Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统实验研究

本文对Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统进行了实验研究,作者在实验环境下搭建了该系统,并在多个位置多次进行了扰动模拟实验,验证了Sagnac/Mach-Zehnder干涉仪分布光纤传感系统中使用时域互相关方法对扰动进行定位的理论正确性和实验条件下的可行性,填补了之前研究只有理论分析和仿真而无实验数据的空白。     

应用于周界安防的防区型分布式光纤振动传感系统

分布式光纤传感系统由于其分布式和不易受电磁干扰的特点,被广泛应用于管道泄露、海洋检测和安全生产等领域。设计了一套基于迈克尔逊干涉仪的分布式光纤传感系统,通过对振动信号的采集和处理进行预警和定位。系统通过冲击性激励和周期性激励来探测振动信号,可以根据需要设置相应的防区数量,每个防区都可以实现150 m到2 000 m固定范围中小振动信号的探测,且连续触碰、敲击两次以上探测率接近100%。网络传输单元以STM32F103为主控芯片,运用窄带物联网(NB-IoT)技术实现了传感系统的同步和通过移动设备实时查询的功能。     

基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的波长解调技术研究

对基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤光栅Bragg波长解调原理进行了分析,模拟仿真了干涉仪的输出谱,并讨论了其输出电路的运算形式.实验研究了基于Mach-Zehnder干涉仪的温度传感系统的波长解调方案,该系统达到0.7 pm的波长检测精度.     

分布式光纤传感中用于快速检测的软硬件设计

针对目前分布式光纤传感系统检测速度慢的缺点，利用可编程逻辑器件(FPGA)芯片为核心设计能快速检测的数据采集系统，将1次全量程检测时间从30 s甚至几分钟缩至10 s以内，使得分布式光纤传感接近实时. 分布式光纤传感技术是光纤传感中最有应用前景的技术之一，其最大的优点是能实现大范围超长距离检测.介绍布里渊和拉曼这两类分布式传感的传感原理以及其重复性、帧结构的传感数据特点. 根据该特点设计基于FPGA内部的多个先入先出（FIFO）的超长环形队列进行数据缓冲和求均算法操作，对信号进行降噪处理，并设计基于USB20协议的CY7C68013A数据传输模块将数据传输到上位机显示和存储. 结果表明，该设计解决了分布式光纤传感中因测量时间长，不能实时检测的问题，实现准实时检测，大大提高分布式光纤传感的性能，可应用于需要准实时监测和大量传感器的场合.     

基于FPGA的实时互相关运算器

以光纤传感系统空间定位问题的研究为背景,探讨了互相关算法在大规模现场可编程门阵列(FPGA)的实现方案,设计出流水线操作的互相关运算器,并应用VHDL语言实现了互相关运算器.该互相关运算器在64 MHz的时钟下,能够对二路监测信号进行互相关处理,实时完成128点探测距离的互相关运算,为光纤传感系统的后续空间准确定位奠定了基础.利用大规模的FPGA硬件资源丰富特点,用硬件电路实现互相关运算,有效提高了数据处理速度,实现了数据检测的实时性,有效解决光纤干涉仪传感系统中空间信息稳定实时提取的难题.     

基于光纤干涉原理的转机监测振动传感器设计

为解决风机、 电力系统等大型转机设备非正常运行导致危害等问题, 设计基于Mach-Zehnder干涉仪组成的光纤振动实时监测系统. 首先, 由两个3 dB耦合器构成干涉仪, 以增加传感器的灵敏度和稳定性; 其次, 利用由Mach-Zehnder干涉仪组成的光纤振动传感器对转机实时振动数据进行采集, 并由信号处理单元分析采集到的振动信息; 最后, 用额定转速为2 680 r/min、 额定功率为2.8 kW的小型转机进行实验, 分别对比转机在正常和故障情况下的振动信息. 结果表明, 该系统对转机的运行状态监测效果较好.     

