分布式光纤传感系统（精选9篇）
分布式光纤传感系统 第1篇
关键词：堤坝,监测,软件系统,分布式光纤传感
0 Introduction
Seepage is the main reason that results in the failures of the embankment or reservoir embankment Consequent deformation and movement are apparent signs that indicate the damage of embankment dams.Slope instability and seepage failure are the majority of levee embankments danger and serious happened collapses induced by the Yangtze River large flood in 1998[1].Spur dike was one of damaged objects.A spur dike can be defined as an elongated structure having one end on the bank of a stream and the other end projecting into the current.Spur dikes are the most important river training structures in the Yellow River.The spur dikes of the Yellow River are earthfill structures which have been widely used to enhance eroding stream banks and to redirect the flow in the channels,especially during a surge pass to protect the safety of the life and property of the residents in the vicinity of spur dikes.Owing to its crucial goal of diversification of the flux,most spur dikes are built in the case of emergency without firm foundation and pre-designed structure.Moreover the water rushes at the river-bed and the spur dike in a complex pattern of currents that scours the head and the foundation where the collapse is easy to happen.Therefore,the movement or settlement monitoring of the embankment dams from the point of view of the security consideration is vital.The surveillance for the embankment dams provides the information indicating big hazards for early warning and rescue guiding of the embankment dam safety monitoring and management expert system.In recent years,with the improvement of the science and technology,some methods and technologies about hidden hazards detecting for the embankment dams have been proposed.However these existing methods,they can only establish a point measurement of conduct[2].It results in blind areas during the measuring since the distance between two sensing points generally is 100 m up to 1 000 m,which may miss important information that suggests the sign of a coming dangerous movement or settlement.Consequently,the reliability of the monitoring system is affected.These point monitoring sensors served in the embankment dam monitoring include osmometer,soil monometer and fiber Bragg grating sensors(FBGs).FBGs serve as strain-temperature sensors due to the sensitivity to the strain and the temperature.Despite of the feature of integrating sensing and transmission of FBGs as well as demultiplexing,FBGs is still used as point at most array sensing.Whereas distributed optical fiber sensing technology is an advanced technology attracting more attentions all over the world because of its advantages such as immunity to electromagnetic interference,anti-combustion,explosion-proof,corrosion resistance,with the high-power transmission ability for bandwidth signal[3,4,5,6,7].Distributed sensing configuration avoids miss collecting signal covering former blind areas as well as is helpful to improve the accuracy of the measurement of the movement monitoring for the embankment dams.
The operation principle and data flow based on commercial distributed optical fiber sensing analyzer.The movement monitoring system for the embankment dam safety has been proposed.The design and actualization of the details of the monitoring system are presented.
1 Composition and Function of the Monitoring System for Embankment Dams
1.1 Composition of the Monitoring System
The movement monitoring system based on the distributed optical fiber sensing technology for the embankment dam consists of four units:the embankment dam model,Di Te St-STA202 analyzer,the customer’s computer terminal,fiber optic cables,as shown in Figure 1.The cables include sensing cable which acts as the sensing and leading cables for signal transmission.
1.2 Functions of the Monitoring System
Every unit of the monitoring system for the embankment has its specific function.All of them compose a whole system to achieve the monitoring goal.These details of the function are described as the following respectively.
The embankment dam model includes these embankment dam protecting structures,which plays an important role to prevent water flow for protecting the bank of the river and lake,and the life and the property of the resident Owing to rough scouring rush from the water current,the movement,settlement and even potential collapse happen at the embankment dam sites where highly care are put on and the original signal source occurs.
DiTeSt-STA202 analyzer is a kind of instrument for the demodulation of distributed optical fiber sensors.The analyzer launches continuous light and the pulse through built-in light source.The local strain change signals are abstracted from tested sensing cables using stimulated Brillouin frequency shift,i.e.Brillouin gain or Brillouin loss[8,9,10].The strain values are obtained after the calibration according to specific boundary conditions and the parameters.The details of data acquisition,corresponding signal processing and data management are presented in the third section of this paper.
Cables include sensing cable and leading cable,as shown in Figure 1.Sensing cable can be as both sensors and signal transmission path,which is embedded in the embankment dams to monitor the movement inside the embankment dams.The sensing cables as the sensors for the strain or the temperature require special treatment technics.The strain sensing cable is only sensitive to the strain change not to temperature,while the temperature sensing cable is in reverse.Especially,the field sensing cables are expensive since they are made with anticorrosive and rodent-proofing.The general communication cablesare used as leading cables which are relatively inexpensive comparing with special field sensing cables.
Customer computer terminal is an interactive mode,which is designed for the user of an engineering projec to login and control directly and easily.Secondary development of the software for the requirement of the specific customer based on Di Te St instrument is necessary.The users set real-time monitoring configuration parameters finish data processing for intuitionistic display and data storing as well as provide necessary bottom data for the safety monitoring expert system and the administrative department for the embankment dams.These importan information displays trend graphs of strain change inside the embankment dams for the field engineers and ensure that the embankment dam runs safely and early warning of the hazards in time.
2 Data Management of Movement Monitoring System for Embankment Dams
The movement monitoring system for the embankment dam obtains the original strain information using optic fiber sensors(sensing cables)and the basic strain values after analyzing with the software of the monitoring system.The database daily builds reporting according to these periodic and nonscheduled scanning of the monitored embankment dam.The user gets the strain trend graph of the monitored embankment dam after further data processing.The remote users or the upper level administrators acquire bottom data and preliminary analysis results of the movement monitoring system via a LAN or wireless internet,which is for the management maintenance and decision-making for rescuing in the administer.
2.1 Data Acquisition of Di Te St-STA202 Analyzer
The operation principle of Di Te St-STA202 analyzer is the interaction of lasers based on fiber optics and the laser,i.e.Stimulated Brillouin Scattering,SBS.The inherent physical characteristic of the fiber material is suitable for sensing the important information of the strain or temperature induced by the environment happened at those local positions along the optical fibers.The information detected by the system actually is Brillouin backward scattering light stimulated at the locations where the strain changes capturing the highest Brillouin frequency shif using a pump pulse to scan Brillouin frequency within the frequency range,as shown in Figure 2.Once the spatia resolution,such as 1 m from the setting of Di Te St analyzer,the pump pulse width is 10 ns and the optical fibers are divided into a large number of 1 m-long segments,as shown in Figure 3.
After the start frequency,the stop frequency and the frequency step are set,the pump pulse scans each smallest sensing unit/segment along full the cables.When the probe light interact with the Brillouin light traveling through the tested part,the frequency corresponding to the biggestBrillouin gain is identified as Brillouin frequency shift by the software of the analyzer,as shown in Figure 4.After scanning full the optical fibers,all the information of Brillouin gain at every part is obtained and converted into real strain value by calibration.The pulse width,Brillouin frequency,the amplitude of Brillouin gain and the three-dimensional matrix are stored in the folders created automatically.
2.2 Data Architecture of the Monitoring System
It is not sufficient after finishing the monitoring for the embankment dam and obtaining the original datacomprising strain information.Further dataprocessing and analysis are necessary,which form brief report forms and database for the user and the manager.The data architecture of the movement monitoring system for the embankment dam is shown in Figure 5.
When the movement inside the embankment occurs,the information of the movement is detected by distributed the sensing cables and transferred into Di Te St-STA202 analyzer via the leading cables The user then stores the strain information received before reflecting the inside movement.The database of the strain states is formed after periodically and nonscheduled round scanning.The further dataprocessing of the current and history data by the user operation system is carried out to obtain more direct displays,such as the trend curve of the strain inside the embankment dam,the reporting and sorted database in different formats,by which the remote higher-level user and the network user who is permitted to share the database can know the running condition of the embankment dam.
2.3 Software Functions of the Monitoring System
The software design is mainly aiming at the program for terminal computer user based on Di Te St-STA202instrument.The terminal is the basic workstation for the management,i.e.field monitoring layer for the safety of the embankment dam.The software architecture of the movement monitoring system is shown in Figure 6.Software is composed of two program packages of original data acquisition and the data processing.Two program packages switch with the main interface setting.The original data acquisition is conducted by thecommercialization Di Te St-STA202 host instrument.The acquiring time interval,the duration and the frequency of sampling are set according to user instruction.Reassigning the missions is done after finishing preliminaryconfiguration of measurement parameters by built-in basic software.For the data processing is running on the secondary development of the software system made in this paper.The data processing composes of the current data processing,the history data processing and the posted data submission.The current data processing is mainly to deal with original real-time data,converting and calibrating the strain value as well as plotting the stain curve currently happening inside the embankment dam with the familiar form to the filed engineer.Plotting 3-dimensional graphics is a more professional graph showing Brillouin gain,the coordinate of sensing cable(position of the strain sites)and Brillouin frequency.Sorting and classifying the reporting documents.If some data goes beyond the set threshold for the strain warning,the event location is highlighted by marking the length of the fiber optic cable.Thehistory data processing is designed to analyze the change of the strain by comparing different data from different time,and inquire previous warning segments made in the current data processing.The inquiring program includes the strain trend calculating,plotting strain trend curve and early warning of the strain.Dealing with the data transmission is to offer the service for the upper user and the remote user who is permitted to share these data resource,including the data packet of the visual chart and the original database.
3 Conclusions
The overall framework of the movement monitoring hardware and software system for the embankment dam are proposed and designed based on Di Te St-STA202 analyzer.All the functions of the subsystem are presented.The data processing procedure of the functional module is developed,intensively emphasis on the description of the data acquisition procedure and the achieving method.Since it is crucial that real-time monitoring and remote data sharing for the surveillance and daily maintenance of the embankment dam,the next work is to concentrate on the further improvement of the network connecting and data communicating between the bottom monitoring system and upper management department.
参考文献
[1]万海滨.抗洪抢险成功百例[M].北京:中国水利水电出版社,2007.WAN Hai-bin.One hundred successful examples for fighting floods and dealing with the emergency[M].Beijing:China Water Power Press,2007.
[2]冷元宝,朱文仲,何剑,等.我国堤坝隐患及渗漏探测技术现状及展望[J].水利水电科技进展,2002(4):59-62.LENG Yuan-bao,ZHU Wen-zhong,HE Jian,et al.Current Situation and Prospects of Dike Anomaly and Infiltration Detecting Technology in China[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2002(4):59-62.
[3]魏德荣,赵花城,秦一涛,等.分布式光纤监测技术在我国的发展[C]//2004全国RCCD筑坝技术交流会议论文集.北京:中国水力发电工程学会碾压混凝土专业委员会,2004,10:354-356.WEI De-rong,ZHAO Hua-cheng,QING Yi-tao,et al.Advancement of distributed fiber monitoring technology in China[C]//RCCD National dam Technology Communication Conference.Beijing:Roller Compacted Concrete Division of China Institute of Water Resources and Hydropower Engineering,2004,10:354-356.
[4]冷元宝,朱萍玉,周杨,等.基于分布式光纤传感的堤坝安全监测技术及展望[J].地球物理学进展,2007(3):1001-1005.LENG Yuan-bao,ZHU Ping-yu,ZHOU Yang,et al.Monitoring technology for embankment dam safety based on distributed optical fiber sensing and its prospect[J].Progress in Geophysics,2007(3):1001-1005.
[5]Johansson S,Farhadiroushan M.Seepage and strain monitoring in embankment dams using distributed sensing in optical fibres-theoretical background and experiences from some installations in Sweden[C]//Proceedings of International Symposium on Dam Safety and Detection of Hidden Troubles of Dams and Dikes.Xi’an,China:Nov1-3,2005.
