相位敏感光时域反射分布式光纤传感技术

由于散射光的相位变化对外部扰动极其敏感,相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术具有高响应速度、超高灵敏等特点。相比现有的其他分布式光纤传感技术,Φ-OTDR技术在环境适应性与光缆布设的便捷性方面有明显的优势。本文介绍Φ-OTDR系统的原理、结构、性能及应用情况,并对其发展趋势进行展望。     

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

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。     

基于3×3迈克耳孙干涉仪的四路检测相位解调Φ-OTDR

相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)中使用相干性较好的窄线宽光源,因传感光纤中光脉冲产生的散射光发生干涉,故可利用干涉光的变化检测外界扰动,检测灵敏度较高。但传统的幅度检测Φ-OTDR的结果难以实现定量检测,需要进行相位解调。基于3×3迈克耳孙干涉仪的相位解调系统是一种较好的解调方案,但直接解调的结果存在空间分辨能力小于传统幅度检测Φ-OTDR的问题。采用四路检测方法来保持Φ-OTDR的空间分辨能力,只需在系统结构中增加一路检测。同时考虑到窄线宽光源产生的脉冲内干涉对解调造成的不利影响,在提出四路检测相位解调Φ-OTDR的基础上,从瑞利后向散射光的角度对基于3×3迈克耳孙干涉仪的相位解调Φ-OTDR进行分析,并通过实验进行验证。完成了对5km传感光纤上扰动信号的定量检测,检测线性度为0.9956,解调相位的幅度达到31.85rad,解调系统的空间分辨率与传统的幅度检测Φ-OTDR相同。     

分布式光纤超声传感器用于检测电缆接头放电故障

光纤传感技术的长距离传输和分布式检测的优势在电缆线路的状态监测领域具有很大的应用价值。利用相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)对电缆接头故障诊断中的局部放电进行研究。瑞利散射相干光信号具有随机特性,其方差变量可作为弱小超声信号的检测量。在电缆局部放电实验中,将5个光纤环传感器绕制在电缆接头上特定的超声监测点,以此来验证Φ-OTDR系统的分布式定位检测能力。实验同时对比了局部放电的电测法和光纤声测法的信号特征,并利用压电传感器来校正5个光纤环传感器的位置,以验证Φ-OTDR分布式光纤超声传感器在局部放电测量中的特性。     

基于ф-OTDR和POTDR结合的分布式光纤微扰传感系统

提出了一种ф-OTDR和POTDR相结合的分布式光纤微扰传感系统.该系统将窄线宽DFB激光器作为传感光源同时应用到ф-OTDR和POTDR中,在不增加成本的前提下使两种系统合为一体,可同时检测传输光脉冲的相位和偏振态的变化,并使它们并行运行以提高传感系统对微扰远程定位检测的准确度,从而大幅减小误判率和漏报率.同时采用小波分析的方法来降低传感信号的噪音以进行后续的处理.实验结果表明,传感系统在14 km处获得具有较高信噪比的扰动信号,同时系统的空间分辨率也达到了50 m.     

基于-OTDR和POTDR结合的分布式光纤微扰传感系统

提出了一种-OTDR和POTDR相结合的分布式光纤微扰传感系统.该系统将窄线宽DFB激光器作为传感光源同时应用到-OTDR和POTDR中,在不增加成本的前提下使两种系统合为一体,可同时检测传输光脉冲的相位和偏振态的变化,并使它们并行运行以提高传感系统对微扰远程定位检测的准确度,从而大幅减小误判率和漏报率.同时采用小波分析的方法来降低传感信号的噪音以进行后续的处理.实验结果表明,传感系统在14 km处获得具有较高信噪比的扰动信号,同时系统的空间分辨率也达到了50 m.     

