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Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏检测和定位技术

研制了一种基于Sagnac干涉仪的分布式光纤传感器,可实时进行管道泄漏检测与定位.阐述了该传感技术的工作原理和泄漏点定位方法,并推导了泄漏引起的光信号相位变化表达式。管道泄漏实验结果表明,水压为0.3MPa时,该技术能有效地检测到管道泄漏的发生并准确定位。     

基于混沌激光干涉的分布式光纤声音传感

提出了一种基于混沌激光干涉的分布式光纤声音传感系统,利用外腔反馈式半导体混沌激光作为传感光源,借助非等长的马赫-曾德尔双臂引入干涉光程差,通过直线型Sagnac结构克服了环形干涉系统的互易效应,利用频谱的零频点实现了声音信号的分布式定位。实验结果表明,该系统可实时提取1kHz的单音信号及200~900Hz频率范围内的语音信号。与传统的宽带放大自发辐射激光相比,基于混沌激光干涉的传感系统具有更好的声音频响曲线、更高的检测灵敏度以及均匀的平面指向性,并在12km长的单模光纤上实现了宽谱声音定位,为分布式光纤声音传感系统提供了一种新的灵敏度提升方案。     

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。     

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%.     

单轴分布式光纤传感器管线泄漏探测方法及定位理论分析

利用Sagnac干涉原理的分布式光纤传感器是一种可用于长途油气管线侵入、泄漏探测和定位的新技术.为了克服屏蔽和隔离Sagnac光纤环中未用作传感的那一半光纤所带来的屏蔽困难、成本增加等问题，提出一种单轴分布式光纤传感器的方法.其原理是利用一条光纤代替光纤环，并在光纤尾端设置法拉第旋转镜，构成偏振无关Sagnac干涉仪探测和定位管线泄漏.文中详细分析和讨论了该方法的系统光路和探测定位原理.     

偏振态对分布式光纤泄漏检测系统的影响研究

研制了一种基于Sagnac干涉仪的直线型分布式光纤传感器,可实时进行管道泄漏检测与定位。分析和研究了该干涉仪的泄漏检测原理、泄漏源定位方法以及光偏振态对传感器性能的影响。当两束光偏振态相同时,系统具有最佳的性能;当两束光正交时,无法实现信号检测。管道泄漏的实验结果表明,该系统能较准确地确定泄漏源位置,且定位误差为0.69%。     

基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术

准分布式光纤传感系统在土木工程、能源勘测、航空航天、国防、化工等领域一直发挥着不可替代的重要作用。以微波光子学为基础的准分布式光纤传感解调技术被广泛应用于光纤复用系统的快速、高精度的信号解调与传感器定位。与传统的光学波长解调方案相比,该技术大幅提高了系统的解调速率,弥补了传统解调方法在传感器定位方面的缺陷。本文主要介绍了近年来国内外在基于微波光子学的准分布式光纤传感解调领域的研究进展,从光纤光栅准分布式传感系统和光纤法布里-珀罗准分布式传感系统两方面入手,对比分析了现有的数种微波解调光纤准分布式系统的优缺点,并对基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术的未来发展方向进行了总结与展望。     

基于Sagnac环的FBG时分复用强度解调技术

提出了一种基于Sagnac光纤环的布拉格光栅时分复用强度解调方法,多个中心波长相同的光纤布拉格光栅组成时分复用传感网络,通过光纤布拉格光栅网络输出光谱的强度变化对光信号进行解调;在系统信号解调模块,采用小波分析与高斯拟合的算法对信号进行滤波处理及拟合优化处理。实验结果证明,系统信号信噪比由8.06 dB提高到11.7 dB,提高了约36%,有效提升了系统的抗干扰能力以及检测外界参量传感的准确度。该方法在极大降低解调系统成本的同时,有效提高了布拉格光栅传感器复用数量,可用于各种传感系统或者参量检测系统中。     

基于相位敏感型光时域反射仪的除尘器破袋检漏及定位技术

针对水泥生产行业中袋式除尘器破袋检漏定位问题,提出了基于分布式光纤振动传感的检漏定位方法。分布式光纤振动传感系统灵敏度高,可以检测到布袋破损后粉尘气流对光纤产生的微振动信号,以此判断布袋是否破损,并通过时域差分法来定位破袋。搭建了一套相位敏感型光时域反射仪(φ-OTDR),通过室内模拟得出该系统最大信噪比为10dB,实际空间分辨率为23.7m,同时验证了该系统能响应低频粉尘气流扰动信号。在现场平台实验基础上,结合支持向量机(SVM)算法对现场测试数据进行识别分类,平均破袋识别准确率可达97.8%。结合φ-OTDR分布式系统与SVM算法可有效解决袋式除尘器破袋检漏定位问题。     

基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器

设计并研制了一种新型的基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器.该光纤弯曲传感器由两根光纤组成的光纤带固定于弹性弯曲结构上来产生迈克尔逊干涉信号,用光纤折射率匹配液填充微型腔,并施加音频振荡信号对相位干涉信号实现低频调制.采用相位生成载波技术对相位干涉信号进行调制和解调,实现了对曲率变化高精确度的检测.实验测试了该光纤弯曲传感...     

