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相位敏感光时域反射仪研究和应用进展

中国激光 2017年第6期44卷 1-14页

作者：叶青潘政清王照勇卢斌魏芳瞿荣辉蔡海文赵浩方祖捷中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器及应用技术重点实验室上海201800 中国科学院大学北京100049 上海波汇科技股份有限公司上海201203

国家重大基础设施和关键区域的安全,对于保障经济发展、国家安全、社会稳定和人民生活具有极其重要的意义。基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统在入侵探测、周界安防和基础设施安全监控等方面具有独特的技术优... 详细信息

国家重大基础设施和关键区域的安全,对于保障经济发展、国家安全、社会稳定和人民生活具有极其重要的意义。基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统在入侵探测、周界安防和基础设施安全监控等方面具有独特的技术优势,近年来受到各国科技界和工业界的广泛关注。详述了本课题组近10年来在该领域的研究成果,包括Φ-OTDR定量化相位解调技术、信号干涉衰落的机理研究、超高频率响应带宽系统、超高空间分辨率系统、低噪声窄线宽单频激光器和激光扫频技术等方面的进展;介绍了Φ-OTDR系统在周界安防和铁路安全监测等领域的工程应用,并对Φ-OTDR的国内外发展趋势进行了简要的评述。

关键词：光纤光学相位敏感光时域反射仪定量化相位解调周界安防窄线宽单频激光器

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相位敏感光时域反射仪的信号处理方法综述

光学精密工程 2021年第9期29卷 2189-2209页

作者：田曼伶刘东辉曹晓敏余贶琭北京交通大学信息科学研究所北京100044 现代信息科学与网络技术北京市重点实验室北京100044

相位敏感光时域反射仪由于具备监测范围广、灵敏度高等优点被广泛应用于周界安防等领域。近年来,研究者对其光学系统的改进使得传感距离更长、空间分辨率更高。但需要处理的数据量大大增加,且环境噪声以及扰动类型多样给分布式扰动传感... 详细信息

相位敏感光时域反射仪由于具备监测范围广、灵敏度高等优点被广泛应用于周界安防等领域。近年来,研究者对其光学系统的改进使得传感距离更长、空间分辨率更高。但需要处理的数据量大大增加,且环境噪声以及扰动类型多样给分布式扰动传感系统的实际应用带来了挑战。本文总结了提高该系统信号信噪比、扰动识别率等性能指标的信号处理方法,包括降噪算法、特征提取算法、机器学习以及深度学习算法,尽可能地对比各种算法的优劣,并展望了未来该领域信号处理方法可能的发展方向。

关键词：相位敏感光时域反射仪信号处理降噪算法特征提取机器学习

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基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪

物理学报 2013年第4期62卷 216-220页

作者：王杰贾新鸿饶云江吴慧娟电子科技大学通信与信息工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室成都611731

报道了一种基于双向拉曼放大延长相位敏感光时域反射仪分布式光纤传感系统传感距离的方法.利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大,补偿了光纤传输损耗.实验表明,该方法提高了整个传感光纤上信号光的分布均匀性,实现了74km的超长传感距离... 详细信息

报道了一种基于双向拉曼放大延长相位敏感光时域反射仪分布式光纤传感系统传感距离的方法.利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大,补偿了光纤传输损耗.实验表明,该方法提高了整个传感光纤上信号光的分布均匀性,实现了74km的超长传感距离和20m的空间分辨率,同时,试验了不同信号光入纤功率和抽运功率对基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪系统的影响.

