相位敏感光时域反射仪研究和应用进展

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。     

基于Φ-OTDR的光纤准分布式氢泄漏监测

为了有效监测氢气管道的氢泄漏,该文提出了一种基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR）的准分布式氢泄漏实时在线监测系统。首先去除单模光纤包层,接着在去除包层的光纤表面采用化学镀膜法镀上对氢气敏感的钯膜,其次在钯膜表面涂上一层疏水溶胶,然后将涂覆有疏水溶胶的氢敏光纤安装在聚四氟乙烯槽中,最后采用Φ-OTDR分布式氢传感系统对氢气管道氢泄漏进行监测。结果表明,光纤Φ-OTDR分布式氢传感系统能准确地对氢气管道周界氢浓度的微小变化做出快速响应,响应时间为60 s,位置分辨率达到50 mm,氢气浓度检测下限达到1 000×10-6。研究结果表明,基于光纤Φ-OTDR的测量系统能对长距离、大范围内的氢气管道氢泄漏进行准确检测。     

基于Φ-OTDR的光纤入侵传感器系统的原理及研究进展

介绍了相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的工作原理,以及利用此原理的光纤入侵传感器系统的应用研究情况,包括实验室模拟结果、实地测试的结果、数据处理、以及空间分辨率和监测范围。总结比较了Φ-OTDR传感器系统与常规瑞利0TDR传感器系统的差异,并指出Φ-OTDR传感器系统优缺点及发展趋势。     

Φ-OTDR分布式光纤传感系统的关键技术研究

提出了一种基于Φ-OTDR(相位敏感光时域反射计)技术的Φ-OTDR分布式光纤振动传感技术,该技术能够方便地进行入侵定位。介绍了Φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的传感机理,论述了光纤传感采集系统的硬件和软件设计。试验结果表明,该系统可对通信光缆不同位置的入侵事件自动识别预警,显示险情位置,测量距离大于60km,定位精度10m。     

基于弱光栅阵列低成本大长周界系统及其报警机制

基于弱光栅阵列技术和相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)设计了一种低成本大长周界安防系统。系统利用光栅位置和时分复用技术实现对振动点的定位,依据光栅反射的回光与其两侧光纤的背向瑞利散射光相干涉的原理,解调得到的振动信号信噪比约为30 dB。使用光栅间距为5 m的光缆进行频率为10～90 Hz的振动解调测试,解调结果显示,系统具有优秀的频率响应特性。同时,对周界安防报警系统的报警算法进行了测试,测试结果表明,该系统的误报率在10%以内,漏报率为0。此系统探测长度可达50 km,远长于现有的光纤周界产品,而且解调方式简单、成本较低,具有广阔的应用前景。     

基于Φ-OTDR的光纤传感技术原理及其应用现状

相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)由于其出色的综合性能而成为目前主流的分布式光纤振动监测方法之一。文章在介绍背向瑞利散射的基础上详细分析了Φ-OTDR系统的传感机理,并对Φ-OTDR系统的空间分辨率、动态范围和灵敏度等关键性能指标及其影响因素和提高方法进行了系统分析,为Φ-OTDR系统实际应用时参数的选择和性能优化提供参考。在此基础上,针对现阶段Φ-OTDR技术在海底电缆、周界防护等领域的应用进行了综述,指出了Φ-OTDR技术存在的一些不足,并对其发展前景进行了总结与展望。     

基于脉冲调制的Φ-OTDR研究综述

基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的分布式光纤振动传感系统向传感光纤中注入探测光脉冲,通过测量光脉冲传输过程中产生的背向瑞利散射光的波动实现对入侵扰动的识别和定位,故探测光脉冲对Φ-OTDR系统性能有重要影响。介绍了Φ-OTDR基于光脉冲调制方面的研究进展,其中包括光脉冲的宽度、频率、形状以及消光比等参数对Φ-OTDR系统性能影响机理,以及通过脉冲调制优化Φ-OTDR系统信噪比、报警率、空间分辨率、响应带宽等参数以及恢复振动信号波形方面的研究进展。旨在通过光脉冲调制实现Φ-OTDR系统多项性能指标同步提升提供新思路,进一步推动Φ-OTDR的工程应用。     

