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φ-otdr系统振动信号的聚类识别方法

红外与激光工程 2024年第11期53卷 186-200页

作者：刘念超李勤赵小艇梁生北京交通大学物理科学与工程学院北京100044 河北省地震灾害仪器与监测技术重点实验室河北廊坊065000 中国电子科技集团公司第三研究所北京100015

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... 详细信息

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。

关键词： φ-otdr 时域特征提取聚类分析数据裁剪

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φ-otdr振动传感系统中的相位模糊问题

红外与激光工程 2015年第9期44卷 2800-2804页

作者：李永倩马立华北电力大学电子与通信工程系河北保定071003

针对φ-otdr振动传感系统中的相位模糊问题,推导了背向瑞利散射光功率与干涉光场相位差、干涉光场相位差与光纤应变的关系式,分析了相位模糊现象的发生原因及表现形式,研究了相位模糊对传感系统性能的影响及系统最大可检测应变与空间分... 详细信息

针对φ-otdr振动传感系统中的相位模糊问题,推导了背向瑞利散射光功率与干涉光场相位差、干涉光场相位差与光纤应变的关系式,分析了相位模糊现象的发生原因及表现形式,研究了相位模糊对传感系统性能的影响及系统最大可检测应变与空间分辨率的关系,并进行了仿真验证。结果表明:相位模糊是限制系统应变测量范围的主要因素,它会引起振动频率的误判和振动幅度的测量错误,还可能导致大应变信息的漏报;系统空间分辨率越高,应变测量范围越大,说明φ-otdr振动传感系统适用于高空间分辨率振动的测量。研究结果为φ-otdr振动传感系统参数设计和系统优化提供了理论参考。

关键词：相位模糊 φ-otdr 振动传感仿真

选择性平均的φ-otdr分布式光纤扰动传感系统阈值算法

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红外与激光工程 2016年第3期45卷 261-266页

作者：王鹏娄淑琴梁生张颜北京交通大学电子信息工程学院北京100044 北京交通大学理学院北京100044

阈值的准确设定是有效降低φ-otdr分布式光纤扰动传感系统误报和漏报率的关键。针对该问题,提出了一种基于选择性平均的φ-otdr分布式光纤扰动传感系统阈值算法,采用相关差值预挑选的方式确定信号模板,进行阈值模板匹配。理论和实验研... 详细信息

阈值的准确设定是有效降低φ-otdr分布式光纤扰动传感系统误报和漏报率的关键。针对该问题,提出了一种基于选择性平均的φ-otdr分布式光纤扰动传感系统阈值算法,采用相关差值预挑选的方式确定信号模板,进行阈值模板匹配。理论和实验研究表明:提出的选择性平均阈值算法,能够更有效设定阈值,提高信噪比,降低φ-otdr分布式光纤扰动传感系统的误报和漏报率,与直接平均和移动平均阈值算法相比,所提出的选择性平均阈值算法将误报率分别降低了5%和3%,漏报率均降低了2%;信噪比分别提升了2.55 d B、1.1 d B。所提出的算法有助于提高φ-otdr分布式光纤扰动传感系统在实际应用中可靠性。

关键词：选择性平均算法 φ-otdr 分布式光纤扰动传感系统阈值模板匹配

基于SVM算法的φ-otdr分布式光纤扰动传感系统模式识别研究

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红外与激光工程 2017年第4期46卷 212-218页

作者：张俊楠娄淑琴梁生北京交通大学电子信息工程学院北京100044 北京交通大学理学院北京100044

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对扰动事件进行有效判别和识别的问题,提出一种基于支持向量机(SVM)的扰动判别和扰动模式识别的方法。通过提取信号时域和频域的平均值、方差、均方差以及信号功率特征,利用二... 详细信息

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对扰动事件进行有效判别和识别的问题,提出一种基于支持向量机(SVM)的扰动判别和扰动模式识别的方法。通过提取信号时域和频域的平均值、方差、均方差以及信号功率特征,利用二叉树结构建立基于SVM算法的分类器,对扰动进行判别并对扰动模式进行识别。根据传感信号的特征,通过分类器I在对有无扰动信号进行判别的基础上,进一步对有扰动信号利用分类器对扰动事件的模式进行识别。通过实验对所提出的方法进行验证,对600组实验数据进行扰动判别和模式识别,正确的扰动判别率在96%以上,漏报率和误报率在4%以下;正确的模式识别率均在94%以上。

关键词：分布式光纤扰动传感系统 φ-otdr SVM算法扰动判别模式识别

Ф-otdr的分布式光纤扰动传感系统光源参数影响(英文)

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红外与激光工程 2014年第12期43卷 3918-3923页

作者：吕其英李立京王洪波李勤钟翔北京航空航天大学精密光机电一体化技术教育部重点实验室北京100191 上海航天控制技术研究所上海200233

基于Ф-otdr的分布式光纤扰动传感系统利用一根传感光纤可实现长距离的入侵实时监测。光源作为该系统的关键器件之一,其参数直接影响到系统的监测距离和定位精度等性能指标。文中针对光源参数对系统性能的影响做了理论分析和实验研究。... 详细信息

基于Ф-otdr的分布式光纤扰动传感系统利用一根传感光纤可实现长距离的入侵实时监测。光源作为该系统的关键器件之一,其参数直接影响到系统的监测距离和定位精度等性能指标。文中针对光源参数对系统性能的影响做了理论分析和实验研究。理论分析和仿真表明:增加光源功率、提高脉冲宽度和提高调制周期可提高监测距离;减小脉冲宽度可提高定位精度。在上述分析的基础上,提出了针对不同监测距离的光源参数优选方案,并通过实验验证了理论分析的正确性。

