿真布... 详细信息

为了能给基于布里渊散射光纤分布式传感的电气设备在线监测系统中测量参数的选择提供参考,基于不同入射光脉宽和叠加平均次数的布里渊谱验证了伪Voigt模型和噪声模型对布里渊谱表征的有效性,然后在考虑扫频范围偏差的基础上基于仿真布里渊谱和实测布里渊谱系统研究了扫频范围偏差程度、扫频范围、线宽、信噪比、扫频点数、谱峰比对布里渊频移误差的影响规律。结果表明:随着扫频范围偏差系数的增加布里渊频移误差增大,且增速随之也逐渐增大;扫频点数不变时,误差随扫频范围增加而先减少后增加,扫频范围为1.5~3倍线宽时误差变化不大;扫频点数和扫频范围与线宽的比值均不变时,误差随线宽增加呈正比增大;扫频间隔和扫频范围与线宽的比值均不变时,误差随线宽增加呈幂规律增大;当信噪比增加时误差呈指数规律下降;扫频范围与线宽的比值不变时,误差随扫频点数增加而呈幂规律减少;当布里渊谱形状变化时误差相对变化不大。最后对基于布里渊散射的光纤分布式传感在电气设备具体应用时测量参数的选择给出了建议。

关键词：布里渊散射光纤分布式传感布里渊频移谱拟合影响因素

基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的ф-光时域反射计光纤分布式传感系统

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光学学报 2008年第3期28卷 569-572页

作者：谢孔利饶云江冉曾令电子科技大学宽带光纤传输和通信网技术教育部重点实验室四川成都610054

提出了一种基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的ф-光时域反射计光纤分布式传感系统。传感光缆采用普通单模光纤制成的直径3 mm的细光缆,并埋设于室外。入侵者走在光缆上面或附近产生的压力(振动)导致光纤中瑞利散射光相位发生变化,由... 详细信息

提出了一种基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的ф-光时域反射计光纤分布式传感系统。传感光缆采用普通单模光纤制成的直径3 mm的细光缆,并埋设于室外。入侵者走在光缆上面或附近产生的压力(振动)导致光纤中瑞利散射光相位发生变化,由于干涉作用,光相位变化将引起光强度的变化,通过实时将当前时刻的-光时域反射计后向瑞利散射信号与其前一时刻(时间间隔0.1 s)的后向瑞利散射信号连续相减检测这种干涉效应来定位入侵位置。经适当的数据处理后,该传感系统定位精度可达到50 m(为目前报道的-光时域反射计传感系统最高定位精度),定位范围可达到14 km,信噪比约为12 dB,且灵敏度较高。该系统可望能广泛用于军事基地、国界、核设施及监狱等重要场所的安全防范。

关键词：光纤光学光纤分布式传感光时域反射计相位敏感光时域反射计入侵检测

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基于光纤分布式传感的形变测量技术研究

基于光纤分布式传感的形变测量技术研究

作者：金溢华哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

智能、柔性结构的设计优化、结构健康监测和自适应控制对相应的结构形变测量系统提出了日益严苛的要求。在现有的形变测量技术中,基于光纤传感的形变测量技术因其具有良好的电磁屏蔽特性、轻质以及集成灵活性而被广泛应用于航空航天、... 详细信息

