基于光纤Sagnac传感技术的结构冲击定位

冲击定位可为结构冲击损伤提供准确的位置信息。基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器存在解调频率低、需要训练样本等缺点,提出了一种利用光纤Sagnac传感技术实现结构冲击定位的方法。基于此方法的传感系统主要由宽带光源、光纤Sagnac干涉仪、光探测器以及数据采集与处理单元构成。当粘贴在结构表面的传感探头受到冲击应力波作用时,Sagnac干涉仪相位受到调制,从而导致输出的光强发生变化,通过光探测器将光信号转换为电压信号输出。首先,对传感系统采样的时域信号进行小波降噪和去直流干扰处理,再利用Db4小波包进行能量特征提取与信号重构,并获取应力波到达2端的传感器的时间,最后利用时差法进行冲击定位。为了验证该冲击载荷定位系统的有效性,对长度为100cm的钢管结构进行了35次低速冲击实验。结果表明,该方法可以有效地识别冲击位置,最大定位误差和最大均方根误差分别为0.65cm和0.36cm。研究结果可为结构冲击定位提供另外一种可靠的方法。     

一种用于光纤链路振动信号模式识别的规整化复合特征提取方法

相位光时域反射链路监测系统是一种利用光纤作为传感介质的传感系统, 能够监测、定位、识别入侵信号.模式识别模块是其重要组成部分, 实时智能区分安全扰动和危险入侵.本文提出一种用于光纤链路振动信号模式识别的复合特征提取方法.利用改进的双门限方法确定有效信号段的起止位置, 结合最大能量与最高信噪比挑选出采样周期内主要入侵扰动的特征段.综合利用特征段时域持续时间和小波包能量谱提取复合特征向量, 使用支持向量机进行模式识别.实验表明, 基于本文提出的规整化特征提取方法的模式识别准确率有了显著提高.     

基于时延估计的分布式光纤传感定位

提出了一种新型的基于Sagnac干涉仪的双向Sagnac分布式光纤传感器,可对传感光纤线路上的扰动进行检测与定位。阐述了该分布式光纤传感系统的组成和工作原理。利用基于最小均方(LMS)算法的自适应时延估计方法直接在时域上对扰动信号进行定位。理论分析和测试结果表明,该分布式光纤传感器能快速、有效地实现扰动信号的检测及定位。算法简单易实现,具有较高的测试灵敏度和定位精度,最大定位误差小于20m。     

新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究

介绍了一种基于萨尼亚克(Sagnac)干涉仪的直线型分布式光纤管道泄漏监测系统,实时进行管道泄漏监测和定位。此系统有两条传感光纤,可有效提高管道监测距离。推导了泄漏信号引起的光信号相位变化表达式;分析了该干涉仪应用于泄漏检测的原理及其泄漏源定位方法,并在分别距两传感光纤末端的法拉第旋转镜为3.990km和4.024 km处进行了泄漏检测实验。管道泄漏实验结果表明,该系统较准确地确定了泄漏源位置且定位误差小于1.05%.     

基于一维卷积神经网络的光纤周界入侵模式识别

针对干涉型分布式光纤传感系统,在通过Mel倒谱系数方法提取扰动信号频域特征进行模式识别的研究基础上,提出了一种基于一维卷积神经网络的光纤入侵模式识别方法。利用还原信号的分级阈值判断并提取入侵信号,有效减少了分帧方法导致的计算时间;构建了基于入侵信号傅里叶变换后的频域信息的一维卷积神经网络,自适应地提取扰动的信号频域特征。搭建了基于直线型Sagnac干涉结构的入侵检测系统,利用大量实验采集的样本数据集对网络进行训练,得到了较好的分类识别结果,测试集的平均识别率达到了96.5%,并对训练后网络的卷积核以及经过卷积核后的入侵信号进行了分析。zscore标准化后,一维卷积神经网络能够识别信号频域中的部分特征,对频率成分复杂的树枝拍打信号识别效果提升较大。     

基于电流内调制DFB激光器的高空间分辨率OFDR

针对光频域反射（OFDR）系统中光源调频非线性导致的传感单元定位误差、传感精度低、传感范围窄、系统适应性差等问题，提出了开环校正结合光电锁相环闭环校正电流内调制分布反馈式半导体（DFB）激光器的方法。该方法用于控制DFB激光器连续、快速、大范围频率扫描线性化，使其成为OFDR系统的优质光源，提高OFDR的分辨率。实验结果表明DFB激光器的扫频非线性度由16.55%下降至0.078%，拍频信号中心频率的功率提升了21.1 dB，探测范围由15 m提升至50 m，测量值与实际值的最大误差为3.79 mm，重复性测量的最大标准偏差为112.2μm。     