基于无人机视频联动的分布式光纤传感周界安防系统

本文构建一种基于双马赫曾德干涉仪的分布式光 纤传感技术周界安防监控系统和基于 四旋翼无人机具有视频跟踪功能的智能视频联动于一体的综合系统。该系统采用分布式光纤 扰动传感技术与无人机技术进行融合,分布式光纤传感技术基于双路马赫曾德干涉仪,利用 正反两路信号时延差进行定位;无人机为四旋翼无人机搭载ODROID机载计算机进行视频处理 。其中扰动传感系统监测各种入侵行为,并对信号处理对入侵进行定位,并发出报警信息。 无人机进行视频联动,无人机利用其“上帝视角”进行对入侵位置勘查,监测入侵行为,并 对入侵者进行实时跟踪。摄录入侵视频,并将其视频传输到终端。本过程,全程智能化、自 动化。经过实验测试,该系统定位精度能达到10m,四旋翼无人机飞行稳定,响应速度快, 全程自动摄录、自动返航,并能将摄录的视频实时传输给客户端。测试结果表明系统能够有 效实现对入侵的检测与定位,并能与无人机实现视频联动功能。本系统将分布式光纤传感技 术和智能无人机视频联动技术相融合,构成混合式智能型周界安防监控系统。     

定位型超远程全光纤周界安防系统

基于Φ-光时域反射计提出了一种超远程定位型全光纤周界安防系统方案。该传感器利用Φ-光时域反射计的干涉机理,从光纤中不同部分反射回来的瑞利散射光发生干涉,同时采用在分布式光纤传感器的多段传感光缆之间嵌入多级光中继放大传感装置。利用中继放大传感装置的增益克服了光纤损耗,增强了光纤中自发瑞利散射光的强度,传感光缆分段进行测量。当在多段传感光缆之间引入N个远程光中继放大传感装置进行级联时,可实现分布式光纤传感器的N×L(L为每段传感光纤长度)超远程监测。     

基于CVMD和DBO-SVM的光纤周界安防信号识别方法

为降低光纤周界安防信号中噪声对分类结果的影响,提升信号分类的准确率和运行效率,提出一种融合了相关变分模态分解(Correlation Variational Mode Decomposition, CVMD)、蜣螂算法(Dung Beetle Optimizer, DBO)和支持向量机(Support Vector Machine, SVM)的分类方法。利用CVMD去除原始信号中的噪声分量,并提取去噪后信号的能量、能量熵和峭度作为特征向量。采用DBO算法优化SVM,得到最佳惩罚因子和核函数参数,并构建DBO-SVM分类模型。搭建了基于相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术的周界安防系统,采集了攀爬、敲击、踩踏和无入侵四类信号。实验结果表明,CVMD-DBO-SVM的分类准确率相比CVMD-PSO-SVM和CVMD-GA-SVM更高,达到了98.75%,同时运行时间更短,综合性能最优。     

改进的D-S证据理论在Φ-OTDR三路监测系统中的应用

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严重的误警问题,在Φ-OTDR多路监测系统方案的基础上,提出了将改进的D-S证据理论应用于Φ-OTDR三路监测系统中以减少误警率.利用改进的D-S证据理论信息融合算法对每路输出数据进行融合,然后将融合结果与报警阈值相比较,判断是否发生报警.实验测试发现:基于改进的D-S证据理论的Φ-OTDR三路监测系统不仅在三路监测方案中能够正确判断扰动信号,还使得漏警率由3％降至1％,72 h内误警率由3.3％降至0％,提高了系统的报警性能.     

基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统研究现状

基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤扰动传感系统一直是扰动监测方面的研究热点。通过对比与传统光时域反射计(OTDR)的区别,介绍了Φ-OTDR传感系统的结构和工作原理。根据其发展动态,以提高传感距离和定位精度为目的,从Φ-OTDR系统结构的改进出发,分别论述了传统式、拉曼式、布里渊式和级联式四种典型的Φ-OTDR扰动传感系统的工作原理及研究现状,总结了各自的优缺点,为在实际应用中选择合适的系统结构提供了方向,最后展望了基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统的应用前景。     

基于Φ-OTDR+BP神经网络分类器的海缆防锚害系统模式识别

基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的分布式光纤振动探测是海缆锚害预警的重要防护手段。针对探测海缆锚害的入侵事件类型判别需求，提出将反向传播（BP）神经网络分类器应用于基于Φ-OTDR的海缆防锚害系统中，介绍了基于Φ-OTDR+BP神经网络分类器的海缆防锚害系统原理，采用信号时域特征和时频域特征作为特征向量，构建基于BP神经网络的分类器，实现了对入侵事件类型的判别。试验结果表明，分类器的模式识别准确率达到100%。     

