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Bend-tolerant fiber sensor based on botdr system

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Optoelectronics Letters 2022年第6期18卷 343-348页

作者： LI Yongqian FAN Haijun WANG Lei ZHANG Lixin LIU Ting Department of Electronic and Communication Engineering North China Electric Power UniversityBaoding 071003China Hebei Key Laboratory of Power Internet of Things Technology North China Electric Power UniversityBaoding 071003China Baoding Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Optical Communication Technology North China Electric Power UniversityBaoding 071003China

A simple and inexpensive sensing structure,single mode fiber(SMF)alignment fusion to 62.5μm stepped index-multimode fiber(SI-MMF),combined with Brillouin optical time domain reflectometry(botdr)system,is used as a distributed sensor in the field of structural safety and health monitoring(SSHM)of large infrastructures in terms of its prominent bending resistance.The bend loss principle and influencing factors of the fiber are analyzed,and the bending resistances of different fibers are discussed on the basis of theoretical and experimental comparisons.The bend-tolerant capacity and temperature sensing characteristics of the 5 km sensing structure are measured by using the self-developed frequency-shifted local heterodyne botdr system.The results show that the proposed sensing structure has excellent bend-tolerant capacity with a minimum bend radius and temperature measurement error of 1.25 mm and 0.69℃,respectively,which indicates that the proposed sensing structure has huge potential in the field of SSHM of large infrastructures.

关键词： fiber botdr system

Influence of laser wavelength instability,polarization fading and phase fluctuation on local heterodyne detection wavelength scanning botdr

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Optoelectronics Letters 2023年第4期19卷 200-204页

作者： LI Yongqian WANG Lei FAN Haijun Department of Electronic and Communication Engineering North China Electric Power UniversityBaoding 071003China Hebei Key Laboratory of Power Internet of Things Technology North China Electric Power UniversityBaoding 071003China Baoding Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Optical Communication Technology North China Electric Power UniversityBaoding 071003China

In this paper,the influence of laser wavelength instability,polarization fading and phase fluctuation on local heterodyne detection wavelength scanning Brillouin optical time domain reflectometer(WS-botdr)is theoretically analyzed,and a local heterodyne detection WS-botdr system is built for experimental verification.The experimental results show that with the increase of sensing distance,the adverse effect of laser wavelength instability,polarization fading and phase fluctuation on local heterodyne detection WS-botdr is gradually aggravated,which will lead to the broadening and distortion of the wavelength power spectrum(WPS),resulting in large errors in demodulated Brillouin central wavelength(BCW)and temperature.The average temperature measurement errors at the positions of 1 km,5 km,9 km non-heating section and 9.45 km heating section are 1.76℃,3.42℃,3.89℃and 4.3℃,respectively.

关键词： polarization botdr local

稀疏表示噪声抑制算法提升botdr系统信噪比的研究

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传感技术学报 2022年第6期35卷 763-768页

作者：崔宁刘丽王清琳白清王宇刘盺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山西太原030024 山西省交通科技研发有限公司山西太原030024

针对布里渊光时域反射仪(botdr)系统信噪比低的问题,利用三维布里渊增益谱(3D-BGS)内部存在的相似性及冗余性,提出基于稀疏表示的botdr信噪比提升算法。通过分析稀疏表示基本原理和3D-BGS的空间域相似性,可知随机噪声能够在稀疏重构过... 详细信息

针对布里渊光时域反射仪(botdr)系统信噪比低的问题,利用三维布里渊增益谱(3D-BGS)内部存在的相似性及冗余性,提出基于稀疏表示的botdr信噪比提升算法。通过分析稀疏表示基本原理和3D-BGS的空间域相似性,可知随机噪声能够在稀疏重构过程中作为残差被丢弃,阐明了降噪算法的可行性。利用离散余弦变换(DCT)构建初始字典,同时采用K-奇异值分解(K-SVD)和正交匹配追踪(OMP)算法进行字典及系数矩阵更新,进而实现三维布里渊增益谱(3D-BGS)的重构和降噪。仿真结果分析表明,当添加10 dBm高斯白噪声时,信噪比提升了5.26 dB。研究证明,稀疏表示算法为应用图像处理方法提高botdr系统信噪比供了新的思路及理论依据。

关键词：分布式光纤传感信噪比提升稀疏表示 botdr

Performance improvement of a self-heterodyne detection botdr system employing broad-band laser

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Optoelectronics Letters 2018年第5期14卷 325-330页

作者：李晓娟李永倩曾文献范寒柏张立欣 Institute of Information Technology Hebei University of Economics and BusinessShijiazhuang 050061China Department of Electronic and Communication Engineering North China Electric Power UniversityBaoding 071003China

