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基于移动方差平均算法的相位敏感光时域反射计去噪算法研究

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仪器仪表学报 2022年第10期43卷 233-240页

作者：管彦周万生鹏程亚楠万东辉喻俊松南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室南昌330063 南昌航空大学江西省光电信息科学与技术重点实验南昌330063

在相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)系统中,扰动信号一般淹没在噪声中,导致扰动定位困难。为了提高扰动信号的信噪比,本文结合方差算法自身具有突出数据离散程度的特点,提出了一种移动方差平均算法。相比于累加平均、移动平均法、分离平... 详细信息

在相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)系统中,扰动信号一般淹没在噪声中,导致扰动定位困难。为了提高扰动信号的信噪比,本文结合方差算法自身具有突出数据离散程度的特点,提出了一种移动方差平均算法。相比于累加平均、移动平均法、分离平均法、小波去噪、移动平均法+移动微分等传统算法,仿真和实验结果显示,移动方差平均算法具有更好的去噪效果,具有更高的信噪比(SNR)。因此,该算法可以用较少的累加采集次数实现扰动信号的定位,从而可以进一步提高φ-OTDR系统的响应频率,提升系统的实时性。

关键词：相位敏感光时域反射计移动方差平均算法定位信噪比

百公里以上的超长距离相位敏感光时域反射计的振动信号检测与提取

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百公里以上的超长距离相位敏感光时域反射计的振动信号检测与提取

作者：王轶轩浙江大学

学位级别：硕士

分布式光纤传感器是一种独特且应用场景广泛的传感器。它使用光纤同时作为传输器件和传感器件,结构简单,且具有灵敏度高、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点。相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)通过检测光纤中后向散射光的幅度与相位变化来达到物... 详细信息

分布式光纤传感器是一种独特且应用场景广泛的传感器。它使用光纤同时作为传输器件和传感器件,结构简单,且具有灵敏度高、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点。相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)通过检测光纤中后向散射光的幅度与相位变化来达到物理量的监测目的,适合进行振动信号的检测。但对于超过百公里的传感距离,Φ-OTDR的振动信号检测会出现一些困难。由于光信号受到光纤的传输损耗以及采集范围的影响,信号的幅度范围受到限制且随传输距离增长而减弱,超长距离下信号的幅度极低以致难以检测。另外,由于系统器件带来的噪声、环境噪声以及随机衰落效应的影响,超长距离的低幅度信号段信噪比极低,对检测造成困难。在待测光纤中段接入光放大器形成中继放大结构或者在光纤首尾两端接入放大器形成双端检测结构都是提升Φ-OTDR振动检测距离的常规方案,但它们会使得检测结构非常复杂。并且在实际应用场景中,存在无法在检测结构中接入光放大器的应用场景。因此,单端超长距离Φ-OTDR振动检测方案具有很高的研究与应用价值。本文主要研究超过百公里的单端超长距离Φ-OTDR振动检测系统。使用单端检测结构,通过混合光放大与电信号处理相结合的光-电信号处理结合方案解决超长距离Φ-OTDR振动检测中幅度低、信噪比低的困难。针对超长距离下信号幅度极低无法满足系统动态范围要求的问题,结合混合光放大与分段电放大,在幅度限制下尽可能提升信号幅度水平。对于光信号,在待测光纤前使用EDFA与拉曼放大器相配合,形成混合光放大,实现了检测系统在检测幅度受限时光路信号的整体幅度的提升。对于整体幅度提升后仍然微弱的信号段,使用分段电放大,对局部低信号段进行放大,进一步提升长距离信号的幅度水平。针对超长距离下信号信噪比极低的问题,在混合光放大提升信号整体信噪比的基础上,使用希尔伯特幅度解调与自适应匹配滤波器相结合的电信号去噪技术,对信号的随机衰落进行补偿并显著提升信噪比。本文首先分析超长距离振动检测的相关问题,在此基础上提出单端超长距离振动检测方案并对涉及的相关技术进行理论阐述。进而通过仿真分析,对光-电信号处理结合的相关技术进行分析。最后,搭建单端超长距离Φ-OTDR振动检测系统,对仿真得到的结论进行进一步验证并对系统的整体性能进行分析。本文所提出的光-电信号处理结合的Φ-OTDR振动检测系统在实验环境下,实现了单端超长距离Φ-OTDR振动信号的检测与提取,传感距离达到了147 km,系统频率响应为95 Hz,空间分辨率40 m。系统结构简单,且具有良好的检测性能。

