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基于POTDR的分布式光纤振动传感系统的研究

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基于POTDR的分布式光纤振动传感系统的研究

作者：胡金涛南京航空航天大学

学位级别：硕士

基于偏振敏感型光时域反射(POTDR)的分布式光纤振动传感系统,具有连续分布式监测、响应速度快、探测灵敏度高等优势,在大型基础设施的健康监测领域有重要的应用价值。然而,目前基于POTDR的振动传感系统仍然存在信噪比低、漏报率高等问... 详细信息

基于偏振敏感型光时域反射(POTDR)的分布式光纤振动传感系统,具有连续分布式监测、响应速度快、探测灵敏度高等优势,在大型基础设施的健康监测领域有重要的应用价值。然而,目前基于POTDR的振动传感系统仍然存在信噪比低、漏报率高等问题。一方面,由于偏振叠加效应和光纤本身固有双折射的存在,POTDR系统中,沿着光纤的传感信号幅度存在随机性,造成漏报率高、多扰动事件的叠加串扰等问题;另一方面,较低的信噪比造成系统的传感距离、空间分辨率和灵敏度等关键指标难以满足实际应用的需求。本论文针对以上两个问题,分别提出了解决方案,并通过建立仿真和实验系统,验证了方案的可行性及其性能,具体工作介绍如下:论文提出了一种基于遍历性偏振的入射光的POTDR振动传感技术。该技术可以有效地抑制光纤固有双折射导致的传感信号随机波动,降低沿光纤向传感信号的波动。论文首先在理论上推导了该方法的可行性,并且通过仿真和实验分别对其进行验证,成功解决了系统漏报率高、多扰动事件的叠加串扰的问题,并且实现了多个同频扰动事件的同时监测。为了进一步提升分布式光纤传感系统的信噪比,本论文还提出了一种基于紫外(UV)曝光光纤的POTDR振动传感技术。利用紫外激光器直接对单模光纤进行曝光,研究发现UV曝光后光纤的瑞利散射强度相比传统的单模光纤可提升近1个数量级。设计并制备了一种基于等间隔点式曝光光纤的POTDR系统,实验验证了紫外曝光光纤对基于POTDR的分布式光纤振动传感系统信噪比提升的可行性,并将系统的信噪比提升了约9.5dB。

关键词：分布式光纤振动传感系统偏振敏感型光时域反射计瑞利散射多振动测量紫外曝光信噪比

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分布式光纤传感系统在线路防护中的应用

分布式光纤传感系统在线路防护中的应用

作者：程建凯电子科技大学

学位级别：硕士

传统的油气管线的监控技术存在成本高、易受环境影响、探测距离短、无法实现长距离分布式监控等劣势。光纤传感器因其具有抗电磁干扰、耐恶劣环境、等优势在安防、军事、管线防护等领域具有广泛的应用前景。其中,基于相位敏感光时域反... 详细信息