关键词：相位敏感光时域反射仪分布式光纤传感拉曼放大

基于弱光栅阵列的增强相位敏感光时域反射仪振动传感系统

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中国激光 2018年第8期45卷 228-235页

作者：黎威张永佳武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室湖北武汉430070 武汉理工大学信息工程学院湖北武汉430000

设计了一种基于弱光纤布拉格光栅阵列的增强相位敏感光时域反射仪(?-OTDR)振动传感系统,以反射率较大的弱光纤光栅反射信号代替?-OTDR中的瑞利散射信号,利用相邻弱光纤光栅反射信号间干涉信号的强度变化来判断光纤线路上振动事件的情况... 详细信息

设计了一种基于弱光纤布拉格光栅阵列的增强相位敏感光时域反射仪(?-OTDR)振动传感系统,以反射率较大的弱光纤光栅反射信号代替?-OTDR中的瑞利散射信号,利用相邻弱光纤光栅反射信号间干涉信号的强度变化来判断光纤线路上振动事件的情况,并采用时分复用技术对振动点进行精确定位。结果表明,该系统在面向振动信号的检测与解调方面比?-OTDR更为简便,同时能实现分布式测量,并能解调出频率范围为10~500Hz的任意振动信号,在周界安防领域具有实际应用价值。

关键词：遥感相位敏感光时域反射仪弱光栅阵列振动干涉地震检波器

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相位敏感光时域反射仪的性能提升技术研究

相位敏感光时域反射仪的性能提升技术研究

作者：苑宏宇太原理工大学

学位级别：硕士

分布式光纤振动传感技术具有抗电磁干扰、监测范围大、本质安全、灵敏度高等优点,在电缆状态监测、结构健康监测、交通轨道监测以及油气管线监测等领域中显示出重要的应用前景。相位敏感光时域反射仪(Phase sensitive Optical Time Doma... 详细信息

分布式光纤振动传感技术具有抗电磁干扰、监测范围大、本质安全、灵敏度高等优点,在电缆状态监测、结构健康监测、交通轨道监测以及油气管线监测等领域中显示出重要的应用前景。相位敏感光时域反射仪(Phase sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)作为一种典型的分布式光纤振动传感技术,利用后向瑞利散射光感知外界振动信号,在长距离多点振动监测领域得到了广泛应用。Φ-OTDR系统采用脉冲激光作为探测信号。脉冲激光的入纤光功率会影响系统的传感距离,且过高的光功率会导致光纤中非线性效应的产生。同时,脉冲激光的重复频率会制约系统的频率响应范围和传感距离。以上问题均会限制系统在不同场景下对振动信号的探测能力。因此,扩大频率响应范围和传感距离对提升Φ-OTDR系统的检测性能具有重要意义。本文在研究Φ-OTDR系统基础上,运用波分复用技术,提出一种复合型光纤振动传感系统,实现外界振动信号的空间定位和波形还原,从而提升系统的频响范围。同时,基于正交解调算法的鉴相原理,提出一种全域相位自相关算法,通过判别振动信号与噪声信号的自相关曲线来实现定位,并提升系统的传感距离。研究内容主要包括以下三个方面:第一、研究Φ-OTDR系统光纤振动传感原理。分析了Φ-OTDR系统的性能影响因素,包括频率响应和传感距离。并讨论了波分复用技术和正交解调技术对Φ-OTDR系统性能提升的机理。第二、采用波分复用技术,提出了一种复合型光纤振动传感系统。利用3×3光纤耦合器将Φ-OTDR、迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer,MI)和马赫泽德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)三种光路结构进行了组合,实现对外界振动信号的空间定位和相位还原。同时,所引入的MZI结构可以用于探测环境噪声,并借助数字滤波器,实现外部振动信息中环境噪声分量的去除。该复合系统能在1k Hz的环境噪声中准确恢复和定位20k Hz的外部振动信号。第三、基于正交解调技术,分析差分累加平均算法的定位原理及其局限性,并讨论Φ-OTDR系统全域相位还原和自相关定位的可行性。在不附加任何光学放大器件的前提下,利用自相关算法初步实现了总长为90km的传感光纤上,频率为5Hz的正弦振动信号的准确探测。

关键词：相位敏感光时域反射仪复合光路频率响应范围自相关算法长距离探测

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基于支持向量机的相位敏感光时域反射仪研究

计量学报 2022年第5期43卷 609-616页

作者：马诗洋王宇王鹏飞李君婵白清刘昕靳宝全太原理工大学物理与光电工程学院新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室山西太原030024 煤与煤层气共采国家重点实验室山西晋城048012