智能、柔性结构的设计优化、结构健康监测和自适应控制对相应的结构形变测量系统提出了日益严苛的要求。在现有的形变测量技术中,基于光纤传感的形变测量技术因其具有良好的电磁屏蔽特性、轻质以及集成灵活性而被广泛应用于航空航天、医疗机器人等领域。但是受到形变恢复算法和光纤应变解调方法不够成熟、传感信号信噪比低等因素的制约,此类技术仍存在普适性不高、空间分辨力不高和测量精度不高等问题。本文针对上述问题,提出并搭建一种高普适性、高空间分辨力、高精度的三维形变测量系统。该系统通过基于最小旋转框架的三维恢复算法将应变信息转变为形变信息;通过在基于光频域反射技术的光纤分布式应变解调方法中引入局部相似性,实现毫米级空间分辨力的应变测量;通过基于多腔管的光纤分布式传感器提高信噪比。最后进行了实验验证。本文的主要研究内容如下:(1)三维形变测量原理研究:三维形变测量原理由基于光纤传感的应变测量原理、测量应变到三维参数信息的映射模型和三维恢复算法构成。本文在分析现有基于弗莱纳(Frenet)框架的三维恢复算法缺陷的基础上,引入基于最小旋转框架的三维恢复算法,以克服现有算法拐点失效问题。该算法通过输入的三维曲线参数信息恢复实际三维曲线。针对三维参数计算问题,在光纤分布式传感器典型结构的基础上,建立三维应变信息到三维参数信息的映射模型。针对基于光纤传感的应变测量原理进行了研究,以完成传感光纤各点应变的测量。最后,搭建仿真实验分析并验证算法性能。(2)分布式应变解调方法研究:为了进一步提高形变测量的精度,首先基于光频域反射技术和瑞利光谱特性原理设计应变测量系统结构;然后,针对现有应变解调方法缺陷进行研究,通过引入测量光谱片段和参考光谱片段的高相似性,提出基于局部光谱相似性的应变解调方法,以解决大应变负载下解调方法失准问题。在此基础上,对改进的应变解调方法性能影响因素进行分析,并完成方法参数的设计。(3)光纤分布式传感器结构和校准方案设计:针对多芯光纤分布式传感器中各纤芯的串扰问题和扇出问题,以及由此带来的传感器灵敏度下降的问题,本文设计并制作了一种基于多腔管的光纤分布式传感器。该传感器通过将多根传感光纤固定于多腔管的管腔内以形成类似多芯光纤的传感器结构,因此可以实现三维应变的解耦;同时,由于该传感器中,光信号完全在各条光纤内独自传播,因此该传感器不存在多芯光纤中的串扰和扇出的问题。在此基础上,为了提高形变测量的精度,本文进一步对该传感器的力学模型进行研究,并提出相应的校准方案。(4)三维形变测量系统的搭建和性能测试:搭建基于光纤分布式传感的三维形变测量系统,并针对应变测量、二维形变恢复和三维形变恢复方面进行性能测试。测试结果表明:在0.6m传感器长度,3mm空间分辨力的条件下,基于光纤分布式传感的三维形变测量系统平面恢复误差最大为5.47mm,三维恢复误差最大为5.89mm,误差小于1%传感器长度,并且其恢复的曲线与实际曲线趋势保持一致。

关键词：形变测量光纤分布式传感三维恢复算法

基于大规模光栅阵列光纤的分布式传感技术及应用综述

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应用科学学报 2021年第5期39卷 747-776页

作者：桂鑫李政颖王洪海王立新郭会勇武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室湖北武汉430070 武汉理工大学宽带无线通信与传感器网络湖北省重点实验室湖北武汉430070

光纤布拉格光栅传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性而广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现,突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于... 详细信息

光纤布拉格光栅传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性而广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现,突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制,大大拓展了其在分布式传感领域的应用。本文系统地介绍了大规模光栅阵列光纤的制备、分布式解调方法与应用进展,从大规模光栅阵列光纤的在线制备技术,以及基于该阵列光纤的分布式传感解调技术,包括准静态波长解调技术、高速波长解调技术以及增强型动态相位解调技术等,特别关注解调速度、空间分辨率、复用容量等关键技术及传感性能。同时还介绍了基于大规模光栅阵列光纤的应用包括温度、应变分布式的准静态应用领域,以及振动分布式的相位动态应用领域等,包括大型建筑、机械、航空航天、石油化工等诸多领域的安全监测、故障诊断等工程应用方面。