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

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。     

基于迈克耳孙干涉和模式识别的全光纤周界安防系统

基于光纤迈克耳孙干涉仪和神经网络模式识别算法,设计并实现了一种新的防区型全光纤周界安防系统。采用偏振不敏感光纤迈克耳孙干涉仪作为周界入侵探测系统(PIDS)的振动传感器,降低了双折射效应导致的信号衰落,分析了传感光纤与物理围栏宿主材料间的应力应变关系对干涉信号相位变化的影响,并使用穿越统计(LC)和模式识别(PR)技术实现噪声抑制、行为分析和报警判决。实验证明,系统可以对入侵和干扰行为的原始干涉信号进行LC分析和特征提取,最小响应时间为0.5s,通过神经网络训练生成行为模式,并可通过动态均值算法(DMA)有效抑制雨致噪声和其他环境噪声。实现了低成本、高可靠性和高实用性的全光纤周界安防系统。     

基于多传感器的周界入侵检测系统设计与实现

针对传统的周界安防检测手段单一,易受天气、地形、环境影响,虚警率、漏报率过高等缺点,文章设计并实现了一种基于多传感器的周界入侵检测系统。主要从系统的组成、周界入侵识别、入侵分类、入侵定位、入侵报警等方面进行阐述,并对信号的时域和频域特征值进行了详细的分析。理论分析与仿真结果表明,基于多传感器的周界入侵检测系统可以有效的进行入侵识别,与传统设计方案相比,该入侵检测系统在漏报率和虚警率等系统性能上都有较大的改善。     

基于脉冲电子围栏与图像传感器的周界防范系统设计

针对日趋严峻的周界安防现状,提出一种基于脉冲电子围栏与图像传感器的周界防范系统设计,不受地形,气候的影响,可部署在长距离周界上,对入侵行为实施有效阻拦,并将报警信息及现场实时图片上传监控中心,实现长距离的信息通信。对于周界沿线一些无电区域,采用电源自供方案。系统极大的提高了入侵检测的准确性与可靠性,解决了传统的周界防范报警系统误报、漏报率高的弊端,能有效地减少入侵事件的发生,对刑事、民事案件的发生起到积极防范作用。     

基于时频特征的光纤周界入侵振动信号识别与定位

针对光纤周界安防系统入侵信号的非线性、非平稳性和间歇性等特点,提出了一种时域与频域特征相结合的方法,对光纤周界安防系统入侵振动信号进行识别与定位。采用计算嵌入维数方法,确定信号的最小分帧长度,因而能够较好地保留信号时间序列内在的动力学特性;提出了对入侵振动信号两级判定识别方法,利用短时能量和短时平均过零率特征来判断是否有振动信号产生,依据振动信号各层小波系数的能量分布特点来识别入侵信号,该方法有效地降低了周界安防系统的漏识率和误识率;为提高入侵信号定位的准确性,采用小波域贝叶斯自适应阈值对入侵信号作降噪处理,将重建的信号转换到频率域来确定入侵信号的位置。通过实验验证了所提方法的有效性。     

全同FBG振动传感器在周界安防系统中的应用

为了解决在周界安防系统中基于FBG振动传感器波分复用方式下传感单元数量受光源带宽和解调限制的问题,同时也为了延长周界安防距离、降低系统成本、提高系统效率,提出了"全同光纤布喇格光栅(FBG)振动传感器"的概念,论述了全同FBG振动传感器在周界安防系统中应用的可行性,设计了实验方案,搭建了试验装置并给出了实验结果。实验证明,两个波长基本相同的全同FBG振动传感器接入后的波长灵敏度会有不同程度的损失,实验中6种组合12种连接方式波长灵敏度大于20pm的有10种,实践证明,经过筛选可以达到实际应用的要求,全同FBG振动传感器在周界系统的应用不但可以提高系统的容量,而且使FBG周界系统的成本大大降低,更具市场竞争力。     

基于FBG震动传感器的边境安防系统研究

周界安防系统是重要区域和设施的第一道防线, 高性能的安防技术可以消除或减少外 部的威胁。基于窄带光纤光栅波长选择反射原理,设计了一种高灵敏度的光纤光栅震动传 感器并利用相位载波调制解调技术实现对传感器震动信号高精度实时解调。震动传感器通过 地埋的布设方式,利用光纤光栅震动传感器波分、空分、时分的复用技术,实现在较长的光 纤布设长度内对突发事件进行远程和实时监控。进行了野外试验,试验证明,通过合理算法 分析传感器时变信号的能量谱和峭度等参数该系统可准确的识别70 m 内人员走动和200 m内车辆行驶。该系统可广泛应用于边境线、机场 、核场所等重要区域的周界安防中。