光纤光栅阵列传感器件及检测技术

光纤光栅及其应用是光纤通信、光纤传感领域的高新技术。光纤光栅传感是将光输入光纤光栅，并在一定条件下发生反射，反射光谱在该波长处出现峰值。由此可以得出待测物理场(如应变、压力、温度、振动、位移、电流、电压、加速度、流量、冲击、损伤等)的变化。把多个不同中心波长的光纤光栅排成阵列，可组成多点分布式阵列传感器，采用波分复用和时     

基于生产者-消费者程序结构的振动传感系统

低频振动常伴随自然灾害的发生,低频振动信号的实时准确检测对海底地震监测及海啸预警等领域的灾害探测具有重大意义,光纤振动传感器是实现低频信号检测的有效方式.设计了一类光纤振动信号传感系统的传感光路及相位解调单元,采用基于迈克尔逊干涉仪结构的顺变柱体传感检波器实现对传感系统中振动信号的转换和探测.针对光纤式低频振动信号传感系统的信号处理高实时性和高信噪比的难题,提出在信号解调处理单元引入LabVIEW的生产者-消费者程序结构模式,极大提高程序并行运算速率并有效释放上位机内存压力.经过系统整体联调测试实验验证,系统对0.01～1 Hz的超低频振动信号有高信噪比的输出,同时为光纤振动传感技术在低频频段研究工作提供参考.     

基于FBG的新型微位移测头系统的研究

为了提高微位移测量系统的测量精度,文章设计了以光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)为传感器的触发式测头系统。该测头采用双FBG悬接式探头传感结构,实时修正温度气流振动等环境干扰的影响;球形的探针结构扩大了测量范围;同时为了降低成本和简化结构,系统采用可调谐匹配光栅法对信号进行解调。利用PI线性微动平台和Renishaw XL-80激光干涉仪做出的实验结果表明,该系统量程为30μm,最优分辨力达到10nm,非线性误差为150nm,满量程重复性小于350nm。     

无线传感器网络中基于双支持向量回归的分布式定位算法

针对无线传感器网络中节点定位误差问题,提出一种基于双支持向量回归的分布式定位算法。在保持锚节点连通性的基础上,以锚节点跳数和位置信息为训练样本。结合拉格朗日法和KKT(Karush-Kuhn-Tuchker)条件,把原问题的优化转化为对偶形式,使用双支持向量回归技术确定跳数信息到节点间距离的映射函数。最后,采用最小二乘法估计待定位节点的位置,在不同锚节点和通信半径的情况下对传感器目标节点进行定位实验测试。实验结果表明:该方法减小了测量误差,能有效提高节点自身定位精度。     

双马赫-曾德尔分布式光纤扰动监测系统设计

为解决扰动监测系统定位精度低的问题, 基于对光纤马赫-曾德尔干涉的研究, 设计了改进型双马赫- 曾德尔分布式光纤扰动监测系统。 利用双马赫-曾德尔光纤传感系统光程差定位原理, 通过互相关算法估算光 程差导致的时间差确定扰动点。 淹没于高频噪声的扰动信号经自主设计的信号预处理电路, 采用低通巴特沃 斯滤波器滤除 3. 3 kHz 以上高频噪声, 通过嵌入式采集与处理模块对得到的数据进行平滑滤波, 提高了扰动信 号的相关性, 有效减小了定位误差。 通过多次重复测试和数据分析结果表明, 系统定位误差约为10 m, 可用于 扰动实时监测。     

子环分布式光纤定位矿井救援系统设计

为解决矿难发生时井下人员的定位问题, 提出子环分布式光纤定位系统。该系统利用光纤环干涉原理, 将一子环通过3 dB的耦合器耦合到主环上, 光束分别传输过子环n次, 产生不同的输出干涉光束。通过干涉光和振动信号特征之间的关系获得振动位置。计算与仿真比较的结果表明, 该系统可较精准地检测到主环内的震动位置, 误差相对较小。在矿难发生时, 该系统通过矿工敲动地面或巷道壁得到震动信号, 可以较精准地检测到矿工的具体位置, 为矿难援救提供了科学依据。     