关键词：光纤布拉格光栅光纤分布式传感光时域反射技术光频域反射技术

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光纤分布式布里渊传感散射谱数据分析模型

西南交通大学学报 2009年第6期44卷 946-950页

作者：肖尚辉李立宜宾学院物理与电子工程系四川宜宾644007 电子科技大学通信与信息工程学院四川成都610054

分析了当注入普通单模光纤的调制光脉冲宽度接近或小于10 ns时,由调制脉冲光和调制器泄漏连续光共同作用所产生的光纤分布式布里渊散射谱特性.在此基础上,建立了由洛伦兹(Lorentzian)型谱和高斯(Gaussian)型谱线性权重优化组合而成的光... 详细信息

分析了当注入普通单模光纤的调制光脉冲宽度接近或小于10 ns时,由调制脉冲光和调制器泄漏连续光共同作用所产生的光纤分布式布里渊散射谱特性.在此基础上,建立了由洛伦兹(Lorentzian)型谱和高斯(Gaussian)型谱线性权重优化组合而成的光纤分布式布里渊传感散射谱数据拟合与参数估计Pseudo-Voigt(P-V)分析模型.利用该P-V模型和Levenberg-Marquardt(L-M)非线性最小二乘算法,对光纤布里渊散射谱采样数据进行了曲线拟合和最优化参数估计.结果表明,与Lorentzian型谱或Gaussian型谱相比,用P-V模型处理传感散射谱数据,数据拟合程度更好,参数估计精度更高.

关键词：光纤分布式传感布里渊散射谱 Pseudo—Voigt型曲线 L-M算法

基于光频域反射技术的光纤连续分布式定位应变传感

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中国激光 2015年第5期42卷 179-185页

作者：刘琨冯博文刘铁根江俊峰杜阳天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室天津大学光纤传感研究所天津300072

在各类大型基础设施的安全检测过程中,应变作为一项重要的参数需要重点检测。为了准确测量一定范围内应变分布,提出了基于光频域反射技术(OFDR)的光纤连续分布式定位应变测量传感方法。这种方案根据瑞利散射光谱移动的原理,采用距离域... 详细信息

在各类大型基础设施的安全检测过程中,应变作为一项重要的参数需要重点检测。为了准确测量一定范围内应变分布,提出了基于光频域反射技术(OFDR)的光纤连续分布式定位应变测量传感方法。这种方案根据瑞利散射光谱移动的原理,采用距离域移动窗互相关的光谱漂移解调算法来获取连续分布式的应变参量。实验结果表明,这种方法可以对100 m范围内光纤所受应变的大小及其分布位置进行稳定而有效的传感,系统空间定位分辨率为20 cm,相较于其他传感方式,这种方法既实现了对应变的定量检测,同时也获取了应变的空间分布信息,实现了应变的定位功能。

关键词：光纤光学光纤分布式传感光频域反射应变

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二次多项式拟合在分布式光纤传感中的应用

半导体光电 2020年第3期41卷 406-413页

作者：徐志钮樊明月赵丽娟胡宇航华北电力大学电气与电子工程学院河北保定071003

基于布里渊散射的分布式光纤传感中温度和应变与布里渊频移成线性关系,为了提高温度和应变测量的准确性,提出了一种改进的二次多项式拟合算法用于提取布里渊频移。该算法分为两步:首先使用一种改进的中值滤波算法对含噪布里渊谱信号进... 详细信息

基于布里渊散射的分布式光纤传感中温度和应变与布里渊频移成线性关系,为了提高温度和应变测量的准确性,提出了一种改进的二次多项式拟合算法用于提取布里渊频移。该算法分为两步:首先使用一种改进的中值滤波算法对含噪布里渊谱信号进行预处理,以提高增益峰值定位的准确性;然后截取围绕峰值左右对称的一个线宽的原始布里渊谱进行二次多项式拟合以实现布里渊频移的高精度提取。以布里渊频移误差及峰值定位准确性作为衡量指标,比较研究后确定同一频率下所有空间点对应的布里渊增益作为滤波器的输入。研究了不同扫频间隔和信噪比及不同滤波窗长下改进算法的效果,同时研究了最优窗长的选择问题。结果表明,不同信噪比和扫频间隔下改进算法均能有效提高布里渊频移提取的准确性。随窗口长度增加布里渊频移误差先减少后增加,在扫频间隔为1~10 MHz、信噪比为0~40 dB情况下,通用的最优窗长为53~163。