The self-heterodyne detection Brillouin optical time domain reflectometer(botdr) system using broad-band laser is proposed to reduce coherent Rayleigh noise and improve the system performance. Compared with the system with narrow-band laser, the stimulated Brillouin scattering(SBS) threshold can be improved by about 3 dB. The experimental results of the narrow-band laser measurements for three times independently and the broad-band laser measurement for one time are compared. The root-mean-square(RMS) errors of Brillouin linewidth for two systems with narrow-band laser and broad-band laser are 6.9 MHz and 2.7 MHz, respectively, and the RM S errors of temperature for the heated fiber are about 1.3 °C and 0.7 °C. With the broad-band laser, signal-to-noise ratio(SNR) of the unheated fiber is approximately equivalent to that of the integrated three independent Brillouin signals for the narrow-band laser, and the results are believed to be beneficial for performance improvement and measurement time reduction.

关键词： botdr 宽带激光光纤维传感器表演系统分析测量反射计时间

基于稀疏表示的botdr系统噪声抑制方法研究

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基于稀疏表示的BOTDR系统噪声抑制方法研究

作者：崔宁太原理工大学

学位级别：硕士

botdr系统具有分布式传感、单端接入、抗电磁干扰等优点,广泛应用于安全监测、灾害预警等工程领域。然而,botdr系统检测的是强度极弱的自发布里渊散射信号,具有信噪比低的固有缺陷。同时,在工程实践过程中,当传感光缆铺设于野外恶劣环... 详细信息

botdr系统具有分布式传感、单端接入、抗电磁干扰等优点,广泛应用于安全监测、灾害预警等工程领域。然而,botdr系统检测的是强度极弱的自发布里渊散射信号,具有信噪比低的固有缺陷。同时,在工程实践过程中,当传感光缆铺设于野外恶劣环境区域时,光纤衰减较大,进一步降低了系统信噪比。因此,提升botdr系统的信噪比成为botdr系统性能提升过程中亟待解决的关键问题,具有重要的理论意义和实用价值。本文提出利用数字图像处理领域的稀疏表示方法对botdr系统进行噪声抑制,开展了一系列的理论研究和实验分析,具体研究内容如下:(1)研究光纤中布里渊散射产生机制及botdr传感机理,讨论botdr系统主要噪声来源,分析数字图像处理算法用于botdr噪声抑制的工作机理,提出了基于稀疏表示算法的botdr降噪方案。进一步,阐述稀疏表示算法降噪基本原理,定义算法降噪性能的衡量标准,研究预构型及学习型字典设计方法及OMP系数矩阵提取算法,为后续进行模拟仿真及实验研究奠定了理论基础。(2)设计预构型字典和学习型字典的稀疏表示算法的整体方案,搭建botdr仿真系统,使用基于预构型字典的稀疏表示算法对仿真数据进行降噪处理,将变温区BFS曲线的波动范围由8.07MHz降至4.62MHz。使用基于学习型字典的稀疏表示算法对仿真数据进行降噪处理,在24.15km的距离范围内将RMSE曲线的波动范围由1.103MHz降至0.164MHz。在此基础上,对预构型字典和学习型字典的稀疏表示算法的仿真结果进行对比分析。(3)设计并搭建了botdr温度传感实验系统,采集实验数据并使用基于预构型字典和学习型字典的稀疏表示算法对实验数据进行降噪处理。在此基础上,对比分析预构型字典和学习型字典的稀疏表示算法对实验数据的降噪性能,定量测试学习型字典的稀疏表示算法的降噪性能。实验结果表明,学习型字典的稀疏表示算法对40-80℃的数据均能有效降噪,测量精度最高由±3.35℃升至±0.59℃,对光纤末端的信噪比提升为8.44d B。

关键词： botdr 光纤传感噪声抑制稀疏表示

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botdr技术在边坡表面变形监测中的应用

吉林大学学报（地球科学版） 2011年第3期41卷 777-783页

作者：刘永莉尚岳全于洋浙江大学建筑工程学院杭州310027

针对普通监测手段和技术应用上的不足,采用botdr技术监测坡体表面变形发展。分析了监测实施过程中光纤传感器的固定及温度补偿问题,介绍了botdr在浙江省龙丽高速公路官家滑坡中的铺设手段。根据官家滑坡的工程环境特点,在坡体上采用植... 详细信息

针对普通监测手段和技术应用上的不足,采用botdr技术监测坡体表面变形发展。分析了监测实施过程中光纤传感器的固定及温度补偿问题,介绍了botdr在浙江省龙丽高速公路官家滑坡中的铺设手段。根据官家滑坡的工程环境特点,在坡体上采用植入式固定方式;前缘坡面布设光纤时,引入准分布式监测理念,使用专用夹具定点固定光纤。现场监测结果表明:植入式固定方式,宜选用外径较小的紧套光纤,能使其较好地保持同步协调变形,且光纤因护套影响小而灵敏性较高;定点固定方式,易选用外径较大的光纤,适宜于坡面监测环境。植入式固定方式,若坡体内温度场变化较小,可不进行温度补偿;若坡面温度变化较大,可选取与监测环境温度场相似区布设松套光纤进行温度补偿。对监测过程中实施光纤的固定及温度补偿手段进行了改进讨论。