传统的油气管线的监控技术存在成本高、易受环境影响、探测距离短、无法实现长距离分布式监控等劣势。光纤传感器因其具有抗电磁干扰、耐恶劣环境、等优势在安防、军事、管线防护等领域具有广泛的应用前景。其中,基于相位敏感光时域反射计（Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR）原理的分布式光纤振动传感系统具有结构简单、定位精度高、单个分布式传感系统可监测数十至数百公里的距离等优势,已在油气管道、输电线等线路防护领域引起了极大的关注。本文针对Φ-OTDR分布式光纤振动传感系统在油气管线监控领域的扰动定位和扰动事件分类识别等问题进行理论与实验研究。本文主要完成的工作如下:（1）介绍Φ-OTDR的基本原理及基于3ⅹ3解调技术的分布式光纤传感系统的光学系统结构和解调算法,对系统具有线性的幅频响应特性设计实验验证,实验研究结果表明系统可实现对振动信号的无失真测量;利用小波阈值去噪算法和滑动平均算法实现振动信号的降噪处理,提高系统的信噪比。（2）提出振动信号自动定位方法,实现了高分辨率的自动定位,为入侵信号自动定位预警奠定了基础;实现分布式光纤振动传感系统对埋地光缆的断点定位,从而验证了分布式光纤振动传感系统在线路防护领域应用的可行性和优越性。（3）利用分布式振动传感系统实地采集布设在油气管道旁边的光缆感知的四种信号,包括铲土、刨土、过车和噪声信号,进而对四种信号分别提取小波包能量频带分布特征、持续时间特征、过电平率特征和包络方差特征,并将提取的各种信号特征组成复合特征向量,利用支持向量机（Support Vector Machine,SVM）算法实现对四种信号的分类识别,最后通过对多组核参数和惩罚因子的组合试验,最终确定的参数可以使SVM多分类器达到98.13%的正确识别率。（4）实现分布式光纤振动传感系统软件,设计对信号进行特征提取和分类识别的信号处理流程,并设计人机交互界面。本论文验证了分布式光纤传感系统的传感信号准确性,并对信号进行了一系列降噪处理,针对油气管道入侵信号预警提出了入侵信号自动定位算法,并利用SVM多分类器实现了对入侵信号的识别,完成了预警软件开发和界面设计,推进了分布式光纤传感系统在油气管道预警领域的应用进程。

关键词：分布式光纤振动传感系统 Φ-OTDR 振动信号定位分类识别

基于Φ-OTDR的煤层气管线外界入侵振动检测系统

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传感技术学报 2019年第1期32卷 144-149页

作者：王鹏飞董齐刘昕王宇王东靳宝全太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室太原030024 煤与煤层气共采国家重点实验室山西晋城048012

为实现长距离煤层气管线外界入侵振动检测,采用基于相位敏感型光时域反射原理(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统,融合FPGA与USB2.0技术开展传感数据的实时采集与高速传输,并通过时间-空间二维分析来获得振动信号典型特征,进而实现煤层... 详细信息

为实现长距离煤层气管线外界入侵振动检测,采用基于相位敏感型光时域反射原理(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统,融合FPGA与USB2.0技术开展传感数据的实时采集与高速传输,并通过时间-空间二维分析来获得振动信号典型特征,进而实现煤层气输送管道危险源的实时检测。实验结果表明,本系统可借助差分信号波峰位置实现精确定位,系统的频率响应范围是可覆盖入侵振动特征频率的1 Hz～3 k Hz,且在4 km和9 km光纤位置处的定位误差均可保持在20 m范围以内,因此本系统可有效检测到输送管道外界入侵振动。

关键词：分布式光纤振动传感系统入侵定位相位敏感光时域反射计煤层气输送管道

基于DVS数据多模态特征融合的安防入侵事件分类算法研究

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基于DVS数据多模态特征融合的安防入侵事件分类算法研究

作者：张玉齐鲁工业大学

学位级别：硕士

基于分布式光纤传感的周界安防系统是一种智能化检测技术,在周界安防领域展现出了巨大的应用潜力。随着光纤传感技术的高速发展,基于相位敏感光时域反射计(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometry,Φ-OTDR)的分布式光纤振... 详细信息