多点扰动对光纤分布式扰动传感器定位准确度的影响

基于激光干涉原理,建立了基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤分布式扰动传感器多点同时扰动的信号模型.在此基础上,通过数值模拟研究了多点同时扰动对传感器定位准确度的影响,明确了多个扰动信号同时作用时扰动的幅值比和位置差不同情况下传感器的定位准确度.仿真结果表明:当多点同时扰动的信号幅度差别大于等于20倍时,可以给出较强扰动的定位信息;当多点同时扰动的空间距离小于等于100m时,可以近似看成单点扰动.在光路中增加偏振分束器来抑制偏振衰落的影响,并采用信号发生器对实验光路中的两个压电换能器同时施加正弦信号来模拟扰动进行实验.实验结果表明:在5km和10km的位置同时施加扰动,当两个扰动的幅值比大于等于20时,距离较强扰动点的最大定位误差的最大值为200m;在5km和5.05km位置同时施加幅值比为1的扰动,距离5km位置的最大定位误差为200m,验证了仿真结果的正确性.该研究为多点同时扰动条件下光纤分布式扰动传感器定位准确度的提高和误报率的降低提供了理论指导.     

基于外部时钟信号触发重采样的激光频率调制测距方法

对调频连续波激光测距技术进行改进,提出了触发重采样方法。在所提方法中,辅助信号先触发采集卡,然后对测量信号和辅助信号同时采样,再用采集到的辅助信号的极值点对测量信号进行重采样。实验结果表明:所提出的触发重采样方法的测量标准差最小可达到12μm。     

基于双Sagnac干涉仪的安全预警系统研究

针对长输管道的实时监测和周界的安全预警,建立基于双Sagnac干涉仪的分布式光纤传感安全预警系统,包括双Sagnac干涉仪的光路系统和基于LabVIEW平台的控制与检测软件。分析了管道破坏和周界入侵等产生的外界扰动信号对光相位信号的调制原理和利用频域幅值法的定位原理,并研究了脉冲扰动信号和连续扰动信号的过零数分布情况。基于以上原理,开发了报警算法、定位算法和外界扰动类型判别算法软件,并进行了实验研究。实验结果表明,该安全预警系统可实现外扰动的实时监测、定位和扰动类型判别功能,具有定位精度较高、运行稳定可靠、操作便捷等优点,在工程中具有良好的应用前景。     

基于环结构的新型分布式光纤振动传感系统

提出并验证了一种新颖的基于环形马赫-泽德干涉仪结构的全分布式光纤振动传感系统.采用直流光实时动态定位技术，通过在干涉仪光路中引入环结构，将直线型干涉仪转化为环型回路，使得一个马赫-泽德干涉仪中相向传输两路光波，相当于构成双马赫-泽德干涉仪.当振动信号作用于传感光纤时，相向传输的两路直流光同时产生相同的相位信号并沿不同的路径传输至光接收单元，采用数字信号处理技术分析接收信号即可实时获得振动的空间位置和频率、幅度等特性参数.实验中成功实现了监测距离为1.01km的分布式振动传感，单点振动的空间分辨率小于40m.另外，从理论上分析并模拟了系统对多点同时振动进行检测和定位的可行性.     

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。     

利用船舶噪声的自相关与倒谱联合估计多径时延

对2007南海试验中多个航路船舶噪声的自相关和倒谱特征进行了分析研究,结果发现:近距离处倒谱图中的时延峰曲线消失、自相关相对倒谱有更高的时延峰检测信干比。类似现象此前未见报道,说明在一定条件下采用单一自相关法或倒谱法均难于连续检测时延峰。为解决这一问题,首先应用射线声学理论结合数值仿真,解释了该试验现象的产生与“随距离减小,倒谱和自相关的时延峰绝对幅度分别减小和增大”的性质有关,进而提出了一种利用船舶噪声的自相关和倒谱联合估计多径时延的方法。海试数据处理结果表明:本文方法能够稳健地跟踪多径时延峰,有效地弥补传统单一自相关法和倒谱法的不足,对解决多径时延的连续估计问题有明显效果。      

浅海多径时延估计的功率谱加权自相关方法

针对浅海近距离时倒谱多径时延峰变弱难以提取的问题,提出了一种功率谱加权自相关多径时延估计方法。该方法采用FFT估计信号功率谱,对功率谱取1-α次幂(0<α<1),再进行IFFT变换,对其实部进行峰值检测获得多径时延估计。根据目标能量通过特性在正横前递增正横后递减的特点,在已检测时延前后一定区间内搜索下一个时延值,实现多径时延的自动提取.理论分析表明,多径时延估计的倒谱法与自相关法都可以看作功率谱加权自相关法的特例.海试数据处理与基于Bellhop射线模型的仿真计算表明,该方法在近距离时多径时延峰比倒谱法更清晰,输出信噪比提高了3~4 dB.采用该方法自动提取的海底反射多径时延用于单个水听器对目标距离的估计,与GPS测量距离基本相符,验证了方法的有效性.      

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.     