关键词：边坡变形 botdr 监测固定同步协调变形温度补偿

基于botdr监测技术抗滑桩上滑坡推力确定

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浙江大学学报（工学版） 2012年第5期46卷 798-803页

作者：刘永莉孙红月于洋詹伟尚岳全浙江大学土木工程系浙江杭州310027 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 浙江大学海洋科学与工程学系浙江杭州310027

针对目前滑坡推力确定方法研究中存在的问题及滑坡推力特征监测的要求,提出基于botdr监测数据确定滑坡推力的计算分析方法.通过在抗滑桩桩体内布置光纤传感器,监测抗滑桩在滑坡推力作用下的连续变形;应用抗滑桩桩身应变、弯矩及抗滑桩... 详细信息

针对目前滑坡推力确定方法研究中存在的问题及滑坡推力特征监测的要求,提出基于botdr监测数据确定滑坡推力的计算分析方法.通过在抗滑桩桩体内布置光纤传感器,监测抗滑桩在滑坡推力作用下的连续变形;应用抗滑桩桩身应变、弯矩及抗滑桩受力之间的函数关系,计算作用在抗滑桩上的水平推力.结果表明:利用BOT-DR监测数据不但能够确定抗滑桩上作用滑坡推力的分布形式和大小,还能确定整个抗滑桩上的受力及滑面埋深.依据计算结果分析,同一排抗滑桩上的滑坡推力分布具有明显的分段特征,滑坡推力分布形式差别较大,靠近滑坡主轴线的中心段,滑坡推力最大,分布近似抛物线形;边缘段滑坡推力作用最弱,从边缘至中心段滑坡推力方向发生了偏转.

关键词：抗滑桩滑坡推力 botdr 监测分布形式

基于botdr深基坑工程地下连续墙变形监测应用研究

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工程勘察 2022年第4期50卷 25-30,66页

作者：代亮王兴南京大学地球科学与工程学院南京210023 南京大学(苏州)高新技术研究院江苏苏州215123 苏州南智传感科技有限公司江苏苏州215123

分布式光纤监测技术应用到基坑支护墙体的变形监测中可弥补传统监测方式实时性差、智能化程度低等缺点。本文介绍了基于botdr的光纤感测技术对基坑支护体系地下连续墙的变形监测的传感光缆布设方法、变形计算原理,并对计算过程中产生的... 详细信息

分布式光纤监测技术应用到基坑支护墙体的变形监测中可弥补传统监测方式实时性差、智能化程度低等缺点。本文介绍了基于botdr的光纤感测技术对基坑支护体系地下连续墙的变形监测的传感光缆布设方法、变形计算原理,并对计算过程中产生的误差进行分析。分析结果显示,误差大小与支护墙体的深度、变形大小成正比,与两测线间的距离呈反比。研发了新型高强度应变传感光缆并将其应用于苏州地铁车站的基坑开挖过程引起的支护墙体变形监测中。监测结果表明:三级钢支撑可有效控制变形,该围护结构设计可行,地下连续墙变形在合理范围内;光纤数据与测斜管数据对比基本一致,说明了该计算方法的可行性。研究成果表明该方法可大规模应用于基坑开挖引起的地下连续墙变形实时预警监测。

关键词：深基坑工程地下连续墙变形 botdr

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管道应力危害botdr分布式光纤检测系统

传感技术学报 2018年第11期31卷 1775-1780页

作者：迟延光白清王宇王东张明江王磊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

针对长距离地下油气管道因地质沉降导致管道应力破坏的问题,提出了基于布里渊光时域反射(botdr)原理的分布式光纤应变检测方法。理论分析了油气管道受地质沉降产生应力变化的检测原理,设计了botdr分布式光纤应变检测系统。通过累加平均... 详细信息

针对长距离地下油气管道因地质沉降导致管道应力破坏的问题,提出了基于布里渊光时域反射(botdr)原理的分布式光纤应变检测方法。理论分析了油气管道受地质沉降产生应力变化的检测原理,设计了botdr分布式光纤应变检测系统。通过累加平均进行信号降噪处理,同时融合列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt)算法,改善系统测量精度。系统性能进行测试,结果表明,系统检测距离可达10 km,应变最大量程为8 500με,应变测量误差为±46με、重复性测量偏差为±36με,定位误差为±2 m,空间分辨率为1 m,满足对管道沿线受应力危害的预警需求。

关键词：应变检测管道安全 botdr 应力危害分布式光纤传感布里渊散射光时域反射