为了解决实际环境中振动事件易误报的问题,在基于相位敏感光时域反射仪的分布式光纤振动传感系统中,引入了一种融合小波能量谱和支持向量机(SVM)的模式识别方法。首先,利用小波能量谱分析方法,设定最优分解层为5层,并从原始信号中提取... 详细信息

为了解决实际环境中振动事件易误报的问题,在基于相位敏感光时域反射仪的分布式光纤振动传感系统中,引入了一种融合小波能量谱和支持向量机(SVM)的模式识别方法。首先,利用小波能量谱分析方法,设定最优分解层为5层,并从原始信号中提取出特征向量;然后利用支持向量机的“一对一法”多分类策略对振动事件进行识别分类。考虑到实际环境因素的影响,对沿光纤行走、敲击光纤以及沿光纤慢跑3种模式的振动进行了检测试验;最后,采用准确率、精确率、召回率和F值来综合评价支持向量机分类器的性能。实验结果表明:该模式识别方法实现了84.9%的振动事件分类准确率。

关键词：计量学相位敏感光时域反射仪支持向量机光纤传感模式识别小波能量谱

基于FPGA的相位敏感光时域反射仪性能优化研究

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基于FPGA的相位敏感光时域反射仪性能优化研究

作者：尹康太原理工大学

学位级别：硕士

相位敏感光时域反射仪(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)在基础设施、能源运输、周界安防等领域的应用对其传感性能采用了更高要求。Φ-OTDR的传感距离与空间分辨率相互制约,且传感距离提升会造成传感数据... 详细信息

相位敏感光时域反射仪(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)在基础设施、能源运输、周界安防等领域的应用对其传感性能采用了更高要求。Φ-OTDR的传感距离与空间分辨率相互制约,且传感距离提升会造成传感数据与测量时间的显著增加。为此,本文利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)技术,设计了Φ-OTDR数据采集与数据解调硬件优化方案,构建了基于FPGA的随机数编码Φ-OTDR传感系统。本文的主要研究内容包括以下三个方面:第一、研究了Φ-OTDR光纤振动传感原理,分析了Φ-OTDR拍频信号时频特征,构建了基于FPGA的Φ-OTDR数据采集方案,完成了数据采集系统的关键芯片选型,设计了模数转换、系统主控、脉冲触发、数据传输等功能模块,进行了数据采集流程的时序约束,实现了数据采集系统的版图设计与加工制作,并开展了正弦信号与传感数据的采集实验测试。第二、研究了基于FPGA的Φ-OTDR数据解调方案,采用了拍频信号正交解调整数化加速混频方法,利用有限脉冲响应低通滤波器滤除了数字混频后的高频分量,研究了坐标旋转数字计算原理,设计了基于流水线结构的坐标旋转数字计算相位解调算法,分析了数据解调系统芯片内部资源及测量时间。第三、采用了基于随机数编码的Φ-OTDR系统,研究了编码Φ-OTDR系统线性化原理,利用FPGA生成了Golay码、Simplex码和随机数编码,分析了随机数编码的时序特性、解码原理和编码增益,开展了传感系统性能优化实验测试,结果表明:随机数编码仅需一组脉冲序列即可实现解码,并在100 ns脉冲宽度与128位码长条件下可将Φ-OTDR传感距离提升至50.22 km,且相位解调信噪比可达17.51 dB,为高性能Φ-OTDR系统工程化应用提供了解决方案。

关键词：相位敏感光时域反射仪现场可编程门阵列数据采集正交解调随机数编码

基于光脉冲编码的相位敏感光时域反射仪性能提升研究

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基于光脉冲编码的相位敏感光时域反射仪性能提升研究

作者：吴悦电子科技大学

学位级别：硕士

光纤传感技术诞生于上个世纪70年代,现已发展成为欣欣向荣的产业。相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)作为分布式光纤传感系统的一个重要分支,具有灵敏度高和响应速度快等优点,一直备受关注。随着大型基础设施和通信、电力网络的发展,在使... 详细信息