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。     

基于偏斜度、陡峭度特征的光纤布拉格光栅冲击载荷定位

针对复合材料结构上低速冲击载荷位置识别问题,通过构建分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感网络,分析了光纤布拉格光栅传感器感知的冲击响应信号时间序列的偏斜度、陡峭度与到传感器之间距离的关系。通过不同位置传感器感知的冲击响应信号的偏斜度和陡峭度对冲击载荷所在的区域和到各个传感器之间的距离进行了辨识,采用加权质心定位算法实现了冲击载荷位置的坐标定位。实验结果表明:在碳纤维复合材料板上240mm×240mm的监测区域内随机选取16个测试样本点进行低速冲击定位识别,实现了所有冲击实验点的区域辨识,坐标定位的平均误差为20.7mm。研究结果为碳纤维复合材料板的低速冲击定位提供了一种可靠的方法。     

基于二次相关算法的双M-Z光纤传感器的定位方法

双马赫-曾德干涉仪型分布式光纤传感系统因灵敏度高而易受环境噪声及系统噪声的影响,使得利用直接互相关算法计算扰动信号位置存在较大误差.采用二次互相关算法,先对两路接收信号做互相关运算,再与其中一路信号的自相关结果做互相关运算,通过对两路信号的时延估计对扰动信号定位,减小了噪声带来的误差并提高计算准确度.对该算法进行了理论仿真和分析,搭建了实验装置进行了实验验证.实验结果表明,与采用直接互相关定位算法结果比较,采用本文算法能够有效提高系统对扰动信号的定位准确度,且具有较高的实时性.     

分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展

光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域,其技术形式主要体现为分立式和分布式.分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测参量的变化,光纤作为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置;分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应,利用光纤本身作为传感器,可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.本文介绍了分立式与分布式光纤传感中主要关键技术的研究进展,并对未来的研究和发展方向进行了探讨.     

基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究

对布里渊散射分布式光纤传感器(DOFS)检测原理进行了分析, 针对布里渊散射光信号的特点, 应用光相干和外差技术来检测布里渊散射光信号. 具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光, 和布里渊散射光进行相干检测, 根据布里渊频移特性取出布里渊散射光信号, 从而得到分布式传感信号. 分别实现了25 km光纤的分布式温度和应变传感, 达到3℃的温度分辨率、100 με的应变分辨率和10 m的空间分辨率.     

环形光纤声发射传感器的相位调制特性研究

提出了一种基于光纤Sagnac干涉仪的环形传感器，用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器的两个臂到达探测器时，干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换，测得了超声信号的振幅和频率.而且对传感系统的位相调制特性进行了仿真，并对实验结果进行了分析，结果表明该系统可用于固体表面传播的超声波频率特征的识别.     

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。     

基于侧向耦合结构的准分布式光纤液漏传感器

针对现有的准分布式光纤传感测量技术复杂、精度不高且响应时间较慢等问题,设计出一种实时性高且成本更低的准分布式光纤传感器。传感器主要由柔性LED灯带和带有侧向耦合结构的聚合物光纤组成。侧向耦合结构被LED逐一照亮,形成一系列传感单元。光通过侧向耦合结构入射聚合物光纤中,当LED和耦合结构之间的介质改变时,耦合光强增加,光纤两端输出光强随之增加,则可将液漏事件转化为耦合介质改变来测量。结果表明,准分布式光纤液漏传感器具有检测和定位漏水信号的能力且定位精度小于等于10cm,实现了液漏检测和漏点定位的功能。     

基于混沌光纤激光的准分布式布拉格传感网络

提出了一种基于混沌光纤激光器的准分布式布拉格光纤光栅传感系统,将波长可调谐的混沌光纤激光器作为传感光源,全同弱反射布拉格光纤光栅作为传感元件。利用混沌光源具有delta函数的自相关特性,将混沌源的参考光信号与从全同弱反射布拉格光纤光栅反射的光信号经光电探测器进行光电转换,结合相关法对参考光和反射光进行相关运算,根据相关峰的位置对传感器位置进行精确定位。利用混沌激光的可调谐性实现因应力作用而发生变化的全同弱反射光纤光栅的中心波长的解调,从而实现准分布式的传感网络。实验结果表明利用混沌激光可在单路光纤上复用全同弱反射光纤光栅实现传感,并有望实现密集型全同弱反射光纤光栅传感网络。