煤矿井下R-OTDR光纤EEMDMAF去噪算法研究

针对煤矿井下管道存在的潜在瓦斯泄露、粉尘爆炸等问题,提出了基于Ｒ-OTDＲ( Ｒaman Optical Time Domain Ｒeflectometry) 分布式光纤温度传感器的管道安全监测方法,分析了Ｒ-OTDＲ 光纤的技术原理。对于采集过程中温度信号噪声干扰问题,分别采用滑动平均滤波和EEMD( Ensemble Empirical Mode Decomposition) 两种方法进行去噪。仿真结果表明,单独使用两种方法都不能得到最优的去噪结果。将融合滑动平均滤波及EEMD去噪算法,并采用3 个指标用于效果判定。实验结果表明: 先滑动平均再EEMD 能有效去除信号中的干扰噪声,极大地提高了信噪比和系统测量精度,相比传统算法而言,系统传感效率更高。     

基于支持向量机的油气管道安全监测信号识别方法

针对基于经验风险最小化原则的传统学习方法的不足,提出了一种基于支持向量机的油气管道安全识别方法通过基于Mach．Zehnder光纤干涉仪原理的分布式光纤振动信号传感器获取管道沿线振动信号,利用基于小波包分解的“能量-模式”方法提取振动信号的特征向量,并利用支持向量机根据振动信号的特征对其进行识别,判断管道沿线是否有异常事件发生．利用现场实验数据对该方法进行验证分析．结果表明,该方法识别正确率较高,实时性好．     

基于希尔伯特变换的光纤分布式声波测量技术

提出了一种基于希尔伯特变换的相位解调算法，并以此构建了新型光纤分布式声波测量系统，在不劣化解调结果的前提下，极大地简化了相位解调光时域反射系统中的光路结构。通过理论与实验，证明了新算法可以正确、稳定地解调外加正弦信号的幅值、频率及位置信息，实现分布式振动信号的准确测量。     

煤矿井下救援定位系统研究

为提高救援定位系统的定位精度, 设计了基于双Mach鄄Zehnder 干涉仪结构的煤矿井下救援定位系统,并分析了系统的结构及定位原理。结合小波阈值降噪特点, 给出了一种基于小波阈值降噪的互相关时延估计算法。仿真结果表明, 该算法可有效提高系统的定位精度。该系统定位方法容易实现, 具有无源、防燃防爆、
抗电磁干扰和远程控制等突出优点, 具有很大的实际应用价值。     

全数字光纤传感测试系统的设计

为克服传统光纤传感测试系统器件分散性大、过程复杂等局限性，结合红外光电传感及物联网技术，设计了全数字光纤传感测试系统。该系统以MCU( Micro Control Unit) 为主控单元，采用红外接近传感器作为IＲLED( Infrared Light Emitting Diode) 驱动以及光电转换输出单元，ＲTC ( Ｒeal-Time Clock) 芯片及EEPＲOM( Electrically-Erasable Programmable Ｒead-Only Memory) 进行时间读取及光电数据的实时存储，WiFi ( Wireless Fidelity) 模块实现光电数据的网传、按键及LCD( Liquid Crystal Display) 显示单元完成人机交互等功能。实验结果表明，该系统可用于特殊环境下的非接触物体检测与颜色识别等场合，为进一步实现光纤传感测试系统的小型化及智能化提供了一种可行性方案。     

一种改进型神经网络的光纤预警系统适应性研究

针对传统长距离光纤预警系统识别入侵事件误报率高的问题，提出了一种基于改进型神经网络的光纤预警系统并研究了该系统在不同环境下的泛化适应性.系统的分布式传感部分应用Phi-OTDR技术，信号识别部分采用一种改进型的神经网络对入侵事件进行识别分类.最后通过3种情况下的实验，探究了系统的适应性.结果表明，该系统在光纤振动信号识别中有优秀的分类效果，并且在不同的环境条件下也具备良好的适应性.