两阶段复数谱卷积循环网络立体声回声消除

提出了一种两阶段复数谱卷积循环网络(CRN)的立体声回声消除(SAEC)算法,该算法无需对立体声信号进行去相关,因而能够在保证立体声音质和空间感的同时,解决自适应滤波SAEC算法非唯一解问题。所提算法采用两个阶段进行回声消除,第一阶段根据传声器接收信号和参考信号估计回声信号,第二阶段将估计回声信号作为先验信息,联合传声器接收信号作为输入特征,估计近端语音。相对于单阶段CRN算法,该方法能够提高网络对回声和近端语音的区分度,有助于近端语音的提取。另外,网络的输入特征和训练目标均采用复数谱,降低了近端语音的相位估计误差,因而可以进一步提升算法性能。实验表明,基于两阶段复数谱CRN的SAEC算法在单端讲话时的回声抑制量和双端讲话时的语音质量都明显优于传统算法以及单阶段CRN算法。      

基于EMD-AWPP和HOSA-SVM算法的分布式光纤振动入侵信号的特征提取与识别

针对传统的信号处理方法无法有效区分不同振动入侵信号,提出一种基于EMD-AWPP和HOSA-SVM算法的振动信息特征提取与识别方法,用于解决分布式光纤振动入侵检测系统的高精度信号识别问题。处理不同振动类型时,该方法首先利用基于经验模态分解的自适应小波包处理算法,不仅对信号的低频部分进行了分解,而且对高频部分即信号的细节部分也进行了更好的时频局部化处理,改善了信号特征提取精度,减少传感信号异常值的影响; 其次采用高阶谱分析中的双谱和双相干谱,精确提取包含不同振动入侵信号类型的特征矢量; 最后在BPNN参比模型的基础上,用粒子群算法优化SVM的识别参数,使识别模型具有更强的自适应和自学习能力,克服了神经网络易陷入局部最优的不足之处,实现不同振动入侵信号的特征矢量识别。分析结果表明,针对不同类型的入侵源识别,该方法可以有效剔除随机噪声的影响,提取传感信息的特征矢量,降低异常值的影响,算法的预测类别与输出类别几乎一致,振动识别的精确率达到95%以上,识别效果明显强于BPNN网络的检测算法,提高了信息分析的准确性。     

基于相位载波复用的光纤周界安防系统及其实现方法

提出一种利用相位载波的调制解调技术实现白光干涉系统复用的周界安防新方法.该系统在单芯反馈式白光干涉系统的若干感应端,分别串接工作在不同频率的相位调制器.首先利用相位调制技术,将不同干涉子系统的感应端的触发信号从频域上分开|再使用相位解调技术,从同一干涉系统输出信号中获得相应于不同感应端的独立时域信号.实验中通过布设在现场的传感光纤对区域环境振动实现实时记录,用白光干涉方法实现振动信号的提取,利用相位载波复用实现不同区域的定位.理论分析和测试结果表明:通过相位载波复用技术,实现不同传感端共用一套干涉系统的方法,可以显著减小周界安防系统的复杂程度,降低系统成本|该方法能对环境触发信号进行实时监控,并能快速,有效地确定扰动信号的所属区域,具有较高的灵敏度,有利于在大区域,长距离的监控领域获得实施.     

基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的φ-光时域反射计光纤分布式传感系统

提出了一种基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的φ-光时域反射计光纤分布式传感系统.传感光缆采用普通单模光纤制成的直径3 mm的细光缆,并埋设于室外.入侵者走在光缆上面或附近产生的压力(振动)导致光纤中瑞利散射光相位发生变化,由于干涉作用,光相位变化将引起光强度的变化,通过实时将当前时刻的φ-光时域反射计后向瑞利散射信号与其前一时刻(时间间隔0.1 s)的后向瑞利散射信号连续相减检测这种干涉效应来定位入侵位置.经适当的数据处理后,该传感系统定位精度可达到50 m(为目前报道的φ-光时域反射计传感系统最高定位精度),定位范围可达到14 km,信噪比约为12 dB,且灵敏度较高.该系统可望能广泛用于军事基地、国界、核设施及监狱等重要场所的安全防范.     

大气湍流随机相位差的相关解调算法研究

根据大气光学湍流的光纤干涉测量技术原理及其信号表现形式,针对湍流相位变化的随机性和复杂性,提出了能够实时解调湍流随机相位差的相关解调算法,数值模拟了固定相位差、波形相位差以及符合湍流频谱特征的随机相位差的解调.结果表明,此算法的绝对误差小于10-3,满足湍流测量的要求.该研究为实现光学湍流相位差的动态检测提供了必要的理...     

Fast Fourier domain localization algorithm of a single molecule with nanometer precision

We present an algorithm to determine the location of a fluorescent molecule with nanometer-scale accuracy. A Fourier domain localization scheme based on zero-padded fast Fourier transform and phase gradient operators is used to obtain a powerful mathematical model for localizing the molecule without numerical fitting. Compared with conventional algorithms, our position estimator does not require prior background information or initial parameter estimation. Numerical simulations indicate that the proposed method exhibits high localization precision and small bias while executing almost as fast as the fluoroBancroft algorithm.