[6]Horigushi T,Tateda M.Optical-fiber-attenuation investigation using Brillouin scattering between a pulse and a continuous wave[J].Opt.Lett(S0146-9592),1989,14:408.
[7]Minardo A,Bernini R,Zeni L,et al.A reconstruction technique for long-range stimulated Brillouin scattering distributed fiber-optic sensors:experimental results[J].Measurement Science and Technology,2005,16:900-908.
[8]Nikles M,Thevenaz L,Robert P.Simple distributed fiber sensor based on Brillouin gain spectrum analysis[J].Opt.Lett(S0146-9592),1996,21:758-760.
[9]Facchini M.Distributed optical fiber sensors based Brillouin scattering[D].Lausanne,Switzerland:Swiss Federal Institute of Technology,2001.
智慧城市下的分布式光纤感温系统 第2篇
光传感有限公司 林兆明
本人从事电讯业多年，近年来研发出“分布式光纤感温系统”技术，主要用于监测地下管道或缆线的安全。作为崭新的工业技术，在二○一二年申请了中港两地专利，目前新技术已应用于香港大型铁路网络及电力网络、澳门大型商场和酒店、印尼雅加达国际机场新3号航站楼，并在积极洽谈在香港和海外的重大项目。
基于“智慧城市”概念而创
海外有不少地方都在推崇【智慧城市】（smart city）的发展概念，即有效地监测城市中各种不同的基础设施及工业系统，从而减低碳的排放，并预防意外发生，让日常生活更健康、安全。分布式光纤感温系统就是基于这个概念而研发出来的，除了监测工业系统安全性能外，还应用在节能减排上。
具体地说，【智慧】的理念就是通过新一代信息技术的应用使人类能以更加精细和动态的方式管理生产和生活的状态，通过把传感器嵌入和装备到全球每个角落的供电系统、供水系统、油气管道输配系统、交通系统等生产生活系统的各种物体中，使其形成的物联网与英特网相联，实现人类社会与物理系统的整合，然后通过超级计算机和云计算将物联网整合起来。
关于【智慧城市】的具体定义则比较广泛。我认为，所谓的“智慧城市”应该是人、建筑物、系统、设施都体现智能型的统一，它们取代了之前非智能的工业方式。关注高敏光学感应系统，比如对分布式感温系统进行专业的研发、制造，用作确保能源供应，同时作出安全监测和预警，对于城市智能化管理来说会起到非常重大的启发和收获，其影响更是寓意深远。
分布式光纤感温系统介绍
分布式光纤感温系统(以下简称FODTS)的原理是应用拉曼效应(Raman-effect)来测温。该理论源于上世纪二十年代，是英国南安普顿大学的研究成果。FODTS 测温技术是基于光时域反射仪(Optical Time-Domain Reflectometer(OTDR))。同时，物理环境因素例如温度、压力及拉力，都能够改变玻璃纤维(二氧化硅)的内部结构，使该点光纤内的激光轴向运动发生变化。热力效应引致晶格振动，当光线接触振动中的分子晶格，便会造成散射，称为拉曼散射(Raman scattering)。在物理过程中，热力强度与光线的散射幅度成正比例。利用此光学原理，只要测量光线或散射光线延迟返回的时间，便可以准确地计算测温点位置(请参阅图一)。
FODTS系统可以自动探测沿光缆*所有测温点的实时温度，若测温点温度超过某个水平线，系统会实时发出警报及报告。FODTS系统的温度数据库附有位置及时间信息，发出的分析报告包含了这些内容，有助于用户实时找出发生问题的地点，并协助用户迅速作出决策和防范措施。FODTS系统在应用上具有灵活性，用户可以根据特别需要而设定数个分区为监察区域，每个区域可以根据特别的运行环境设定不同的报警水平线，每一个监察区域会因测温点的实时温度数据来显示不同颜色。FODTS系统的用户接口简单易用，能够实时显示系统测温点的概况，用户也可以选择将接口上的光纤路线置于监测区域的AutoCAD图上，便于实时得知问题发生的位置。此外，FODTS系统的图表都可以按照用户的要求进行定制，提高用户的决策效率。
综上信息简单来说，光纤可以有效传送管道温度的变化数据，作准确及时的监察。它可以通过温度的不同，有效判断出地下管道或缆线是否老化，在损坏前发出警报。它最为突出的特点便是监测地下管道或缆线的安全。老式的传感测温技术仅在被测管道上放置单个的传感器，全新的【分布式感温技术】是指传感机制沿着光缆全程被分布，而不是在一定数量的位置上被分布。分布式光纤感温系统的特点
分布式光纤感温系统的特点很多，重点可以概括为三大部分：安全预防、应用广泛、性价比高。
（一）安全预防
在我们生活的城市中，地下管道及电缆系统随处必备，一旦出现问题，情况可大可小。如果情况较大，后果则不堪设想。实时监测地下管道的老化及泄漏，意外将可避免。去年7月，台湾高雄发生的严重天然气管道爆裂，造成32人死亡，321人受伤的重大事故。这个事实告诉我们，城市地下埋藏的管道会随时成为致命炸。具备连续测温功能的FODTS系统是监测燃气管道及油管泄漏的最佳方案。FODTS系统负责监测整条管道的温度曲线数据，二十四小时不断监测，如管道中某一点出现裂缝或者破损，温度将发生变化，我们便可及时捕捉，并准确探测出问题管道的所在位置并及时抢修。以燃气管道泄漏为例，燃气管道渗出压缩气体，根据焦耳汤姆逊效应(Joule-Thompson effect)，压缩气体会于管道裂口附近形成低温区。FODTS系统会立即监测到管道温度数据出现异常变化，并可准确地计算发生气体泄漏的位置。从高雄事故分析，当管道开始漏气之初，该处的压力就会下降，管道裂口温度也会相应下跌六至七度。我们如果在温度开始下跌时及时抢修和补救，就可避免事故的发生。
（图二）应用于监测燃气管道泄漏的FODTS系统 与燃气管道泄漏相反，油管泄漏会于管道裂口造成温升效果。FODTS系统对以上应用例子均能够准确迅速地确认泄漏位置，大幅度降低泄漏事故的发生和成本损失。
FODTS系统还可以检测早期的电缆故障，防止电力系统的故障造成火灾的发生。电力上的输电电缆长期使用后，绝缘体会老化，散热会减慢，最终绝缘体损坏导致电缆产生故障。通过监控电缆温度曲线可以适度使用电缆及延长使用寿命，避免绝缘体损坏。FODTS系统可实时监测整条电缆上的热点，而内置的历史温度数据分析功能，可以显示电缆不同部位的温度实时变化情况，发现潜在的问题。同时，监测系统还可以辅助提高电缆载流容量至最佳水平，达到增加运营能效的目的。
（图三）FODTS系统可以在同一时间显示电缆几部分温升
商场及酒店的各种设施如空调系统、供水、照明、电梯电器及楼宇管理系统均需要电力系统的支持。电力系统的故障可能会引至火灾的发生，危及商场或酒店顾客的生命安全。FODTS系统可以为用户预先设定启动报警的温度水平线，当电力系统温度超过预设水平线，报警实时启动，提醒相关人员及时检查维修，尽快落实应急措施。
（二）用途广泛
FODTS系统用途十分广泛。它不仅可用于上述提到的监测地下油气管道的泄漏和电缆运行的故障及商场大厦内的电力系统，还可广泛应用于以下领域：①在通风冷温（HVAC)系统方面，监测隧道温度及通风管理。②在供水及污水排放系统方面，通过水温异常变化监测非法排污。③在地质及水利学方面，测量水温对研究生态有很高的重要性。
通风冷温系统（HVAC）
隧道内的通风系统是为车站及车厢内的乘客提供新鲜的空气，通过监控隧道的温度，操作人员可以提升隧道内的空气流量，达到最佳水平。FODTS系统性价比高、不受隧道环境干扰，而且没有维修成本。系统提供24hx7的全天候温度监测，数据库可储存长达两年的数据供日后备用。并且FODTS系统可以和隧道的通风管理系统相结合，支持实时环境数据和按时间排序的温度趋势分析。
以下是隧道通风系统的示意图，通风系统由多个通风井（地面结构）组成，是气流的出入口。
（图四）应用于隧道温度监测的FODTS系统
供水及污水排放系统
FODTS系统可应用于监测非法的污水排放。大量的污水未经处理流入下水道可以引起相当严重的环境及健康问题。FODTS系统的光缆置于下水道内科收集连续性的温度数据，详细显示由非法排污引发的水温异常变化。
（图五）应用FODTS系统监测非法污水排放
地质及水力学系统
研究地质及水利作用过程中，测量温度占据重要一环。而大部分应用例子更是需要取得随时间及距离连续变化的温度数据。FODTS系统可以取得地质及水利地点，比如湖泊、地面及地下水流的温度数据。测量水温对研究生态作用有很高的重要性，沿河道铺设光缆测量水温，可取得精确及高分辨率的河道温度数据。应用举例：监测含水层和水生环境、计算蒸发损耗的能量平衡、记录对流过程等等。
（图六）沿河道铺设的FODTS光缆
（三）性价比高
目前，光纤感温系统的准确度可达正负一度，耐用二十年以上。造价方面，要具体视覆盖光纤的物料以及整个系统复杂程度而定，一般来说铺设一条1公里长管道的光缆大约价格为22万元，5000米长的管道则为26万元。1台主机的成本为20万，最多可以同时控制十二条管道，每条10公里长。维护成本每年每百米则只需10元，性价比显而易见了。
分布式光纤传感系统 第3篇
关键词： 分布式光纤传感器； 瑞利散射； 光时域反射技术
中图分类号： TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.019
Current status of distributed optical fiber sensor
based on Rayleigh scattering
ZHANG Xin， SHEN Yafeng， XUE Jingfeng
（AVIC Beijing Changcheng Institute of Metrology & Measurement， Beijing 100095， China）
Abstract： The basic principle of optical time domain reflectometry （OTDR） technique， coherent optical time domain reflectometry （COTDR） technique and phase sensitive optical time domain reflection （OTDR） technology based on Rayleigh scattering are introduced. This paper respectively introduces the development status of the three technologies， summarizes their advantages and disadvantages， and puts forward the developing direction and prospect of future work.