基于分布式光纤传感的周界安防系统是一种智能化检测技术,在周界安防领域展现出了巨大的应用潜力。随着光纤传感技术的高速发展,基于相位敏感光时域反射计(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometry,Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统(Distributed Fiber Optic Vibration Sensing System,DVS),因其探测距离长、灵敏度高和抗电磁干扰能力强等优势,结合更具鲁棒性的深度学习技术,能够进一步提升对复杂环境下周界安全监测的应用效果。然而,由于系统自身的高灵敏度与复杂性,加之多变的入侵形式和环境条件,往往导致识别精度不足,引发虚报、漏报现象,进而造成资源浪费与安全隐患。特征提取和分类模型识别算法的有效性直接决定了周界安防监测系统的效能。因此,选择有效模式识别方法,深入研究入侵事件分类识别算法,对提升DVS的周界安防监测系统的性能至关重要。针对DVS的周界安防监测系统对入侵事件识别率不够理想的问题,本文提出了一种基于深度学习和多模态特征融合的振动信号分类识别方法。构建了两种适用于不同光缆布设方式的多模态特征融合模型,以处理DVS采集的入侵振动信号。两个模型均以一维时域振动信号和二维时频图作为输入,时域数据强调了振动信号的时间演变特性,避免信息丢失;时频图则揭示信号在时间和频率上的变化规律,丰富并补充原始信号的时频特征,进而显著提高入侵事件的识别率。具体研究内容及工作情况如下:(1)鉴于单模态数据在光纤振动信号表征方面的局限性,本文采用多种数据转换方法,包括短时傅里叶变换(STFT)和连续小波变换(CWT)等时频分析技术,以及格兰姆角场(GAF)、马尔科夫转移场(MTF)和递归图(RP)等图像编码方式,对DVS采集的入侵事件振动信号进行转换。通过这些数据转换方法,实现了高品质振动信号的二维形式数据的获取,并与原始时域数据共同构成训练数据集,进而提升了模式识别模型输入数据的质量。(2)本文利用DVS采集地埋光缆上的入侵事件振动信号,采用CWT方法将信号转换为二维时频图数据,并与原始时域信号结合,形成地埋光缆入侵事件的多模态数据集。在此基础上,设计了1DCNN-DN多模态特征融合模型进行特征提取与分类识别。此外,还搭建了实验场景,对自然环境背景噪声和人工挖掘、人员行走、投掷石块三类入侵事件进行相关实验验证。实验结果表明,将多模态数据集作为1DCNN-DN网络模型的输入,可有效提高地埋光缆入侵事件的识别准确率。与现有模型相比,本方法在测试集上的识别准确率高达99.36%,识别准确率有显著提升,最高可提升48.32%,从而验证了该方法的有效性和可靠性。(3)对于挂网光缆入侵事件的振动信号,采用CWT方法获取其二维时频图数据,并搭建了Co-BiLSTMAN多模态特征融合模型。该模型对一维时域信号数据和二维时频图数据进行特征提取,在汇聚层进行多模态特征融合后再进行分类识别。为验证模型性能,利用DVS采集了挂网光缆上自然环境背景噪声以及持械操作、轰砸栅栏和摇晃栅栏三种相似入侵事件的振动信号进行测试。实验结果表明,所提出的方法能够准确地识别挂网光缆上入侵事件类型,在测试集上的分类准确率高达99.62%,相较于现有模型方法,识别准确率提高了9.32%,从而验证了其有效性和优越性。

关键词：光纤传感分布式光纤振动传感系统周界安防特征提取多模态特征融合

一种基于时频图的列车运行状态在线监测系统及方法

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一种基于时频图的列车运行状态在线监测系统及方法

作者：陈忠权电子科技大学

学位级别：硕士

目前,国内外每年都有发生因脱轨导致的交通事故,严重地威胁着人们的生命财产安全,给经济的增长带来负面影响。随着列车的提速和承载的加大,列车运行状态的监测日趋重要。本文提出了基于相位敏感光时域反射仪的分布式光纤振动传感技术的... 详细信息