关键词：光纤传感相位敏感光时域反射计混合光放大技术电信号处理技术

基于变分模态分解的相位敏感光时域反射计信噪比提升方法

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光学学报 2023年第21期43卷 41-50页

作者：高浩天康杰虎张振吴斌天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072

在页岩气开采过程中,基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤声波传感(DAS)系统是对水力压裂作业中产生的微震波进行监测的常用方案。为了提高Φ-OTDR系统测量振动信号的信噪比,提出了一种基于变分模态分解(VMD)和互信息(MI)的... 详细信息

在页岩气开采过程中,基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤声波传感(DAS)系统是对水力压裂作业中产生的微震波进行监测的常用方案。为了提高Φ-OTDR系统测量振动信号的信噪比,提出了一种基于变分模态分解(VMD)和互信息(MI)的振动信号去噪方法,对数字正交(I/Q)解调得到的相位信号进行进一步处理,VMD层数K通过去趋势波动分析(DFA)计算的标度指数确定,相位信号的失真和噪声通过剔除MI法确定的非相关模态进行抑制。并搭建了相干探测Φ-OTDR系统验证VMD-MI方法的去噪效果,分别对500 Hz单频振动信号和500、1000、1500 Hz多频振动信号使用VMD、小波降噪(Wavelet)、经验模态分解(EMD)、自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)进行处理。实验结果表明,所提方法对振动信号信噪比提升最为明显,在Φ-OTDR系统中具有良好的实用性。

关键词：相位敏感光时域反射计水力压裂微地震监测信噪比变分模态分解互信息

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相位敏感光时域反射计的高频振动检测

中国激光 2020年第5期47卷 440-444页

作者：宋牟平庄守望王轶轩浙江大学信息与电子工程学院浙江杭州310027

相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)可以有效地检测光纤的振动信息,但受传感光纤长度的限制,可检测的振动频率范围一般在几百赫兹到几千赫兹之间。为了提高振动检测范围,组建了基于外差相干检测的φ-OTDR系统,采用I/Q解调方法获得传感光纤... 详细信息

相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)可以有效地检测光纤的振动信息,但受传感光纤长度的限制,可检测的振动频率范围一般在几百赫兹到几千赫兹之间。为了提高振动检测范围,组建了基于外差相干检测的φ-OTDR系统,采用I/Q解调方法获得传感光纤散射光信号的相位信息,对此相位信息在空间域与时域上相继进行差分相位解调,从而实现对光纤中高频振动信号的分布式检测。理论上分析了高频振动检测方案的可行性,并在实验中有效解调出了频率为500 kHz的振动信号,传感距离达到了23 km。

关键词：光通信相位敏感光时域反射计高频振动检测外差检测相位解调

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相位敏感光时域反射计识别入侵事件算法研究

相位敏感光时域反射计识别入侵事件算法研究

作者：郑印天津大学

学位级别：硕士

分布式光纤传感系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、灵敏度高以及可以实现大范围监测等诸多优点,且传感光纤可埋藏于地下,具有很好的隐蔽性,因此成为业界研究的热点,并被广泛用于监测国境、军事基地、发电厂、石油管道、核设施及... 详细信息

分布式光纤传感系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、灵敏度高以及可以实现大范围监测等诸多优点,且传感光纤可埋藏于地下,具有很好的隐蔽性,因此成为业界研究的热点,并被广泛用于监测国境、军事基地、发电厂、石油管道、核设施及监狱等重要区域和场所。本文基于相位敏感光时域反射(phase-sensitive Optical Time Domain Reflectrometer,简称Φ-OTDR)系统,设计了提高识别入侵事件准确率的算法,该算法与Φ-OTDR系统相结合,只需单芯光纤,就可实现不同位置多振动事件的探测与定位,最大监测距离长达50公里。本文围绕提高识别入侵事件准确率的算法问题,进行了相关的研究工作:1)分析了分布式光纤传感技术在周界安防监测中的应用,重点阐述了基于Φ-OTDR的周界安防监测系统识别入侵事件的原理。2)针对基于Φ-OTDR的周界安防监测系统识别入侵事件的技术难点,在前后时刻数据差值判断算法的基础上,设计了时间域单点振动判断、空间域相邻点振动判断、特征量峰值比例判断相互结合的算法;通过实验表明时间域单点振动判断与空间域相邻点振动判断相结合的算法能100%对入侵事件进行识别,准确率高、实时性好、定位稳定性高,并且适用于不同频率下的入侵事件识别。3)针对前后时刻数据差值判断、时间域单点振动判断算法中阈值设定的问题,提出了三种不同的阈值设定方法:统一阈值、数据拟合阈值、自适应均值阈值,实验表明自适应均值阈值的设定方法适用性最好。4)仿真了时间域单点振动判断与空间域相邻点振动判断相结合的算法的频率响应范围;为了对入侵事件所包含的频率信息进行识别,设计了频率识别算法,通过不同频率的振动实验,验证了该算法的有效性。5)研究了小波分析在Φ-OTDR系统中检测信号突变点、信号降噪中的应用;将频率识别算法提取出的频率信息,作为模式识别算法中的一个输入量,用于对不同模式的振动事件进行分类。