Keywords： distributed optic fiber sensing； Rayleigh scattering； optical time domain reflectometry
引言分布式光纤传感技术是目前国内外研究热点，它因具有全尺度连续性、网络智能化、长距离、大容量、低成本等特性而广泛受到关注。分布式光纤传感技术按照光纤内部信号性质不同可分为基于瑞利散射的分布式光纤传感、基于拉曼散射的分布式光纤传感和基于布里渊散射的分布式光纤传感。瑞利散射属于弹性散射，相对于拉曼和布里渊散射有着更高的能量，因此更容易被检测到，目前有很多基于瑞利散射的分布式光纤传感技术方面的研究。利用瑞利散射信号的分布式光纤传感多用于通信线路的故障定位、大型结构的裂缝健康监测和重要建筑物的入侵监测等。图1光时域反射技术原理图
Fig.1The principle diagram of the optical
time domain reflection technology1光时域反射技术
1.1光时域反射技术基本原理光时域反射（OTDR）技术是1976年由Barnoski博士提出，是最早的分布式光纤传感技术[1]，其原理图如图1所示，光源发出的连续光经过调制器调制成窄带脉冲光，脉冲光通过环形器进入光纤，光在光纤里传播的过程中发生瑞利散射，并经环形器耦合进入探测器。由于从脉冲光发射到接收其在光纤中某一位置的瑞利散射的时间相当于光波从发射端到该位置往返传播了一次，因此可以通过测量传播时间计算该位置到发射端的距离以及该位置的峰值功率。得到的光纤沿线的瑞利散射曲线为一条指数衰减的曲线，该曲线表示出了光纤沿线的损耗分布，可用来检测光纤的断裂、弯曲等。
光学仪器第37卷
第2期张昕，等：基于瑞利散射的分布式光纤传感器的研究现状
1.2光时域反射技术国内外发展现状由于OTDR技术装置简单、测试时间短、精度高等特点，受到国外学者广泛关注[24]。1980年Healey等提出基于光子计数器的光时域反射仪，将光时域反射计的范围由25 dB提高到40 dB，数字方法使其相关电子产品得到简化，并应用于光纤故障定位系统[5]。2005年由美国Luna公司将SWI（swept wavelength interferometry）技术应用到基于瑞利后向散射的温度测量系统并在上百米的光纤中获得0.1 ℃的温度分辨率[6]。2006年Luna公司提出基于瑞利散射的超高空间分辨率的温度传感技术，用于现场测量高功率放大器模块[7]。2007年该公司提出了市面上的分布式光纤波长干涉法使1 m光纤段上的测量温度范围达到850 ℃，该技术采用单模、黄金涂层光纤[8]。2008年该公司提出扫描波长的分布式光纤温度测量的测长法，该方法应用于核反应器[9]。Palmieri等提出了一种新的分布式光纤传感器用于静态磁场矢量的测量。该传感器是基于法拉第旋转和瑞利后向散射场的极化状态的分析，该传感器测量的是磁场矢量在纤维方向上的投影，测量范围是1.5 T，其相对精度可达7%，空间分辨率达3 cm[10]。朱涛等[11]提出通过使用二维边缘检测方法提高信噪比和空间分辨率的相位敏感OTDR系统。李志金等基于OTDR技术建立了拉曼散射分布式光纤多点测温系统，提出循环解调方法，该系统能够抑制温漂噪声积累，其空间分辨率小于3 m，温度分辨率约为3 ℃，时间分辨力不大于3 min[12]。OTDR技术能够连续显示整个光纤线路的损耗相对距离的变化，适用于非破坏性测量，多用于电力系统检测[1316]和混凝土裂缝监测[1719]，但由于始终存在测量盲区[20]，从光纤两端测出衰减值有差别，国内该技术成熟的产品不多。2相干光时域反射技术
nlc202309040207
2.1相干光时域反射技术基本原理虽然OTDR技术在一定程度上能够实现对通信线路的实时检测，但是其测量范围较小，测量的光纤长度通常在100 km以内。为使通信线路延伸，通常使用光纤放大器如掺铒光纤放大器（EDFA）来补偿信号光的传输损耗。EDFA对信号光进行光功率补偿的同时也会产生自发辐射放大（ASE）噪声，使背向瑞利散射信号功率无法被辨别，系统测量的信噪比大大降低。在这种情况下相干光时域反射（COTDR）技术显现出其优势。通过相干检测可以将微弱的瑞利散射信号从较强的噪声中提取出来，使传感距离大大延长，而且通过对系统结构进行设计，还使得COTDR可以应用于多跨超长距离的光缆线路测量。COTDR技术原理图如图2所示，在OTDR基础上，采用高频率稳定的分布反馈激光器作为探测光源，通过调节驱动单边带调制器的微波频率综合器的频率，实现对激光频率的控制。由驱动单边带调制器输出的连续光经耦合器分成两路，一路作为本振光，另一路经电光调制器调制成脉冲光，经放大器传入光纤。
2.2相干光时域反射技术国内外发展现状Kurashima等将布里渊散射光时域反射计法（BOTDR）与COTDR结合，用于测量光纤的应变和光损耗，在10 km单模光纤上，BOTDR模式可得到1 m的空间分辨率，COTDR模式可得到0.1 dB的低衰减噪声[21]。Koyamada等利用COTDR技术实现了在8 km光纤获得0.01 ℃的温度分辨率和1 m的空间分辨率[22]。
图2相干光时域反射技术原理图
Fig.2The principle diagram of the coherent optical time domain reflection technology
2010年Li等研究了一个典型的相干光时域反射计系统，其中单模光纤的瑞利散射是由相干光时域反射仪采用精确的频率控制光源测量。该系统在每千米测试光纤上获得0.01 ℃温度精度和1 m空间分辨率[23]。Yang等[24]对基于COTDR的分布式温度和应变传感进行研究，对传感原理进行了分析和讨论。通过频率可精确控制的光源，对后向瑞利散射的测量值进行计算分析，可以获得由温度和应力导致的峰值变化信息。2012年Pan等[25]提出基于差分相干光时域反射计的差分检测的分布式光纤振动传感系统。张晓磊等[26]分析了消光比、传感距离和传感光纤前后端反射等几个关键因素对相干后向瑞利散射波形的影响。2013年任梅珍等推导了光纤中瑞利散射光的功率分布和相位分布，指出瑞利散射光功率的概率密度函数符合修正的莱斯分布，而瑞利散射光的相位分布近似为高斯分布，同时发现了不同长度光纤的瑞利散射光功率的最大值随平均值线性增加[27]。COTDR与OTDR相比，能够在较低的探测光功率下获得更高的动态范围，并且能够避免在线检测环境通信信道的干扰，适合长距离监测，主要应用于海底光缆的监测[28]。3相敏光时域反射技术
3.1相敏光时域反射技术基本原理相敏光时域反射技术是在光时域反射技术的基础上发展起来的，与光时域反射技术一样，光脉冲从光纤的一段注入，用探测器探测后向瑞利散射光。不同的是注入光纤中的光是强相干的，因此该传感系统的输出就是脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉的结果。相敏光时域反射技术通常用于检测入侵，如图3所示，当光纤沿线上有入侵事件发生，相应位置的光纤的折射率会发生改变并引起该位置光相位的变化，干涉结果也会发生改变，并且与入侵的位置相对应。
图3基于相敏光时域反射技术的入侵监测系统图
Fig.3The principle diagram of the intrusion detection system based on
phase sensitive optical time domain reflection technology
3.2相敏光时域反射技术国内外发展现状相敏光时域反射技术由Taylor于1993年提出，该技术大大提高了分布式光纤传感的灵敏度，获得3.3 dB信噪比，空间分辨率为400 m。1998年 Shatalin等[29]使用半导体脉冲激光器作为光源，利用OTDR监测光线中由温度变化引起的光相位变化，在21 m长的单模光纤上实现0.7 m的分辨率。2003年，Choi等使用全光型掺饵放大器，结合法布里珀罗干涉形成了激光脉冲，经电光脉冲调制后用于相位敏感光时域反射计中，减少了频率漂移，使其线宽小于3 kHz[30]，研制出一个定位精度为l km、定位范围为12 km、信噪比约为5.6 dB[31]的防入侵监测试验系统。谢孔利等[32]提出基于大功率超窄线宽单模光纤激光器的相敏光时域反射（OTDR）分布式光纤传感系统，激光器的输出功率为50 mW，线宽不大于3 kHz，该系统只使用一级放大，降低了自发辐射噪声，有效提高信噪比至12 dB，系统具有较高的探测灵敏度，系统定位范围为14 km，定位精度为50 m。OTDR因其优良的综合性能成为目前最主要的入侵和振动分布式传感监测方法之一[3334]，但其需要激光器具有极窄的线宽和较小的频率漂移，增加其成本，为满足更高的监测需求，OTDR今后的发展趋势应该着重于提高系统的空间分辨率，扩大监测范围，即是对激光器和数据处理方法有更高要求，4结论基于瑞利散射的OTDR技术由于其可连续测量且精度高等特点，受到国内外学者的广泛关注和研究，国内许多高校和研究所也对其进行研究拓展，在许多领域如电网、管道、混凝土大坝和军事防御等得到应用，尽管其发展仍不成熟，但随着激光器发展以及数据处理方法的改进，未来可能实现产品化。参考文献：
[1]张旭苹.全分布式光纤传感技术[M].北京：科学出版社，2013.
[2]HARTOG A H.A distributed temperature sensor based on liquidcore optical fiber[J].Journal of Lightwave Technology，1983，1（3）：498509.
nlc202309040207
[3]BOIARSKI A A，PILATE G，FINK T，et al.Temperature measurements in power plant equipment using distributed fiber optic sensing[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10（4）：17711778.
[4]DUBANIEWICZ T H，CHILTON J E，DOBROSKI H.Fiber optics for atmospheric mine monitoring[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1993，29（4）：749754.
[5]HEALEY P，HENSEL P.Optical time domain reflectometry by photon counting[J].Electronics Letters，1980，16（16）：631633.
[6]GIFFORD D K，SOLLER B J，WOLFE M S，et al.Distributed fiberoptic temperature sensing using Rayleigh backscatter[C]∥ECOC 2005.31st European Conference on Optical Communication.[s.l.]：IET，2005：511512.
[7]SOLLER B J，GIFFORD D K，WOLFE M S，et al.Measurement of localized heating in fiber optic component with millimeter spatial resolution[C]∥Optical Fiber Communication Conference.Anaheim，CA：IEEE，2006.
[8]SANG A K，FROGGATT M E，GIFFORD D K，et al.One centimeter spatial resolution temperature measurements from 25 to 850 ℃ using Rayleigh scatter in gold coated fiber[C]∥Quantum Electronics and Laser Science Conference.Baltimore，MD，USA：IEEE，2007：12.
[9]SANG A K，FROGGATT M E，GIFFORD D K，et al.One centimeter spatial resolution temperature measurements in a nuclear reactor using Rayleigh scatter in optical fiber[J].IEEE Sensors Journal，2008，8（7）：13751380.
[10]PALMIERI L，GALTAROSSA A.Reflectometric fiber optic sensor for distributed measurement of intense magnetostatic fields[C]∥2011 IEEE Sensors.Limerick：IEEE，2011：117120.
[11]ZHU T，XIAO X H，HE Q，et al.Enhancement of SNR and spatial resolution in φOTDR system by using TwoDimensional edge detection method[J].Journal of Lightwave Technology，2013，31（17）：28512856.
[12]李志金，白志华，王会波，等.分布式光纤传感器多点温度测量的研究[J].光学仪器，2007，29（6）：811.
[13]陈芳兰.高压电力电缆温度的数据采集和信号处理系统[D].西安：西安工业大学，2010.
[14]毕卫红，张燕君，苑宝义.基于光散射的分布式光纤温度传感器网络及其在智能电网中的应用[J].燕山大学学报，2010，34（5）：377382.
[15]臧革伟，陈孝莲，周琦.光时域反射技术的发展现状及其在电力领域中的应用[J].现代科学仪器，2013（2）：2023.
[16]董向阳，王艳芹.光纤分布式温度传感技术及其在电力关键点检测中的应用研究[J].华北电力技术，2014（1）：5446.
[17]陈建春.光纤传感技术在冶勒水电站大坝变形监测中的应用[J].水力发电，2004，30（11）：3041.
[18]吴永红，徐洪钟，高培伟，等.混凝土高拱坝裂缝光纤监测网络构型的优化[J].水利水电科技进展，2006，26（6）：3739.
[19]陈洁，包腾飞.混凝土拱坝裂缝光纤监测网络的优化[J].水电能源科学，2013，31（2）：102105.
[20]田国栋.基于OTDR技术的光纤测试方法探讨[J].现代电子技术，2009（19）：99101.