Φ-OTDR光纤预警系统的周界安防入侵定位

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。     

匹配干涉结构对远程光纤传感系统噪声的影响

研究了采用内调制相位产生载波（PGC）解调的匹配干涉型光纤传感系统中匹配干涉结构对传输光纤拾音噪声的影响。结果表明：当补偿干涉仪与传感部分相邻时,光学微分效应的作用可大幅度降低由传输光纤光路拾音引入的相位调制噪声;匹配光程差的增加不仅加剧了光频噪声向相位噪声的转换,同时也会影响相位调制噪声的转换幅度。通过设计合适的匹配光程差,并将补偿干涉仪进行有效屏蔽后与传感部分相邻放置,可以有效减小系统的相位噪声。研究成果为光纤传感远程传输系统的综合设计及噪声抑制技术提供了理论及实验基础,具有一定的参考意义。     

一种新型智能化远距光纤预警的算法研究

提出一种新型智能化长距离光纤预警系统,研究了该系统在真实工作环境下的预测准确性。该预警系统主要分为分布式传感和信号识别两个部分,其中相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术用于系统的分布式传感部分,而神经网络技术用于信号识别部分,以对入侵事件进行识别和分类。在信号识别部分创新地提出了一种改进型神经网络结构,并使用基于小波包分解的神经网络和具有三个隐藏层的神经网络等其他两种方法进行效果对比。最后,通过三次不同的实验,探究了系统的识别准确性。结果表明,基于改进型神经网络的光纤预警系统在入侵事件识别方面具有优良的分类效果,平均识别率达到95%以上。     

基于法拉第旋镜的干涉型光纤传感系统偏振相位噪声特性研究

偏振诱导信号衰落现象的抑制是干涉型光纤传感系统的关键技术之一. 针对法拉第旋镜(FRM)法抑制偏振诱导信号衰落技术的残留偏振相位噪声问题进行了深入的理论和实验研究. 运用琼斯矩阵法建立了基于法拉第旋镜的干涉型光纤传感系统偏振相位噪声的理论模型; 分析了影响系统偏振相位噪声的主要原因: 法拉第旋镜的旋光角度偏差、入射光偏振态调制度、干涉仪两臂光纤双折射; 提出了相应的抑制偏振相位噪声的方法. 详细仿真分析了入射光偏振态调制度对干涉型光纤传感系统偏振相位噪声的影响, 仿真分析得出若法拉第旋镜旋光角度偏差为最大工艺制造误差1°, 当入射光偏振态调制度为1.84 rad时, 系统可能出现的最大偏振相位噪声为0.0815 rad. 最后, 搭建了基于M-Z型偏振态调制器的偏振相位噪声测试系统, 测试了在传输光纤受到外界偏振扰动的情况下, 干涉传感系统存在的偏振相位噪声, 实验测试结果与理论分析结果基本一致, 有力地证明了该偏振相位噪声理论分析模型的正确性.     

卫星光通信中恒星背景噪声分析及抑制方法研究

建立了以恒星目视星等、等效温度为参数的恒星辐射谱模型,使利用恒星数据库进行背景噪声分析变得更加简捷。在此基础之上,分析了恒星自身特点及卫星光通信终端参数对背景噪声的抑制能力,提出并定义了抑制参数Ψ,以评价卫星光通信系统的抗噪性能;同时考虑背景噪声光功率对卫星光通信的影响,给出了补偿方法;分析结果表明,通过提高CCD采样频率、降低光学系统带宽等方法,可以有效地减少恒星噪点,降低恒星背景光对卫星光通信系统的影响。该项工作为进一步优化卫星光通信系统参数,提高其空间运行的稳定性打下了基础。     

分布式光纤中的稳健时间延迟估计方法

在分布式光纤传感系统定位中,传统时延估计算法常由于噪声相关性较强而失效。采用一种削弱相关噪声的改进型广义相关法,并针对系统特点,为进一步改善分布式光纤传感定位的准确度与稳定度,提出了一种先对数据按事件信号进行分帧,再采用卡尔曼滤波器对分帧时延估计结果进行跟踪的时延估计方案。系统仿真实验与实际数据测试结果均表明:提出的时延估计方案能够有效抑制强相关性的噪声,提高时延估计的准确度与稳定度。经大量现场测试,本文的方案能够有效地将时延估计误差稳定地控制在0.2个采样间隔以内,能够满足系统实际定位精度要求。     

光纤1/f热噪声的实验研究

光纤热噪声是限制光纤传感、测量系统性能的最终因素.但是低频区域呈1/f谱特性的光纤热噪声的形成机制迄今仍然存在争论.实验研究了光纤1/f热噪声水平与光纤内杂质离子浓度和光纤施加张力的关系,验证了这类热噪声来源于光纤内部的机械耗散引起的长度自发抖动,符合热机械噪声的理论假设.     