关键词：分布式光纤传感监测距离定位精度光源参数 φ-otdr

Classification of interference-fading tolerant φ-otdr signal using optimal peak-seeking and machine learning [Invited]

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Chinese Optics Letters 2021年第3期19卷 36-40页

作者： Yixin Zhang Tong Zhou Zhewen Ding Yanqing Lu Xuping Zhang Feng Wang Ningmu Zou Key Laboratory of Intelligent Optical Sensing and Manipulation(Nanjing University) Ministry of EducationNanjing 210093China Department of Chemisti7 and Chemical Biology Cornell UniversityIthacaNY 14850USA

A simple and effective interference-fading tolerant method for phase-sensitive optical time-domain reflectometry(φ-otdr) using optimal peak-seeking is proposed. This method can reconstruct the vibration signal with high fidelity under the premise of using only an ordinary single-mode sensing fiber without changing the structure of the traditional φ-otdr system. Based on the data after interference suppression, we applied different machine learning models to recognize the invasive events category. The promising results show potential applications of φ-otdr equipment and future implementation with machine learning algorithms.

关键词： φ-otdr fading suppression machine learning

φ-otdr光纤预警系统的周界安防入侵定位

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光学技术 2017年第5期43卷 473-477页

作者：董百合江飞邢冀川北京理工大学光电学院北京100081

由于相位敏感光时域反射仪(φ-otdr,Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer)光纤预警系统高灵敏度的特性,使其对于环境中的声波及瞬时高频噪声也异常敏感,如何提高信噪比,使有用信号在众多噪声中显现出来,实现精确定位,成... 详细信息

由于相位敏感光时域反射仪(φ-otdr,Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer)光纤预警系统高灵敏度的特性,使其对于环境中的声波及瞬时高频噪声也异常敏感,如何提高信噪比,使有用信号在众多噪声中显现出来,实现精确定位,成为该领域研究的关键问题。分析了φ-otdr分布式光纤系统的工作原理,介绍了分离平均与差分、滑动平均与差分以及小波阈值去噪三种常用的定位算法。利用连续小波变换分析了挖掘信号的功率谱分布随距离传播的变化规律,并提出了一种利用小波高频分量进行定位的算法方案。实验证明小波高频分量定位算法具有更高的定位精度,信噪比为9.6033dB。

关键词：光纤分布式传感 φ-otdr 周界防护小波去噪入侵定位

基于自适应噪声完备经验模态分解的φ-otdr信号去噪算法

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半导体光电 2018年第4期39卷 600-606页

作者：熊兴隆魏永兴张琬童李猛马愈昭中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室天津市空管运行规划与安全技术重点实验室天津300300

针对相位敏感光时域反射仪(φ-otdr)信号信噪比较低的问题,提出了一种基于自适应噪声完备经验模态分解(CEEMDAN)的小波信息熵阈值去噪算法。该算法配合CEEMDAN分解,通过小波信息熵阈值去噪,提取扰动位置的高频信息,从而提高系统的信噪... 详细信息

针对相位敏感光时域反射仪(φ-otdr)信号信噪比较低的问题,提出了一种基于自适应噪声完备经验模态分解(CEEMDAN)的小波信息熵阈值去噪算法。该算法配合CEEMDAN分解,通过小波信息熵阈值去噪,提取扰动位置的高频信息,从而提高系统的信噪比。首先,采用Savitzky-Golay滤波算法对不同光脉冲间的信号进行预处理;其次,采用CEEMDAN将滑动差分后单个脉冲内信号分解为不同的固有模态函数(IMF),并利用连续均方误差准则确定含噪较多的高频IMF分量;然后,采用小波信息熵阈值去噪算法对以上高频IMF分量进行阈值去噪处理;最后,将其与低频IMF分量以及残差分量进行重构。采用自行研制的相干φ-otdr系统实测数据进行了验证,结果表明,文中算法与两种传统去噪算法相比,信噪比提升了3dB,这对于系统的实际应用具有重要意义。

关键词： φ-otdr Savitzky-Golay CEEMDAN 小波信息熵信噪比

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脉冲编码φ-otdr系统性能分析

纳米技术与精密工程 2017年第5期15卷 400-405页

作者：梁胡格吉乐封皓曾周末精密测试技术与仪器国家重点实验室(天津大学) 天津300072

研究了基于编码调制的相位敏感光时域反射计(φ-otdr)系统原理,该系统向传感光纤注入经过编码后的光脉冲序列,在接收端经过数据处理提升φ-otdr系统信噪比,从而提高系统传感距离.对比研究了脉冲编码方式和传统信号处理方式对系统信噪比... 详细信息

研究了基于编码调制的相位敏感光时域反射计(φ-otdr)系统原理,该系统向传感光纤注入经过编码后的光脉冲序列,在接收端经过数据处理提升φ-otdr系统信噪比,从而提高系统传感距离.对比研究了脉冲编码方式和传统信号处理方式对系统信噪比的影响;采用格雷码进行了实验分析,通过匹配滤波对编码脉冲回拨信号进行降噪处理,并与单脉冲信号结果进行了对比.结果表明,采用脉冲编码可提高φ-otdr系统动态范围,能有效提升系统综合性能.

关键词： φ-otdr 脉冲编码信噪比