[21]KURASHIMA T，TATEDA M，HORIGOCHI T，et al.Performance improvement of a combined OTDR for distributed strain and loss measurement by randomizing the reference light polarization state[J].IEEE Photonics Technology Letters，1997，9（3）：360362.
分布式光纤传感系统 第4篇
以光纤通信技术为根基而逐渐成熟起来的光纤传感周界安防技术, 具有灵敏度高、体积小、重量轻、可灵活挠曲、隐蔽性高、室外无源、防燃防爆、耐高温和腐蚀、抗电磁干扰、连续实时、监控距离长、响应速度快等等技术优势, 可以克服现有电类传感器的不足, 成为未来智能环境感知与周界安防预警产品的主要发展方向。
分布式光纤传感技术利用光纤的传输和传感特性, 使用一根几公里长的光纤同时作为传感元件和信号传输元件, 在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的环境物理参量进行连续实时的测量, 非常适用于长距离、大范围区域的安防监控。然而由于其高灵敏度的特点, 使得系统在复杂的安装环境下运行时极易发生误报。当系统的触发源并不是入侵或破坏行为, 而只是小动物或自然环境的影响时, 频繁的误报会造成系统和人力资源的浪费。如何提高光纤传感安防系统的检测概率和降低系统的误报率仍是一个亟待解决的问题。
目前, 多采用的是单阈值或联合阈值等方法判断, 然而分布式光纤传感器的实际应用环境范围广而且复杂多样, 信号易受影响具有一定的随机性, 仅凭阈值判断会使监测识别发生较高的误报警率。
为了有效识别各种光纤振动信号, 本文利用神经网络算法的自学习、自适应、容错性好等优势, 并基于神经网络集成和概率统计的思路, 同时考虑到参考样本自身质量对分类器泛化能力的影响, 提出一种适用于对分布式光纤传感振动信号进行模式识别的方法以及相应的报警策略。
1基于分布式光纤传感的周界安防系统
1.1基于光纤后向散射的分布式光纤传感技术
光纤传感器是利用光纤本身的敏感特性, 通过被测物理量 (如温度、应力、振动等) 对光纤内的传输光进行调制, 使传输光的强度、相位、频率、偏振态等物理特性发生变化, 在接收端对被调制光信号进行检测。基于光纤后向散射的光时域反射 (OT-DR) , 是目前较为成熟的一类分布式光纤传感技术。在光脉冲通过光纤时产生的后向散射光中, 存在着与激励光波长相同的瑞利散射, 以及与激励波长不同的非弹性散射 (拉曼散射和布里渊散射) 。通过检测由光纤沿线各点产生的后向散射并与被测量对应, 再根据回波时间确定位置, 即获得待测参量的空间分布, 实现分布式光纤传感[1]。
用光时域反射仪 (OTDR) 检测一段光纤链路时, OTDR先向待测光纤内发射具有一定脉宽的光脉冲, 由于光纤本身的性质 (材料不均匀、连接器、熔接点、弯曲或其它类似事件) , 光在光纤中传播时会产生散射和反射。其中一部分散射和反射光就会返回到OTDR中并由探测器接收。OTDR利用瑞利散射和菲涅尔反射来表征光纤特性[2]。由于后向散射光可以很方便的通过分路耦合器在光功率的输入端用光纤探测器进行测量, 因此OTDR作为一种非破坏性的光纤测量技术得到了广泛的应用。
1.2系统构成
典型的OTDR由光源、脉冲发生器、光耦合器, 光电检测器, AD采样、信号处理单元以及显示器组成。光源由脉冲发生器控制, 向待测光纤内发射一定宽度的光脉冲, 光电检测器负责接收反射回来的光信号, 并将其转化为电信号, 采样后在信号处理单元里进行数据处理。本文研究的算法是针对于采集的OTDR数据进行的, 在信号处理单元里实现。
当有入侵事件发生时, 相应的动作行为会对埋在地下的传感光纤施加微弱的机械振动作用, 当这种振动引起动态压力作用于光纤时, 因为弹性变形使得光纤折射率发生变化, 从而引起后向散射光强等物理参数的变化, 系统对接收的信号进行进一步处理后, 判断是否发出报警信号。
在光纤周界安防系统中, 蓄意入侵和环境噪声均能引起光纤传感器振动, 因此, 在保证系统高灵敏度的前提下区分入侵和非入侵事件极为重要。
2神经网络和神经网络集成应用于模式识别
2.1神经网络
神经科学起始于19世纪末, 人工神经元的研究起源于脑神经元学说, 人工神经网络由众多的神经元可调的连接权值连接而成, 具有大规模并行处理、分布式信息存储、良好的自组织自学习能力等特点, 在模式识别应用方面有很大发展潜力。神经网络的种类繁多, 可分为:前馈神经网络、反馈神经网络、自组织网络几个大类[3]。
(1) 前馈神经网络
前馈网络也称前向网络。这种网络只在训练过程会有反馈信号, 而在分类过程中数据只能向前传送, 直到到达输出层, 层间没有向后的反馈信号, 因此被称为前馈网络。感知器 (perceptron) 、BP神经网络、RBF径向基神经网络为常见的前馈网络。
(2) 反馈神经网络
反馈型神经网络是一种从输出到输入具有反馈连接的神经网络, 其结构比前馈网络要复杂得多。典型的反馈型神经网络有:Elman网络和Hopfield网络。
(3) 自组织网络
自组织神经网络是一种无导师学习网络。它通过自动寻找样本中的内在规律和本质属性, 自组织、自适应地改变网络参数与结构。
其中自组织网络为无导师学习网络。反馈网络结构较为复杂。而前馈网络已具有自学习、自适应、容错性、联想性、非线性映射等优点, 且结构相对简单。感知器 (perceptron) 、BP神经网络、RBF径向基神经网络为常见的前馈网络。在神经网络模式识别系统中, 使用最为广泛的是BP神经网络 (Back-Pro Pagation) , 又称误差反向传递神经网络, 1986年, Rumelhart等人提出了多层神经网络模型的反向传播学习算法, 是一种具有非线性连续转移函数的多层前馈网络, 由众多的神经元经过可调的连接权值连接而成, 其结构简单, 可操作性强, 能模拟任意的非线性输入输出关系。BP算法证明多层神经网络具有很强的学习能力, 解决了许多实际的问题。
分类是人工神经网络的主要功能之一, 此功能非常有助于机器的模式识别[4]。目前模式识别系统中分类决策的方法有很多种, 其中BP神经网络算法具有较强的容错性, 能够识别带有噪声或变形的输入模式;而识别系统接收到的信号中, 少不了有噪声的干扰, 因此BP网络的识别效果较好, 另外还具有很强的自学习能力, 只要有足够的训练, 系统就会逐渐完善。
2.2神经网络集成
神经网络已经在很多领域得到了成功的应用, 但由于缺乏严密理论体系的指导, 其应用效果完全取决于使用者的经验。虽然Hornik等人[5]证明, 仅具有一个隐层的前馈网络就能以任意精度逼近任意复杂度的函数, 但一些研究者[6]指出, 对网络的配置和训练是NP问题。在实际应用中, 由于缺乏问题的先验知识, 往往需要经过大量费力耗时的实验摸索才能确定合适的神经网络模型E算法以及参数设置, 其应用效果完全取决于使用者的经验, 即使采用同样的方法解决同样的问题, 由于操作者不同, 其结果也很可能大相径庭。在实际应用中, 操作者往往是缺乏神经计算经验的普通工程技术人员, 如果没有易于使用的工程化神经计算方法, 神经网络技术的应用效果将很难得到保证。
1990年, Hansen和Salamon[7]开创性地提出了神经网络集成 (neural network ensemble) 方法.他们证明, 可以简单地通过训练多个神经网络并将其结果进行合成, 显著地提高神经网络系统的泛化能力。由于该方法易于使用且效果明显, 即使是缺乏神经计算经验的普通工程技术人员也可以从中受益, 因此它被视为一种非常有效的工程化神经计算方法。
当神经网络集成用于分类器时, 集成的输出通常由个体网络的输出投票产生。通常采用绝对多数投票法 (某分类成为最终结果当且仅当有超过半数的神经网络输出结果为该分类) 或相对多数投票法 (某分类成为最终结果当且仅当输出结果为该分类的神经网络的数目最多) 。
在生成集成中个体网络方面, 最重要的技术是Boosting[8]和Bagging (Bootstrap Aggregating) [9]。Boosting方法可以产生一系列神经网络, 各网络的训练集决定于在其之前产生的网络的表现, 被已有网络错误判断的示例将以较大的概率出现在新网络的训练集中。这样, 新网络将能够很好地处理对已有网络来说很困难的示例。另一方面, 虽然Boosting方法能够增强神经网络集成的泛化能力, 但是同时也有可能使集成过分偏向于某几个特别困难的示例, 因此, 该方法不太稳定, 有时能起到很好的作用, 有时却没有效果。Bagging方法的基础是可重复取样 (Bootstrap Sampling) , 在该方法中, 各神经网络的训练集由从原始训练集中随机选取若干示例组成, 训练集的规模通常与原始训练集相当, 训练例允许重复选取, 这样, 原始训练集中某些示例可能在新的训练集中出现多次, 而另外一些示例则可能一次也不出现。Bagging方法通过重新选取训练集增加了神经网络集成的差异度, 从而提高了泛化能力。稳定性是Bagging能否发挥作用的关键因素, Bagging能提高不稳定学习算法的预测精度, 而对稳定的学习算法效果不明显。
3分布式光纤传感周界安防系统信号处理方法
在实际应用中, 分布式光纤传感系统的信号特点分析如下:由于分布式光纤传感周界安防系统的监测区域距离长、范围广, 光纤铺设的环境复杂多样, 受到土质、湿度、温度、掩埋深度、安装方式等诸多因素的影响, 测量信号的一致性很难保证。光源功率波动, 电路噪声等因素也会导致测量信号不稳定, 而且随着测量距离的延长, 真实信号和噪声的幅度均呈减弱趋势。
如何在复杂多变的应用环境中, 使得分布式光纤传感系统在识别入侵或破坏行为的同时, 减少或避免误报, 是本文重点研究的内容。本文利用神经网络中, 有监督模式识别算法的自学习、自适应、容错性好等优势, 构建基于神经网络的信号分类器。同时, 考虑到参考样本自身质量对分类算法泛化能力的影响, 基于神经网络集成和概率统计的思路, 提出一种可适用于对分布式光纤传感信号进行模式识别的方法, 以及相应的报警策略。
3.1信号处理方法
模式识别方法流程如下:
(1) 人为选择:重新训练生成模式分类器或者调用已存储好的模式分类器;
(2) 当系统触发读入一段信号数据后, 计算其特征向量;
(3) 多个分类器同时进行识别判断;
(4) 由统计概率, 得到最终的模式识别结果;
(5) 根据人为的界定和设置, 判断是否报警。
模式分类器的生成过程如下:
1、样本采集, 由分布式光纤振动传感系统采集信号, 经小波滤波抑制系统背景噪声。人为界定需要识别的行为并进行相应激励, 当外界振动信号幅度大于所设置阈值时, 根据预设时间长度读入一段信号数据, 采集这个时间点的前一秒和之后几秒数据, 以保证采集信号的完整。计算设定好的几种特征参数, 组成特征向量, 存为一个样本, 对需要识别的行为建立样本库;
2、样本粗筛选, 具体步骤为:
2a.用所有采集到的样本训练出一个模式分类器, 再用此分类器对这些样本自身进行模式分类测试, 记录此次被错误识别的样本序号;
2b.重复进行步骤2a, 记录每次被错误识别的样本序号;
2c.对步骤2b记录的每次结果求交集, 找出每次都被错误识别的样本, 将这些样本从样本库中剔除。
3、样本细筛选, 具体步骤为:
3a.用经过步骤2粗筛选后的样本库训练出一个模式分类器, 再用此分类器对这些样本自身进行模式分类测试, 记录此次被错误识别的样本序号;
3b.重复进行步骤3a, 记录每次被错误识别的样本序号;
3c.对步骤3b记录的结果进行统计分析, 找出被错误识别的频率较高的样本, 将这些样本暂时隔离。
4、生成和存储模式分类器, 利用经过步骤3细筛选后的样本库, 训练生成一个用于信号模式识别的分类器, 并存储下来。
再将此次被隔离的样本还回样本库 (样本库还原为步骤2粗筛选后的状态) , 重复步骤3细筛选和步骤4训练分类器过程, 存储多个分类器。
其中, 样本粗筛选步骤是考虑到参考样本对分类器的泛化性能的影响, 用以剔除样本库中的奇异数据, 此步骤除了可以起到降低计算代价, 加快学习速度的作用之外, 还可避免过拟合现象的发生, 以保证之后训练生成的分类器的容错性、准确性和泛化能力。此筛选方法是基于实际工程应用的考虑, 在采集样本的数量比例和分布规律难以确定的情况下, 可以对参考样本进行简单有效的筛选。
样本细筛选步骤是考虑到参考样本对分类器的泛化性能的影响, 并且能够应对样本库中的边界数据。每次由分类器随机筛选出部分边界数据, 并进行隔离, 再训练生成一个用于模式识别的分类器。此筛选方法借鉴了神经网络集成中Bagging方法的思想, 使最终获得的各个分类器之间具有一定的差异度, 从而提高了整体识别的泛化能力。