关键词：分布式光纤传感相位敏感光时域反射计入侵监测信号处理识别准确率阈值设定频率识别

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相位敏感光时域反射计识别入侵事件算法

光子学报 2015年第1期44卷 79-84页

作者：郑印段发阶涂勤昌韦波天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072 浙江中欣动力测控技术有限公司浙江宁波315010

在相位敏感光时域反射计识别入侵事件中,基于传统算法研究了时间域单点振动判断、空间域相邻点振动判断、特征量峰值比例判断相互结合的算法,并从算法的识别准确率、实时性、复杂性、定位稳定性等角度,衡量算法的优劣.实验验证发现,时... 详细信息

在相位敏感光时域反射计识别入侵事件中,基于传统算法研究了时间域单点振动判断、空间域相邻点振动判断、特征量峰值比例判断相互结合的算法,并从算法的识别准确率、实时性、复杂性、定位稳定性等角度,衡量算法的优劣.实验验证发现,时间域单点振动判断、空间域相邻点振动判断结合的算法识别入侵事件准确率最高,达100%,且实时性满足性能要求,算法简单,定位稳定性好.该算法在不同频率下振动事件中适用性较强,可为相位敏感光时域反射计应用于安防监测领域的信号处理部分提供参考.

关键词：光纤传感器相位敏感光时域反射计入侵监测信号处理识别准确率

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基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计

基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计

作者：袁泉南京大学

学位级别：硕士

相位敏感光时域反射计（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR）作为一种较新型的全分布式光纤传感技术,相比于其他光纤传感技术而言,具有较高的响应速度和灵敏度,能够探测到更加微弱的外界扰动事件,不仅可以实... 详细信息

相位敏感光时域反射计（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR）作为一种较新型的全分布式光纤传感技术,相比于其他光纤传感技术而言,具有较高的响应速度和灵敏度,能够探测到更加微弱的外界扰动事件,不仅可以实现对扰动事件的定位,还可以通过相位信息对外界扰动事件进行解调。Φ-OTDR利用背向传输的瑞利散射光,通过光纤中瑞利相干衰落效应进行传感,只要外界扰动事件引起了光纤长度上波长级别的变化,这个扰动信号就能被Φ-OTDR捕捉。因此Φ-OTDR系统灵敏度很高,常用于探测动态扰动事件、获取动态扰动事件的位置与频率信息。Φ-OTDR系统的灵敏度、动态范围等参数除了受到脉冲的影响之外,还与激光器的线宽、频率稳定性等参数密切相关。Φ-OTDR中使用的窄线宽激光器,如果频率漂移严重,就会导致其曲线发生畸变,不仅降低了信噪比,也会使得整个系统丧失对低频事件以及弱扰动事件的感测能力。针对上述Φ-OTDR的不足之处,本文提出了两种方案,通过改进传统的Φ-OTDR来克服上述问题。同时,通过对激光器的频率漂移进行模拟,探究了激光器频率漂移与由此导致的漂移相位之间的关系。1.提出一种基于马赫—曾德尔干涉仪（MZI）的Φ-OTDR激光器频率漂移补偿系统。通过在Φ-OTDR中引入具有特定光程差的时延光纤和连接光纤,形成一个具有固定臂长差的MZI作为激光器频率监测和频率漂移补偿模块。对系统中MZI的信号强度及其相位信息进行解调,计算出由激光器频率漂移引起的相位变化,通过相位补偿,消除激光器频率漂移对Φ-OTDR传感性能的影响,从而可以实现对Φ-OTDR系统稳定性的直接判断和对原始振动信号的准确恢复,有利于提高系统可靠性。2.提出了一种基于二次相位作差消除Φ-OTDR中频率漂移的方法。在不改变原有传感系统结构的前提下,通过在振动区域或者非振动区域中选取与待补偿信号相同间隔的两个点,利用两点之间的相位差来表征激光器频率漂移的变化,将这个相位差与待补偿信号进行再次作差就可以消除由于激光器频率漂移引起的相位变化。从而消除激光器频率漂移对Φ-OTDR系统传感性能的影响,实现对振动事件的精确恢复,提高系统可靠性。该算法计算简单,可以实现对激光器频率漂移的实时补偿。3.通过模拟探究了线性激光器频率漂移与输出相位之间的关系,在10m光纤长度上通过改变散射点密度、频率漂移的速度,进一步对上述两种激光器频率漂移补偿方法的效果进行了分析。实验中采用的传感光纤长度为6 km,振动信号通过任意函数发生器驱动压电陶瓷施加在传感光纤5km处。通过上述激光器频率漂移补偿方案,可以准确恢复出频率为0.05Hz、振幅为5.89nε的振动信号。实验表明上述两种方案均可以有效改善波形畸变、提高Φ-OTDR系统整体传感性能及其探测能力和系统灵敏度。