光纤传感技术诞生于上个世纪70年代,现已发展成为欣欣向荣的产业。相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)作为分布式光纤传感系统的一个重要分支,具有灵敏度高和响应速度快等优点,一直备受关注。随着大型基础设施和通信、电力网络的发展,在使用光纤传感技术对这些设施设备在线检测时,对传感系统的性能参数提出了更高的要求。光脉冲编码技术能打破分布式光纤传感系统空间分辨率、信噪比、传感距离等关键参数的制约。但是先前的研究多集中在基于直接探测的传感系统,近年来,相干探测技术被广泛认为是分布式光纤传感中颇具前景的探测方式。因此,围绕基于相干探测的Φ-OTDR开展编码技术的研究显得极具意义。目前,编码Φ-OTDR仍存在一些局限:测量时间较长,通常为单脉冲的数倍;性能表现受到干涉衰落和光源频率漂移的影响,却未有相关研究。本文从缩短测量时间、抑制干涉衰落、补偿频漂三个方面着手,提出了基于双极性Golay码的Φ-OTDR系统,缩短了测量时间,并提出了相应的干涉衰落抑制和频漂补偿的方法,主要工作概述如下:1.推导了外差探测Φ-OTDR的数学模型,并提出了一种基于单脉冲频谱提取与组合的干涉衰落抑制方法:首先,根据该模型建立了相应的仿真平台,有助于全面系统地分析散射信号的特征。其次,提出了一种数字域抑制干涉衰落的方法,该方法不会增加系统/调制复杂度。最后,以单脉冲探测的Φ-OTDR为例,在仿真和实验中,有效地避免了相位解调错误。2.提出了基于双极性Golay码的Φ-OTDR系统:进行了双极性码Φ-OTDR的理论分析,完成了系统编码、探测、解码过程的设计、仿真与实验。该方案打破了直接探测Φ-OTDR中关键参数的互相制约,相比于单极性码,不仅减少了一倍的测量时间,还大幅提升了编码增益,实现了编码Φ-OTDR中最快的测量速度。3.实现了双极性Golay码Φ-OTDR的频漂补偿和干涉衰落抑制:提出了一种数字域分布式实时频漂补偿方法,解决了解码后信号强度失真的问题,显著提升了编码抑制比和解调扰动的信噪比;将频谱提取与组合技术和编码系统有机结合,抑制了解码后的干涉衰落,避免了相位解调错误。首次展示了编码Φ-OTDR分布式探测扰动的能力,从多个方面实现了系统的性能提升。

关键词：光纤传感相位敏感光时域反射仪双极性码干涉衰落激光器频漂

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多频COTDR系统的相位解调优化方法

光学学报 2024年第1期44卷 325-332页

作者：谢浪吴明松王粤晖杨子逸饶云江吴宇电子科技大学信息与通信工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室四川成都611731

提出一种基于多频优化分集(MFOD)算法的相位解调技术,搭建了环移多频相干光时域反射(MF-COTDR)系统,实验探究了MFOD算法对信号解调性能的提升效果。结果表明,MFOD算法不仅能够较好地还原相位信息,相较于传统的相位解调算法有超过9 dB的... 详细信息

提出一种基于多频优化分集(MFOD)算法的相位解调技术,搭建了环移多频相干光时域反射(MF-COTDR)系统,实验探究了MFOD算法对信号解调性能的提升效果。结果表明,MFOD算法不仅能够较好地还原相位信息,相较于传统的相位解调算法有超过9 dB的平均信噪比(SNR)提升,实现了33.3 pε/Hz1/2的最小应变分辨率。此外,通过实验验证了基于MFOD算法的MF-COTDR系统对不同频率振动信号的响应性能,实验结果说明该系统具有良好的线性响应能力。

关键词：光纤光学分布式光纤传感相位敏感光时域反射仪相位解调