3.2识别结果
样本库中存储有“车经过”、“人行走”、“人敲击”三类数据。利用Matlab实现本文提出的算法流程, 训练得到10个BP神经网络的模式分类器。
对新输入的50段车经过、150段人行走和150段人敲击触发信号进行模式分类结果统计, 识别正确率如下:
将收集的20段风雨数据输入, 识别结果统计如下:
由以上统计结果可以看出, 本文所提出的方法对于特定信号的识别正确率可达98%, 对环境干扰信号的误识别率可低于5%, 本文方法对于不同类别信号的识别准确率可以满足一般工程应用的要求。
4结语
本文基于实际工程应用的考虑, 在采集样本的数量比例和分布规律难以确定的情况下, 利用模式分类器自身对样本进行筛选, 以保证之后训练生成分类器的容错性、准确性和泛化能力, 此筛选方法简单有效。同时, 利用有监督模式识别算法良好的自学习、自适应和非线性映射能力, 并且基于神经网络集成和概率统计的思想, 可在信号带有噪声或变形的情况下, 在识别入侵或破坏信号同时减少误报警率, 可以应对复杂多样的应用环境。实验结果表明, 本文方法可对分布式光纤振动传感信号进行有效识别, 误识别率低。
摘要：本文提出了一种适用于分布式光纤传感周界安防系统的振动信号识别技术。光纤传感具有高灵敏度、易于布设、抗电磁干扰、耐高温和腐蚀、监控距离长等优点。在分布式光纤周界安防系统对距离长、范围广、环境复杂多样的区域进行监测时, 需要系统对光缆沿线发生的事件进行识别, 以降低误报警率。本文利用模式识别技术, 结合神经网络集成和概率统计的思想, 构建基于神经网络的信号分类器, 可以对分布式光纤周界安防系统信号进行有效识别, 并且在很大程度上减少系统的误报警率。
关键词：分布式光纤传感,周界安防,模式识别
参考文献
[1]廖延彪.光纤光学[M].北京清华大学出版社, 2000.
[2]廖延彪, 黎敏, 张敏, 等.光纤传感技术与应用[M].北京清华大学出版社, 2009
[3]边肇祺, 张学工.模式识别[M].北京清华大学出版社, 2000.
[4]孙即祥.现代模式识别[M].长沙:国防科技大学出版社, 2001.
[5]Hornik K M, Stinchcombe M, White H.Multilayer feedfor-ward networks are universal approximators.Neural Networks, 1989, 2 (2) :359-366.
[6]Judd J S.Learning in networks is hard.In:Proc the 1stIEEE International Conference on Neural Networks, San Diego, CA, 1987, 2:685-692.
[7]Hansen L K, Salamon P.Neural network ensembles.IEEETrans Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1990, 12 (10) :993-1001.
[8]Schapire R E.The strength of weak learnability.MachineLearning, 1990, 5 (2) :197-227.
分布式光纤传感系统 第5篇
随着社会的发展与进步, 安全监测与防范问题越来越受到人们的重视。近年来, 各种恐怖活动层出不穷, 各种入侵手段也日益升级, 因此社会对性价比高、稳定可靠的新一代周界安防系统有着迫切的需求。传统的安防监控系统主要是视频监控系统及保安人员定期巡检, 由于摄像机照射范围的局限性及人力巡检的固有缺点, 企业迫切需要一种更加智能化的安防监控系统。这种系统要求实现智能在线监测, 实现对人员非法入侵的报警和监视。杜绝人员通过非正规渠道进入工作区域, 全方位保护站场, 不留死角。
系统设计在区域四周安装探测光缆, 通过敷设传感光缆, 实时感应周围压力、振动等情况, 对人员非法入侵进行报警, 并能与视频监控系统及声光报警器联动, 在有入侵时自动触发声光报警器。随后系统主监控界面实时调取临近摄像头视频监控信息, 自动切换到报警画面, 图形化显示现场情况, 供管理人员进行现场画面的查看, 进一步确认现场实际入侵情况。
2 分布式光纤振动探测系统研究
光纤振动探测系统是一款基于OTDR原理的分布式光纤振动探测系统, 通过光时域反射技术做到精确定位, 结合后端数据分析处理模块, 实现对振动声音的有效监测。具有智能模式识别, 有效降低误报, 具有TPI事件识别, 可以识别人工挖掘、人工活动、大型机械挖掘、大型机械或车辆的运动、断纤等事件。
光脉冲在光纤中传播时, 由于瑞利散射而发生能量损耗, 通过监测后向散射光强度, 就可以获得散射系数或衰减程度沿光纤分布的状况。
OTDR (光时域反射计) 是测量光纤传输链路特性的仪器, 依据测量信号的不同, 可分为利用后向瑞利散射的传感技术, 利用拉曼效应的传感技术和利用布里渊效应的传感技术。其中基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。而基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚, 但由于它在温度、应变测量上所能达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术, 因此这种技术在目前得到了广泛的关注与研究。OTDR原理如下图所示:
OTDR本身具有分布式测量的特点, 但用于分布式传感时, 灵敏度却很低。在OTDR基础上发展了基于相位的光时域反射C-OTDR技术、基于布里渊散射的B-OTDR技术等。其中基于布里渊散B-OTDR技术的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其它传感技术, 但是使用该技术时, 数据处理非常复杂。基于C-OTDR的分布式光纤传感系统不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高等特点, 而且具有隐蔽性好、报警定位精确、数据处理电路相对简单等优点, 适合于对大范围、长距离进行实时监测。
分布式光纤振动探测系统基于C-OTDR传感原理, 采用超窄脉冲光作为种子源, 注入光纤中的光是高度相干的, 输出为脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉的结果。系统采集光纤中的后向瑞利散射光。当光纤链路中有扰动发生时, 系统所采集的后向瑞利散射光的折射率发生改变, 导致在该位置处光相位发生变化, 从而导致散射光光强的变化。系统通过实时检测光强, 将前后两个信号光强进行对比。当光强有变化时, 通过计算强度发生变化的反射时间来判断发生变化的扰动位置。根据入射信号与其返回信号的时间差, 利用布里渊散射的分布式光纤传感器模型公式就可计算出上述事件点与C-OTDR的距离:
式中c为光在真空中的速度, n为光纤纤芯的有效折射率, T为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。如下图所示:
分布式光纤振动探测系统分布式光纤振动传感器可以在光纤链路中精准定位发生扰动 (扰动主要来自声音和振动) 的地点, 从而定位入侵者。
3 应用研究
本文涉及的周界安防, 主要需求是保护一段防线不受入侵破坏。该系统同时可以与已有的视频监测系统进行联动。当发生报警时, 系统主监控界面实时调取临近摄像头视频监控信息, 自动切换到报警画面, 图形化显示现场情况, 供管理人员进行现场画面的查看, 进一步确认现场实际入侵情况。
3.1 系统方案图
探测光缆可采取环回布置, 主机采用如下接线方式。
采用光纤入侵预警监测系统对边防线区域入侵情况进行监测, 系统采用光纤振动传感技术, 通过无源的光纤传感器实现长距离入侵监测、无人值守等功能。采用的光纤入侵预警监测系统单台主机探测距离可达40km, 将探测光缆敷设在边防线铁丝围网内侧 (或采用地埋施工方式敷设) , 利用多台主机共同监测可使边防线区域形成一个封闭的保护区域, 防止非法进入保护区域。
3.2 分布式光纤周界安防系统系统接入
分布式光纤周界安防系统获取信息有三个流程: (1) 事件发生:由探测光缆感知事件的发生; (2) 信息获取:监控主机获取事件详情; (3) 信息输送:监控主机通过自带网络接口传输信息并报警。
分布式光纤侦测系统主机具备多种通信接口, 可以将监测数据、报警信息等接入多个系统或报警设备中。本系统中通过RJ45以太网口将监测数据、报警数据集成至上位软件平台。一旦发生报警, 上位软件平台界面上将弹出报警画面, 精确定位报警位置, 供管理人员采取措施。
3.3 周界安防系统与视频、声光报警器的联动
周界安防系统是由前端信息采集、中间信息传输、监控中心信息处理以及视频、声光联动等组成, 具有威慑、阻挡、预警、报警四重功能。当入侵行为触发报警时, 系统立即联动相应区域声光警报设备, 发出声光, 对入侵者进行恐吓, 并立即联动相应区域摄像机预置位, 通过视频调出的视频图像, 值班人员可迅速直观地看到现场的实际情况。与此同时, 监控中心报警系统会发送音频信号至值班人员, 提醒复核和处理, 且系统能自动记录警情及自动转发报警, 为警情核实及警后处理提供切实可靠的数据资料。
摘要：本文主要阐述分布式光纤安全监测技术的研究与设计。
分布式光纤传感系统 第6篇
关键词：路基塌陷,分布式光纤振动技术,塌陷监测
随着我国经济的快速稳定增长, 铁路建设, 特别是高铁建设, 正以前所未有的速度发展。目前, 我国铁路营业里程已达11.2万km, 位居世界第一。2014年我国完成铁路建设投资8 088亿元, 新线投产8 427 km, 包括兰新高铁、贵广高铁、南广高铁、沪昆高铁长怀段等一批重大工程项目。这些在建或既有铁路不可避免的穿越岩溶发育区域, 在环境和外部荷载等动静载耦合作用下, 铁路路基因岩溶土洞的存在易发生塌陷等灾难性事故。例如, 1999年—2006年期间浙赣线路基施工期间和通车运营初期先后多次发生岩溶塌陷;2001年武汉市江夏区乌龙泉京沪铁路K1241+070段路基发生岩溶塌陷。岩溶土洞塌陷已经成为影响铁路行车安全最重要的灾害之一。因此, 科学评价铁路路基安全状态是路基工程一个亟待解决的问题[1]。常规监测/检测手段如地表监测技术 (GPS) 、探地雷达法 (GPR) 、合成孔径雷达 (In SAR) 干涉测量法、基于岩溶管道裂隙水 (气) 压力监测的触发因素监测法、高密度电阻率法、浅层地震反射法、钻孔电磁波法 (CT) 、声波透射法等[2,3,4,5]存在检测周期长、容易漏检或漏监的缺陷。分布式光纤振动传感技术可以有效探测施加其上振动信号, 目前已经在周界安防等工程中得到了很好应用。岩溶土洞在发育扩展过程中, 土洞内部的坍塌也会产生振动, 通过对振动信号的采集, 可以对土洞发展及塌陷进行及时监测。本文主要提出采用分布式光纤振动测试技术构建分布式路基塌陷监测系统, 利用该系统采集土洞塌陷引起的振动信息, 为路基安全评估提供行之有效的在线监测方法。
1 分布式光纤振动传感原理
分布式光纤振动监控系统利用光的干涉现象, 当由声音或物体振动产生的压力施加于传感光缆时, 由于弹光效应导致传感光缆的长度和折射率发生变化, 从而引起传感光缆中传输光的相位改变。通过光干涉仪, 将光相位的改变转换为光强度的变化, 从而实现信号的解调。以普通通讯光缆本身作为传感设备, 可以检测一根长达几千米到几十千米的光纤的振动情况和应变, 空间采样间隔仅1 m, 检测周期可达秒级。
2 分布式光纤路基塌陷监测集成系统及工程示范
图1为分布式光纤路基塌陷监测集成系统示意图, 主要包括分布式光纤振动系统、多芯信号传输光缆、分布式光纤振动传感器以及路基结构。其中分布式光纤振动系统测试路基塌陷过程中产生的振动信息。路基用的传感器分层布设, 分布式振动传感器布设在靠近岩溶土洞的上部位置, 便于实时采集岩溶土洞演化过程 (产生→扩展→塌陷) 产生的振动信号。各个传感器通过多芯光缆连接, 然后同光纤振动系统集成构建路基测试网络系统。
图2为某高铁路基结构塌陷试验现场施工图, 传感器沿路基方向布设。图3为150 m处路基塌陷振动信号图, 图中光纤振动传感器可有效监测路基塌陷引起的振动信息并对塌陷位置进行定位。
3 结语
基于分布式光纤振动测试技术构建了路基塌陷分布式光纤监测集成系统, 并在某高铁路基工程中进行了路基土洞塌陷现场模型试验。试验结果表明该集成监测系统可以有效获取路基土洞塌陷引起的振动信息, 并能实现较高精度的塌陷区域定位。
参考文献
[1]乔志华.道路工程软土路基变形监测及常见问题分析[J].山西建筑, 2014, 40 (14) :181-182.