光学频率梳非线性传输及其在相位噪声探测中的应用

光纤传递链路中相位噪声探测是基于光纤的精确射频标准传递系统中重要组成部分。为解决光纤链路相位噪声探测中节点反射干扰的问题, 本文基于广义非线性薛定谔方程, 理论上研究了窄带光学频率梳在色散位移光纤中的非线性光学传播特性。在理论分析的基础上, 结合密集波分复用架构, 提出了一种基于锁模光学频率梳进行光纤传递射频信号的相位噪声探测新技术, 克服了节点反射干扰, 给出了初步实验验证。     

基于光纤的光学频率传递研究

随着光钟研究的发展, 光钟的稳定度和不确定度均达到10^-18量级. 通过光纤可以实现光钟频率信号的高精度传输, 有望用于未来“秒”定义的复现. 演示了百公里级实验室光纤上的光学频率传递. 对于在实验室70 km光纤盘上实现的光频传递, 光纤相位噪声抑制在1-250 Hz傅里叶频率范围内均接近于光纤延时极限, 对应传输稳定度(Allan偏差)为秒级稳定度1.2×10^-15, 10000 s稳定度为1.4×10^-18. 实验室100 km光纤的光频传递秒级稳定度也达到了5×10^-15. 提出了光纤噪声用户端补偿的方案, 可以简化星形传递网络中心站的复杂度. 在25 km光纤上演示了该传递方案, 实现的传输稳定度接近传统前置补偿传递方案.     

Multistage gain-flattened hybrid optical amplifier at reduced wavelength spacing

In this paper, two stage hybrid optical amplifier (HOA) composed of a single erbium doped fiber amplifier and Raman amplifier is proposed for dense wavelength division multiplexed (DWDM) system and investigate the impact of reduced channel spacing. The performance has been evaluated in the term of gain, gain flatness and noise figure. Also, using gain equalization technique, hybrid optical amplifier that has a gain flatness of 3 dB, and a noise figure of less than 7.4 dB is observed.     

Performance Enhancement for Optical Fast Frequency-hopping CDMA Systems by BCH Channel Coding

In this paper, the impact of optical beat noise on the performance of optical fast frequency-hopping code-division multiple-access (FFH OCDMA) networks is analyzed. BCH/FFH-OCDMA to reduce the impact of optical beat noise is proposed. It is shown that, BCH/FFH-OCDMA has much better performance under the same bit rate, same chip time and same number of available wavelengths. Another advantage for BCH/FFH-OCDMA is that the code length of one-coincidence sequence will be shorter, which can greatly reduce the difficulty of fabrication for fiber gratings.     

基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪

报道了一种基于双向拉曼放大延长相位敏感光时域反射仪分布式光纤传感系统传感距离的方法.利用双向拉曼抽运对信号光进行拉曼放大, 补偿了光纤传输损耗.实验表明, 该方法提高了整个传感光纤上信号光的分布均匀性, 实现了74 km的超长传感距离和20 m的空间分辨率, 同时, 试验了不同信号光入纤功率和抽运功率对基于双向拉曼放大的相位敏感光时域反射仪系统的影响. 关键词： 相位敏感光时域反射仪 分布式光纤传感 拉曼放大     

Analysis of chromatic dispersion effect on coherent optical CPFSK system and performance improvement with the use of combinations of various optical fibers

The performance of a coherent optical continuous-phase frequency shift keying (CPFSK) system is evaluated theoretically including the combined effect of fiber chromatic dispersion, non-zero laser line width and receiver noises. The system limitations imposed by chromatic dispersion and laser phase noise are depicted. The system performance can be improved by shifting the zero-dispersion wavelength to the operating wavelength of the system and this shifting can be achieved efficiently by using a suitable combination of different types of optical fibers. Dispersion shifting characteristics are demonstrated using four kinds of fibers, namely: standard single-mode fiber (SMF), dispersion shifted fiber (DSF), dispersion compensated fiber (DCF) and large core fiber (LCF). The effect of dispersion shifting on the system performance is evaluated in terms of transmission distance and bit rate.