关键词：光纤传感相位敏感光时域反射计激光器频率漂移补偿恢复

融合光栅型相位敏感光时域反射计及其定量解调研究

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融合光栅型相位敏感光时域反射计及其定量解调研究

作者：刘涛南京大学

学位级别：硕士

分布式光纤传感技术是一种以光纤同时作为传输媒介和敏感元件的新型传感技术,与传统的传感器相比,具有诸多突出的优点,比如重量轻、抗电磁干扰能力强以及能够进行全分布式传感等。相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是光纤传感器中的后起之... 详细信息

分布式光纤传感技术是一种以光纤同时作为传输媒介和敏感元件的新型传感技术,与传统的传感器相比,具有诸多突出的优点,比如重量轻、抗电磁干扰能力强以及能够进行全分布式传感等。相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是光纤传感器中的后起之秀,除了具备一般光纤传感器的优点外,还兼具灵敏度高,响应速度快的特点,适用于微弱扰动测量、动态测量,已经在许多重要场合得到了应用。然而,Φ-OTDR仍然存在着一些不足之处:首先,Φ-OTDR利用光纤中的背向瑞利散射作为信号光进行传感,但此信号非常微弱,在直接探测的结构下,需要使用具有极高增益的雪崩光电探测器才能够检测到。在很多情况下,信号处理过程中需要使用数字平均等方法来提升信噪比,但是在对信号作平均处理后,系统的最高频率响应会随之降低。其次,Φ-OTDR曲线上每个位置的功率与施加在其上的应变不存在一一对应的关系,从功率信号难以直接得到光纤上的应变情况。针对传统的Φ-OTDR系统中有效信号较弱,振动高频响应受信号信噪比限制的问题,本文提出了融合极弱反射光栅的双脉冲Φ-OTDR系统。本系统中,将反射率相等的极弱反射光栅阵列以等间距写入传感光纤,用以产生功率较高而且稳定的反射信号来代替光纤中的瑞利散射,从而获取较高的信噪比,提升信号质量。在测量方案上,改用双脉冲作为探测脉冲,控制双脉冲的间距使前后脉冲在相邻的两个光栅处的反射光向回传输的同时恰好能够叠加干涉,这样便可以实现分布式传感。由于系统本身具有较高的信噪比,所以可以不通过数字平均等处理方法而直接使用原始信号进行扰动判断,最高频率响应可以接近由光纤长度限制的极限。双脉冲Φ-OTDR系统可以实现扰动的定位以及扰动频率的测量,但无法直接恢复出扰动的幅度等信息,并且功率信号容易出现倍频,直接从频谱来看,无法区分其是否为扰动信号本身的特性。针对双脉冲Φ-OTDR系统只能实现定性测量的问题,本文后续对系统进行了改进,加入了本地参考光将探测方式改为相干探测。由于探测脉冲为双脉冲,可以直接通过功率信号对扰动进行定位,使后期的数据处理量大幅缩减。实验中对多种形式的振动信号进行了测试,结果表明本方法都能够精确地将振动信号恢复,在最后,使用二次作差的方式,消除了激光器频率漂移对信号造成的不利影响,实现了低频振动的测量。

关键词：相位敏感光时域反射计光纤传感双脉冲极弱反射光栅阵列低频信号测量

相位敏感光时域反射计实现兆赫兹分布式振动检测

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中国激光 2017年第11期44卷 283-283页

作者：王照勇叶青卢斌郑汉荣王校梁嘉靖李鲁川蔡海文瞿荣辉方祖捷中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心上海201800

相位敏感光时域反射计技术在周界安防、铁路安全检测等领域发挥着非常重要的作用。1993年，Taylor提出了这一技术，实现了高灵敏度的分布式光纤振动实时检测。直至2010年，该技术的响应带宽才受到研究人员的关注。Bao课题组采用相干探... 详细信息

相位敏感光时域反射计技术在周界安防、铁路安全检测等领域发挥着非常重要的作用。1993年，Taylor提出了这一技术，实现了高灵敏度的分布式光纤振动实时检测。直至2010年，该技术的响应带宽才受到研究人员的关注。Bao课题组采用相干探测技术和滑动平均技术提升信噪比，最大频率响应达到1kHz，传感光纤长度约为1．2km。2013年Martins等利用半导体光放大技术在1．25km传感光纤长度下实现了39．5kHz超声波检测。

关键词：相位敏感光时域反射计振动检测