[2]何禹, 李永涛, 朱亚军.钻孔电磁波CT技术在设备岩溶勘探中的应用[J].工程地球物理学报, 2010, 7 (4) :451-455.
[3]李嘉, 郭成超, 王复明, 等.探地雷达应用概述[J].地球物理学进展, 2007, 22 (2) :629-637.
[4]张栓宏, 纪占胜.合成孔径雷达干涉测量In SAR在地面形变监测中的应用[J].中国地质灾害与防治学报, 2004, 15 (1) :112-117.
分布式光纤传感系统 第7篇
在基于非线性光学中散射机理的远距离分布式光纤传感测量中, 由于光纤既充当了传感器又充当了信号传输通道, 因此具有非常突出的优势。目前所开展的研究工作主要在三个方向, 它们的理论基础分别是光纤中的背向布里渊散射、喇曼散射和瑞利散射。这三个方向中, 基于布里渊散射的分布式传感技术具有测量范围大、测量精度高及空间分辨率高的特点, 因此更为人们关注。当前基于光纤布里渊散射机理的分布式传感技术的研究热点主要包括:布里渊光时域反射 (BOTDR) 技术、布里渊光时域分析 (BOTDA) 技术以及布里渊光频域分析 (BOFDA) 技术。
1 光纤布里渊散射的传感原理
布里渊散射 (Brillouin Scattering) 是指入射到光纤中的光波与光纤内的弹性声波发生相互作用而产生的一种光散射现象。光纤分布式布里渊散射传感就是利用其背向散射信号来实现对外界物理量的测量。当入射到光纤中的激光功率达到布里渊散射阈值时, 背向布里渊散射光信号随之产生。若光纤所处环境的温度发生变化或外界作用力导致光纤轴向应变变化时, 光纤1.10中原来的背向布里渊散射光的频率和强度也将随之发生变化。
经过理论推导, 可以建立背向布里渊散射光的频率 (用νB表示) 、强度 (用功率PB表示) 与温度、应变关系的模型:
2 光纤布里渊分布式传感技术
2.1 BOTDR分布式光纤传感技术
在BOTDR中, 随着满足功率要求的脉冲光沿着光纤向前传输, 在光纤的输入端就可接收到随之产生的布里渊背向散射光, 由脉冲光与某一具体背向散射光之间的时间差可以确定该背向散射光对应的光纤位置, 而背向散射光的强度和频移是由外界温度和应变决定, 这样就可以通过光纤作为传感器来获取外界的温度和应变信息。
采用光外差相干检测法实验方案[5,6]如图1所示。使用半导体激光器 (LD) 作为光源, 通过耦合器恰当分光后, 一路光用于脉冲强度调制, 另一路光作为本地参考光。泵浦光首先经由脉冲调制器形成光脉冲。光脉冲经掺铒光纤放大器 (EDFA) 进行光放大后, 由耦合器输入到25km的普通单模传感光纤进行传感。返回的散射光 (包括布里渊散射光和瑞利散射光) 和本地参考光一起送入外差接收机进行外差检测。
本地参考光由光源的一束分光经微波电光调制器调制后产生。由于布里渊散射光和瑞利散射光之间存在约11 GHz的布里渊频移, 且布里渊频移会随着温度或应力的变化而漂移, 因此我们需要在以11 GHz频率为中心的范围内调节本地参考光的调制频率, 使其与布里渊频移的差值恰好落在约90 MHz的中频范围内, 就可以实现外差检测。
2.2 BOTDA分布式光纤传感技术
1990年, Horiguchi等人第一次搭建了BOTDA实验系统[7], 其实验系统组成如图2所示。由一台可调谐激光器1从光纤一端输入脉冲光, 另一台可调谐激光器2从光纤另一端输入连续光, 当脉冲光与连续光的频率差与光纤中某段的布里渊频移一致时, 在该段光纤处就会产生布里渊放大效应 (当两束泵浦光在光纤中反向传播, 且两光源的频率差恰好为布里渊频移时, 能量较低的泵浦信号将被放大, 这就是布里渊受激放大效应) , 能量将在脉冲光和连续光之间产生转移。在实际应用时, 布里渊增益信号或布里渊损耗信号都可以作为BOTDA的探测信号。
当传感光纤的某一段受外界影响其温度或应变发生变化时, 导致该位置产生的布里渊频移也变化。通过对两台激光器的调谐使二者之间的频率差等于产生的布里渊频移, 就能接收到该段光纤的布里渊散射信号。由 (1) 式可知, 温度、应变与产生的频移存在线性关系。这样, 可以一面连续调节两台激光器的输出频率, 一面检测输出光的功率, 当能量每次出现最大时, 记录对应的频率差, 从而得到温度、应变信息。
BOTDA分布式传感技术得到人们的广泛关注与研究, 其中X.Bao等人致力于提高B O T D A传感系统的性能, 通过对一根51 km的光纤的布里渊损耗进行测量, 实现温度分辨率1℃空间分辨率5 m[8]。
1999年, 影响光纤分布式布里渊散射应变测量精度的输入激光的脉宽、布里渊线宽、空间分辨率及系统信噪比等诸因素及其相互关系被Anthony.W等人进行了研究[9]。在他们的实验中, 当空间分辨率为0.5m时应变误差为20, 当空间分辨率提高1倍到0.25m时, 应变误差随之增加1倍达到40;系统的信噪比每降低10 d B, 应变误差与之前相比将扩大10倍;布里渊线宽与应变误差的关系为:10 MHz线宽的增加对应1误差的增加。
2.3 BOFDA分布式光纤传感技术
1997年, D.Garus等人提出一种新的光纤分布式传感技术即布里渊频域分析技术 (BOFDA) [10], 其实验系统的组成结构如图3所示。
BOFDA在测量温度与应变时, 其基本原理与前两种技术相同。它的主要特点在于利用光纤的复合基带传输函数来获取具体测量点的位置, 而不再利用经典的光时域反射技术。两束频率不同的连续激光分别从传感光纤的两端注入, 其中一束为抽运光, 另外一束为探测光, 二者的频率差约等于光纤中的布里渊频移量。电光调制器在一频率可变的信号源控制下对探测光进行幅度调制, 对每一个确定的信号频率值, 两束光的功率都将是一定的, 利用两个光电检测器分别检测出它们的功率, 再将结果输入到网络分析仪, 就可以确定传感光纤的基带传输函数。对基带传输函数进行快速傅立叶反变换, 可以得到系统的实时冲激响应, 传感光纤外界的温度或应变信息就包含在其中。D.Garus等人在1 km的光纤中实验结果为:温度分辨率5℃、应变分辨率100和空间分辨率3 m。
3 未来的发展方向
光纤分布式布里渊散射传感技术的研究, 使得远距离、大范围的长期、连续传感成为可能, 也是当今光纤传感发展的一个重要趋势。因此, 受激布里渊散射系统的实用化还需经历相当阶段的发展。其未来的发展方向主要会集中在以下几个方面。
(1) 发展单端光输入的BOTDA和BOFDA技术。对于物理量的测量, 人们总是希望一端是可以直接使用的传感器, 另外一端是传感系统的显示与控制端。而在某些特殊应用场合, 比如油气井下的温度、压力的测量中, 在传感光纤的另外一端实现光的输入是很困难的, 因此发展单端光输入技术非常必要。
(2) 高精度、高灵敏度、高分辨率的光纤传感器或增敏装置的研制。分布式光纤布里渊散射传感的优点在于长距离、连续测量, 但这同样带来了整个传感系统的传感性能 (精度、分辨率、灵敏度等) 均处于同一水平。如果借助在传感要求精度较高的特殊位置, 给光纤安装传感器或增敏装置, 就可以大大提高传感系统在该点的检测指标, 扩大其应用范围。
(3) 基于特种光纤的布里渊散射传感技术的研究。目前, 国内外已经对大有效面积非零色散位移传感光纤 (LEAF) 、保偏光纤 (PMF) 、光子晶体光纤 (PCF) 以及铒钇共掺光纤中的布里渊频谱特性进行了研究。对基于特种光纤的布里渊散射传感系统的研制提供了必要的基础。
(4) 分布式多维传感技术的研究。当前的光纤布里渊散射传感系统基本上都是单根光纤上的一维分布参数测量, 而在很多实际应用中往往需要测量一个区域面的二维问题或一个区块的立体三维问题的参数分布信息。因此, 研究多维分布式的参数测量技术将是一个极有应用前景的发展方向。
4 结语
由于声子振动而产生的受激布里渊散射是较早发现的光纤非线性过程之一。过去, 人们认为非线性现象会导致电磁波信号的失真, 因此极力避免。随着光纤通信传感技术的不断发展, 人们越来越认识到光纤中非线性的另一面, 基于光纤分布式布里渊散射的传感技术得到了迅速的发展, 并取得了很多应用成果。其中基于BOTDR的分布式光纤传感技术已经实现了产品化, 但受激布里渊散射系统还有很多方面仍需要继续进行深入研究。
摘要：随着对光纤中非线性效应的不断研究, 布里渊散射由于可以同时测量外界环境的温度和应变且测量范围与测量精度均较高, 使得其在光纤分布式传感领域得到了广泛的重视和研究。本文介绍了光纤布里渊散射的传感原理, 综述了基于布里渊光时域反射、布里渊光时域分析和布里渊光频域分析的光纤分布式传感技术的原理及进展, 最后从用户需求方面对光纤分布式布里渊散射传感技术的未来发展方向进行了展望。
关键词：布里渊光时域反射,布里渊光时域分析,布里渊光频域分析,布里渊散射,分布式光纤传感
参考文献
[1]黎敏, 廖延彪.光纤传感器及其应用技术[M].武汉:武汉大学出版社, 2008.