关键词：光纤分布式传感布里渊频移二次多项式拟合中值滤波去噪

基于光频域反射原理的分布式光纤应变传感解调算法改进

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半导体光电 2018年第3期39卷 398-402页

作者：魏鹏刘陶林夏东郎昊北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191

利用光纤中的背向瑞利散射通过光频域反射原理实现整段光纤上的分布式应变测量。对应变解调算法进行了改进,采用二次互相关的方法实现了光纤的波长分辨率为5pm,空间分辨率为2cm。搭建了一套基于光频域反射原理的分布式光纤应变传感系统... 详细信息

利用光纤中的背向瑞利散射通过光频域反射原理实现整段光纤上的分布式应变测量。对应变解调算法进行了改进,采用二次互相关的方法实现了光纤的波长分辨率为5pm,空间分辨率为2cm。搭建了一套基于光频域反射原理的分布式光纤应变传感系统,对应变系数进行了标定,并实现了5m长光纤上的分布式应变测量,应变测量范围为50~500με,应变分辨率为4.2με。改进后的算法克服了传统算法中波长分辨率和空间分辨率相互制约的缺点,能在保证波长分辨率的前提下提高空间分辨率,对该应变传感技术的后续研究具有一定借鉴意义。

关键词：应变光纤分布式传感光频域反射背向瑞利散射

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基于P-OTDR的分布式光纤传感器的研究

基于P-OTDR的分布式光纤传感器的研究

作者：刘衍飞北京交通大学

学位级别：硕士

P-OTDR是通过检测光纤中偏振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种新型传感技术。光纤中偏振态变化实际上是由相位变化引起的，因此这种传感机制非常灵敏，可以感知OTDR感觉不到的微弱外界变化。实验发现，检测带有偏振信息的背向瑞利... 详细信息

P-OTDR是通过检测光纤中偏振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种新型传感技术。光纤中偏振态变化实际上是由相位变化引起的，因此这种传感机制非常灵敏，可以感知OTDR感觉不到的微弱外界变化。实验发现，检测带有偏振信息的背向瑞利散射信号有一定难度，首先须确保进入待测光纤中的光强，但也不能太大，否则会产生布里渊散射;其次，还要克服光路中元器件连接器带来的菲涅耳反射的影响。除此之外，系统中各种噪声，如激光器热噪声、EDFA自发辐射噪声和光信号接收器件噪声等都会影响系统分辨率和检测信号的信噪比，改善检测信号的信噪比和系统的分辨率并从实验数据中提取出偏振信息是本文必须解决的问题。本文围绕如何提高实验系统的偏振态稳定性、分辨率、信噪比，以及偏振信息提取等几方面，作了如下工作： 1．研究OTDR的基本工作原理、结构、用途及其主要性能参数，并在OTDR的基础上介绍P-OTDR实验装置，详细研究P-OTDR的原理，推导出光纤中的偏振态分布。 2．在商用OTDR的基础上，搭建出P-OTDR实验系统，并基于此系统进行分布式传感的实验。实验发现，商用OTDR的光源和观测系统并不适用于P-OTDR实验研究。 3．自建P-OTDR实验装置，调试了光路，克服了光纤中菲涅耳反射的影响，研究了各器件参数对信号质量的影响，成功观测到偏振瑞利反射信息。 4．研制出适用于P-OTDR实验装置的光探测器，主要特点是噪声低，灵敏度高，带宽较窄，信号放大功能。 5．对信号进行了数据处理，设法提高实验系统的分辨率和检测信号的信噪比。

关键词：光时域反射计偏振敏感光时域反射计光纤分布式传感