目前,国内外每年都有发生因脱轨导致的交通事故,严重地威胁着人们的生命财产安全,给经济的增长带来负面影响。随着列车的提速和承载的加大,列车运行状态的监测日趋重要。本文提出了基于相位敏感光时域反射仪的分布式光纤振动传感技术的列车运行状态在线监测方法,该方法利用分布式光纤采集因列车行驶而产生的轨道振动信号,对信号作短时傅里叶变换得到时频图,从时频图中挖掘轨道振动信号特征,从而实现对列车运行状态的安全监测。本文的主要研究内容如下:首先,分析了分布式光纤传感技术的技术类型和传感原理,并对分布式光纤振动传感原理进行详细分析,并阐述了将其用于列车运行状态在线监测系统的监测原理。其次,对列车轨道信号进行特征分析,重点分析了轨道信号的频域特征,即时频图。接着,分析了NLM滤波(Nonlocal Means Filtering)的原理及其对时频图预处理的效果。再次,根据需求,设计了基于(37)-OTDR的分布式光纤振动传感技术的列车运行状态在线监测系统,并详细说明了系统结构、硬件实现和轨道振动信号处理算法,包括信号的获取、分析、处理。最后,阐述了本监测系统的性能指标,并对NLM滤波的效果进行对比评价;之后,对本系统进行现场测试,并对结果进行分析,证明了该系统的可行性,接着对本系统和信号处理算法进行了推广。

关键词：分布式光纤振动传感系统列车运行状态监测时频图 NLM滤波

基于φ-OTDR系统的煤炭运输轨道故障监测

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基于φ-OTDR系统的煤炭运输轨道故障监测

作者：刁冬梅重庆大学

学位级别：硕士

煤炭作为我国工业生产的主要能源,其产量是衡量一个国家经济的重要指标。胶带输送机是煤炭生产过程中的主要运输设备,具有运量大、连续运输性能好的优点。对于长距离输送的胶带运输机,及时发现和准确定位故障发生点可以减少因机器故障... 详细信息

煤炭作为我国工业生产的主要能源,其产量是衡量一个国家经济的重要指标。胶带输送机是煤炭生产过程中的主要运输设备,具有运量大、连续运输性能好的优点。对于长距离输送的胶带运输机,及时发现和准确定位故障发生点可以减少因机器故障而停止工作的时间,从而有效提高运输效率。传统的故障保护器采用的是开关接点输出,不具有位置识别能力。分布式光纤振动传感器利用光纤作为传感和传输介质,能对光纤沿线进行实时的远程监测。此外,光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、质量轻、体积小等优点,能够在煤矿井下的恶劣环境中工作。论文以重庆煤科院的实际运煤系统为研究对象,根据生产现场的具体情况与系统的功能需求,将φ-OTDR系统用于胶带输送机托辊的健康监测与报警,并实现了在一分钟之内对故障进行报警并精确定位,报警准确率达99%。本文的主要研究内容包括以下几个方面:①从瑞利散射的理论出发,着重描述了φ-OTDR系统的结构和基本原理,文中建立了两个形象的物理模型来阐述φ-OTDR的物理机制,并对其空间分辨率、动态范围、频率响应等主要性能指标做了讨论。②搭建了基于φ-OTDR的分布式光纤振动传感系统,并论证了其用于胶带运输轮健康监测的可行性。系统中光纤光子实验室自行设计制作的窄线宽激光器的线宽为500Hz,输出功率约为7mw,性能优良。另外自行搭建了含有三个WDM结构的EDFA进行光放大。为了将传感光纤安全稳固地缠绕在运输轮的托辊上,设计并加工出铝合金材料的螺旋形圆盘结构粘在托辊轴芯上。③基于Lab VIEW软件进行数据采集和处理,并在其中调用Matlab软件编写的小波分解程序进行降噪,提取出输送机的振动幅值信息。实验中成功地将好轮和坏轮区分开,并使用Lab VIEW设计了生动形象的报警界面,能在一分钟以内检测到坏轮并进行报警。该系统故障报警准确率达99%。文中对产生误报率的原因进行了分析。本系统解决了传统方法不能及时报警和定位的不足,节约了煤矿井下的人力和物力,极大地提高了煤矿的生产效率与安全可靠性,有望投入实际生产应用。

关键词：胶带输送机分布式光纤振动传感系统相位敏感光时域反射计健康监测报警界面

小波降噪在分布式光纤干涉振动检测及定位系统中的应用

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小波降噪在分布式光纤干涉振动检测及定位系统中的应用