[2]T.R.Parker, M.Farhadiroushan, V.A.Handerek.Simultaneous distributed measurement of strain and temperature from noise-initiated Brillouin scattering in optical fibers[J].Quantum Electron., 1998, 34 (4) :645-659
[3]何玉钧, 李永倩, 杨志, 等.全光纤MachZehnder干涉仪及其在光纤自发布里渊散射测量中的应用[J].光子学报, 2002, 31 (7) :865-869.
[4]何玉钧, 尹成群, 等.一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统[J].光子学报, 2004, 33 (6) :721-724.
[5]宋牟平, 范胜利, 陈好, 等.基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究[J].光子学报, 2005, 34 (2) :233-236.
[6]宋牟平.微波电光调制的布里渊散射分布式光纤传感技术[J].光学学报, 2004, 24 (8) :1111-1114.
[7]Horiguchi T, Tageda M.Optical fiber attenuation investigation using stimulated Brillouin scattering between a pulse and a continuous wave[J].Optical Letters, 1990, 2:352-357.
[8]Bao, X., Dhliwayo, J.Heron, et al.Experimental and theoretical studies on a distributed temperature sensor based on Brillouin scattering[J].Journal of Lightwave Technology, 1995, 13 (7) :1340-1348.
[9]Anthony W B, Michael D D, Bao Xiaoyi, et al.Analysis of the precision of a Brillouin scattering based distributed strain sensor Proceeding[J].SPIE, 1999 (3670) :359-365.
分布式光纤传感系统 第8篇
1 光纤传感技术的优点
1.1 适用范围广
光纤传感器是通过光纤和光光波波进进行行信号传输的,而光波天然的优势就就是是受受电电场和磁场干扰小,同时光纤又有很很强强的的耐耐腐蚀及电绝缘特性,所以相比较于于传传统统的的传感器,光纤传感器更适用于一些些条条件件更更加恶劣的情况。同时也由于光波抗抗干干扰扰能能 力强,所以光纤传感器可以用于很很多多物物理理信息(如电磁)的传感[2]。
1.2 灵敏度高
同样是由于光波的自身特点点决决定定的的, , 干涉技术的使用使得输出光的相相位位变变化化明显,这样就大大提高了光纤传感感器器的的灵灵敏度。
1.3 体积小、重量轻、可环绕
由于这个优点的存在,可以在在狭狭小小的的空间内通过对光纤形状的改变而而适适用用,,可可以在有限的可利用空间得到最大大的的利利用用 率。
1.4 对被测介质影响小
基于这一特点,可以将光纤传传感感器器应应用于先进的生物和医药领域。
1.5 成本低廉
相对于传统传感器,光纤传感感器器具具有有价格低廉的优势,所以可以在成本本控控制制上上起到良好的作用。
2 光纤传感技术
2.1 基于 OTDR 的分布式光纤纤传传感感器 器
OTDR技术就是光时域反射技术,该技术利用的是光纤的后向散射光收集光纤信息,从而进行分布式检测。这里的散射形式主要有三种,瑞利散射、布里渊散射和拉满散射[3]。
2.1.1 布 里 渊 光 时 域 反 射射 技技 术 术 (BOTDR)
布里渊散射分为两种情况,分别是受激布里渊散射和自发布里渊散射,其本质就是能量的交换中有声学声子的参与。其中光功率和布里渊频移受温度和应力影响的公式为
通过以上两个公式的计算方方式式我我们们可以知道,只要检测布里渊频移和光功率,就能反向计算得出外部应变和温度分布。
而相干布里渊光时域反射技术的基础工作原理是 :光源分别发出两个部分的光波,一部分进入传感光纤,剩下的部分构成本振光,通过光线中后向散射光与本振光进行相干检测,通过上面的两个公式进行计算,得出散射点位置[4]。
2.1.2 拉曼光时域反射技术(ROTDR)
与布里渊光时域反射技术不同的是拉曼光时域反射技术属于非弹性散射,但是同样的也分为自发散射和受激散射。同样的对于拉曼光时域反射技术有一个计算公式 :
在拉曼散射系统的散射光信号非常微弱,仅有入射光的千万分之一,所以在使用拉曼光时域反射技术的时候一定要加强光源的功率,另外此技术仅限于温度检测[5]。
2.1.3 瑞利散射光时域反射技术
瑞利散射是弹性散射,在光纤中的三种后向散射里,瑞利散射的光强度最大, 所以基于瑞利散射技术的传感器可以对数量众多的物理量进行检测,其中包括温度、电磁场、加速度、应力等等。由于瑞利散射在光纤中接受的调制不同,所以可以分为三种,但目前主要应用的有两种,所以笔者对其中两种进行一下阐述。
2.1.3.1 相位调制光时域反射技术
该技术由泰勒在1993年提出,在当时来说是非常先进、非常灵敏的技术。主要计算公式为 :
在入射光方面的要求是强相干光。
该技术的基本原理是 :由于应力导致线路改变时会影响到光纤折射率,这时相位的改变只能通过后向散射和本振光干涉检测,所以采用频率漂移速度小的激光器。
2.1.3.2 偏振态调制光时域反射技术
由于该技术提出较早,并且在这些年经过大量人员的研究,技术已经相当成熟了,所以这里不进行过多的介绍,在后面再进行详细描绘。
3PCOTDR 理论模型和特性
3.1 直接检测
直接检测技术是在接收光信号后直接把光信号转换成电信号进行检测的技术。优点就是结构简单、成本低廉, 但缺点也很明显,就是接收灵敏度无法保证。在接收后通过以下几个公式可以计 算出相应 的数据 :f(t,r)=real{a(t,r) ejwt},r∈Ara(t,r)=s(t,r)+b(t,r)
3.2 相干检测
因为直接检测对光波信号的利用率太低,不能最大程度的发挥光波的作用, 所以采用相干检测法的趋势越来越明显, 但是对于传统直接检测方法来说,相干检测法要求也相对较高。
3.2.1 基本原理
通过被检测信号与本振光在探测器上光学混频,输出信号为差频电信号,同时比较两个信号是否有相等的频率,以判断是否存在问题。
在相干检测之后的计算部分通过以下几个公式完成 :
3.2.1.1 零差检测
本振光频率和信号光频率相同,也就是ws=wt,这时成为零差检测。此时输出的相干电流是 :
当Фs=Фt时,I(t)=Sasat。同直接检测比较,信号功率大,灵敏度自然也就提高了。
3.2.1.2 外差检测
外差检测虽然信噪比降低了,但是由于不需要锁定相位,所以在设计上简单了许多。
3.2.2 相干检测特性
3.2.2.1 微弱信号的探测
相干检测非常适合微弱信号的检测, 通过以下几个公式就可以看出 :
3.2.2.2 可测最小功率
可测最小功率就是相干检测的灵敏度,这是个理论值,由以下公式可表示 :
NEP=hwt△ f/Ч
虽然实际操作不可能达到理论值,但是相干检测法一样可以检测非常微弱的信号光。
3.2.3 影响系统性能的因素
由于干涉的本质决定了两路光必须有相同的振动分量、传播方向以及频率, 那么以下分析情况笔者就假定是在相同传播方向下发生的。
3.2.3.1 相位差对灵敏度的影响
事实上,相位差由于光功率变化的影响非常敏感,而高灵敏度会造成噪声,所以在测量其他数据的时候,必须考虑固定相位差的问题。
3.2.3.2 偏振态对灵敏度的影响
因为激光具有高相干性的特点,所以经常会由于这一问题导致无法发现偏振态影响灵敏度的情况发生。这时便没有办法了解信号灵敏度。
3.2.3.3 频率对灵敏度的影响
由于相干检测对光源的单色性以及频率稳定程度要求较高,所以频率会较大影响干涉光的功率。
4 基于相干检测的分布式光纤正统传 感器的系统方案
4.1 方案设计
方案设计图如下(图1):
图1 :分布式相干检测光纤传感系统
根据原理图可以看出整个检测系统的工作流程,在元器件的选择上一定要反复计算,从而选择规格合适的器件,否则实验过程会出现偏差。
4.2 系统要求
4.2.1 光源最小功率
由于检测系统的要求在前面已经提到过,这里就不再描述了,总结前面的计算可知,光源的最小功率大概是 -13dBm。
4.2.2 最小采样率
由于要求分辨率目标小于10m,所以根据计算可以知道采样率要大于40MHz。
4.2.3 最大脉冲宽度
通过平衡计算,可知最大脉宽应小于等于100ns。
4.3 软件系统
在软件系统上选择的语言是C++, 平台的选择使用MS VS,这样可以减少大量代码的输入,节省时间。用C++ 编写的程序既可以在UNIX系统上运行,稍加改动就可以在windows平台上运行,十分方便, 如果没有UNIX系统也可以使用PC机安装Linux系统,这样可以最大程度模拟UNIX系统运行,稳定性更好。笔者采用的就是Linux系统下编写及运行。
5 相干检测实际操作结果
首先搭建测试平台,尽可能保持测试平台符合实际操作的环境。
搭建好平台后,将屋子的窗户全部关闭,避免因为外来光源造成的影响(因为模拟环境无法达到真实应用环境要求)。然后使用大规模测试取平均值的方式, 采用1000次以上的测试次数,观察光功率的变化情况。通过对比实验数据,发现问题,由于光纤制造规格的问题,可能会出现这类问题,那么通过平均数计算就可以减少这类影响造成的误差。通过多次实验之后,有效的解决了以上步骤出现的问题。
对于测振系统的实验研究过程中出现的问题,我们可以理解为低端模拟和高端产品之间存在的差距,但是在定位结果上还是比较让人满意的,所以本方案的推广价值还是有的。
对于本次实验系统存在的问题,可以通过以下几个方面的改进而减少误差 :
5.1 提高信噪比
理论上,偏振态变化敏感,易受外界干扰,同时在实验室环境不够完善的情况下,外界影响无法降到最低,所以在实际应用的时候可以通过设计解决这一问题, 故此问题并不严重。
5.2 多点定位
通过多点配合计算可以得出更加准确的结果,所以在实际应用的时候可以有更好的表现,但由于实验环境的不足,暂时无法在实验室解决这一问题。
通过以上总结,笔者认为,技术虽然还不够成熟,但是已经可以应用。
6 总结
综上所述,基于相干检测的分布式光纤振动传感器具有灵敏度高、反应速度快以及误差小等优点,在应用上可以更加广泛。目前来看,PCOTDR测振系统还不够成熟,虽然本文中对这一技术进行了粗略的阐述,希望对PCOTDR的发展有所帮助,在未来发展的道路上可以有更成熟的技术方案和应用范围。
摘要：分布式光纤振动传感器是有着诸多优点的新型传感器,具有适应范围广、灵敏度高、测速快以及安全耐用的特点,是最近几年技术关注的热点。本文结合相干检测和OTDR单端测量,通过实验实现快速的检测以及定位远距离微弱振动,并探讨相关的偏振态调制相干检测,验证其可行性。
分布式光纤传感系统 第9篇
分布式光纤传感技术是在20世纪70 年代末提出的,它将信号传输与传感媒质合二为一,可实现几十甚至上百公里的整个光纤长度上的全分布式测量[1]。光纤传感器的突出优点使其得到了飞速的发展。与常规传感器相比,光纤传感器具有体积小、重量轻、测量灵敏度高、耐高压、耐腐蚀、电绝缘性能好、抗电磁干扰、雷电和噪声能力强、适应恶劣环境等诸多优点。将传感光纤埋设于被测体内或表面,可对参数变化进行实时监测,适用于自检测、自诊断的智能化结构和材料的性能改善,也能适应人类社会大范围网络化和智能化的发展要求。
目前,在长距离分布式温度与应变同时测量的光纤传感方面应用较多的是基于布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer, BOTDR)和布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)的两种技术。基于BOTDR的分布式光纤传感器检测的是自发布里渊散射光,由于光功率较弱,因而难以实现高精度、长距离的分布式传感。本文主要介绍基于BOTDA的分布式光纤传感技术。
1 BOTDA光纤传感技术的原理
1.1 原理
基于BOTDA的分布式光纤传感器利用直流探测光和脉冲泵浦光之间的受激布里渊散射,通过受激布里渊效应对探测光的放大,实现接收信号强度大、测量精度高和宽的动态范围等特性。此外由于测量系统较为简单,因而实现方便[2]。基于检测受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)信号的BOTDA技术在长距离及高精度测量上与其他传感技术相比具有明显优势。BOTDA光纤传感系统如图1所示。采用1.55 μm工作波长
的窄线宽激光器,通过3 dB耦合器将光源分为两路。其中一路光信号由电光调制器(EOM)1调制成脉冲光(泵浦光脉冲),经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大后再经隔离器(ISO)进入传感光纤。另一路光信号经EOM2调制后产生频移约为11 GHz的光信号。为了获得最大的输出信号和平坦的传输特性,EOM前需加偏振控制器(PC)进行偏振态的控制。经过调制后的光信号作为探测光进入传感光纤。当泵浦光和探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时,在该区域就会产生布里渊放大效应(即SBS),两光束之间发生能量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系,因此,对两路光的频率进行连续调节的同时,通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率,就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差,从而实现温度、应变信息的分布式测量。
1.2 布里渊频移与温度和应变的关系
基于SBS的BOTDA技术就是利用了温度、应变对布里渊散射谱的调制关系,其中主要依赖温度和应变引起的布里渊频移。
布里渊频移可表示为[3]
式中,c为真空中的光速,一般光纤中的布里渊散射主要为后向散射,n为光纤折射率,θ为泵浦波与斯托克斯波之间的夹角,ωp为泵浦波频率,Va为声速,可由式(2)表示,
式中,E为介质的杨氏模量,k为泊松比,ρ为介质密度。由于弹光效应和热光效应,光纤的应变和温度的变化会使光纤折射率发生变化,并同时影响光纤自身的参数E、k和ρ等。因此由式(1)和式(2),根据光纤折射率、杨氏模量、泊松比和介质密度各自与温度T和应变ε的关系[4],光纤的布里渊频移也可以表示为T和ε的函数:
2 BOTDA技术的国内外研究动态
2.1 国内研究现状
在国内,目前以跟踪国外研究为主,天津大学等高校已有关于BOTDA技术的理论和实验研究的报道[5],但尚无关于传感系统方面的实验报道。
浙江大学采用了单激光器微波外调制的实验方案。采用基于电光调制的光时域分析系统,用频率扫频方式得到传感光纤各处的布里渊散射频谱,经过数字累加平均器(BOXCAR)进行累加处理来提高信噪比,最后把信号送到计算机进行存储、显示。在25 km光纤上进行温度或应变传感,达到了3 ℃的温度分辨率、5 m的空间分辨率[6]。
华北电力大学也做了一些SBS阈值分析等方面的理论研究和系统方案设计。
2.2 国外研究与应用现状
1990年,Horiguchi等人曾指出早期的基于布里渊散射的光纤传感器包含了系统误差,这将会限制传感器的性能。在最早的BOTDA温度传感实验系统中,空间分辨率和温度分辨率分别为100 m和3 ℃,测温范围为-30~60 ℃[7]。
1999年,E. Geinitz等人提出对系统误差进行补偿,实验测试了12 km光纤,温度误差从20%降到3%,应变误差从833 με降到33 με,空间分辨率为20 m[8]。
同年,B. W. Anthony等人比较全面系统地分析了影响基于布里渊散射的分布式光纤传感器精度的因素及相互关系,通过调整激光脉冲宽度、系统信噪比、布里渊线宽和光纤长度等方法,来得到较小的应变和温度测量误差以及较高的空间分辨率。实验结果表明,在500 mm的空间分辨率下应变误差为20 με,在250 mm的空间分辨率下应变误差为40 με [9];信噪比每下降10 dB,应变误差提高10倍;布里渊线宽每增加10 MHz,应变误差提高1 με[10]。
2002年,Hotate等人提出了一种可大大提高BOTDA系统空间分辨率的技术方案[11,12]。他们采用频率调制连续泵浦光和探测光并求两者互相关函数的技术设计的BOTDA实验系统的空间分辨率理论上可达到毫米量级,目前实验达到了1 cm的空间分辨率,并可实现应变的静态和动态测量。不过该技术方案存在测量范围较小的不足。
X. Bao等人在BOTDA技术研究中做了大量有价值的工作。1993年率先在布里渊损耗型BOTDA系统研究中取得突出进展,在系统中连续光(CW)的频率高于脉冲光的频率,CW探测光在光纤中满足布里渊频移的位置发生损耗,不会产生泵浦耗尽现象,大大增加了传感距离。2004年,用保偏光纤实现了10~30 με应变分辨率、1~2 ℃温度分辨率和1.5 cm缝隙的测量[13],目前加拿大OZ公司已将其产品化。2005年,采用由斯托克斯光信号强度对频率和位置求二阶偏微分的方法,在入射脉冲宽度为2 ns的条件下,实现了空间分辨率5 cm、应变分辨率16 με的测量[14]。2006年,提出了一种基于现象学模型的信号处理方法改善空间分辨率,通过布里渊增益谱与脉冲频谱的卷积修改瞬态布里渊增益谱,考虑漏光作用使基于稳态SBS方程的解析解适用于瞬态域分析。该模型能精确地从测量到的谱中反卷积出应变谱,从而达到精确的应变测量。2007年,采用考虑了脉冲信号消光比(ER)的信号处理技术使空间分辨率提高[15],并对系统偏压控制做了完善[16]。2009年,提出使用一对不同宽度的脉冲的布里渊光时域分析(Different Pulse Pair Brillouin Optical Time Domain Analysis,DPP-BOTDA)方法,在几公里长的光纤中,使用较低的泵浦和探测光功率达到了厘米级的空间分辨率[17]。X.Bao等人的研究小组在该领域的理论、实验和应用等方面都取得了丰硕的成果,目前已开展了通过微波电光调制和色散控制提高测量精度的研究[16,17,18]。
2.3 BOTDA技术的商用化
由于BOTDA传感方式的信噪比较高,因此很多国家对它的研究投入相对多一些。日本Neubrex公司的产品在10 km测量范围内能实现空间分辨率50 cm、温度测量精度1 ℃;1 km测量范围内空间分辨率10 cm、温度测量精度1 ℃。Neubrex公司在该基础上开发了新一代应变测量技术——脉冲预泵浦BOTDA(PPP-BOTDA)技术,实现了10 cm的空间分辨率和±7.5 με的应变测量精度[19]。瑞士的Smartec和Omnisens公司的商用化BOTDA系统DiTeSt在l0 km测量范围内空间分辨率为1 m、温度分辨率为0.5℃;在2.5 km测量范围内空间分辨率为0.8 m,温度和应变的分辨率分别为1℃和20 με。加拿大OZ公司最新的ForesightTM系列产品采用专利光缆设计,能实现空间分辨率10 cm的温度和应变同时测量,在50 km范围内测量精度为0.1℃和±2 με。
2.4 BOTDA技术存在的主要问题
BOTDA技术存在的主要问题如下:
(1) 交叉敏感问题。BOTDA技术中所检测的布里渊频移信号同时受温度和应变的影响,无法由单一的布里渊频移解析温度和应变信息,这种交叉敏感问题制约了传感系统的实用化。
(2) 偏振衰落问题。布里渊增益的变化与泵浦光和探测光的偏振态有关。当两束光的偏振态相同时,布里渊增益最大;当两束光的偏振态正交时,无增益。这种信号波动影响传感系统的稳定性。
为了抑制偏振衰落,可采用偏振控制器、偏振开关和扰偏器来消除偏振噪声,还可采用偏振分集方法抑制偏振衰落。
3 应用领域及发展趋势
3.1 在电力系统中的应用
在电力系统中光缆的种类繁杂多样,我国地域辽阔而且各地地理环境差异大,所以光缆的应用环境也很复杂,其中温度和应变是影响光缆性能的主要环境因素。基于BOTDA的光纤传感技术是一种分布式的测温技术,可实现空间温度分布场的实时测量,能对电力系统中的高压电缆进行全线的实时温度监测,识别在地下电缆网络系统中所出现的温度异常点[20]。
随着风力发电的发展,叶片的故障诊断和维护受到广泛关注。利用BOTDA系统对应变的高精度、高分辨率的同时测量,可实现对风机叶片裂缝、损耗和雷击伤害等故障隐患的监测。相关报道已提出了基于BOTDA的风机叶片结构健康监测方法,实现了对温度、应变和1.5 cm裂缝的测量[21]。
3.2 在基础设施健康监测中的应用
工程中的结构监测已成为光纤传感应用中最活跃的领域。结构参数的测量对桥梁、隧道、大坝和高层建筑等工程的维护是至关重要的。利用BOTDA技术高空间分辨率的特性,测量建筑物的应变分布,可以预知局部荷载的状态。BOTDA分布式光纤传感器既可贴在已有结构的表面,也可在浇筑时埋入结构,从而实现对结构的实时测量,监测结构缺陷的形成和生长,排除安全隐患。
3.3 在其他领域的应用
BOTDA分布式光纤传感系统还可应用于其他很多领域,如在交通运输中,用于路面的结冰探测和铁路监测;在安全系统中,用于火情探测和山体滑坡监测;在环境测量中,用于海洋、森林等野外场所的长期温度测量等。
3.4 发展趋势
如何消除偏振衰落、解决交叉敏感、提高系统精度和增加传感距离将成为下一步的研究方向。现阶段对布里渊分布式光纤传感器的研究仅限于单根光纤轴向上的一维探测信息的传感。随着信息量和监测范围的扩大以及系统精度和稳定性的不断提高,利用逐渐成熟的BOTDA技术实现二维网络式的分布式光纤传感将是重要的发展趋势。
4 结束语
基于布里渊散射的分布式光纤温度和应变传感的研究已成为近年来研究的热点,其中基于BOTDA的分布式光纤传感技术以其在温度、应变测量中所达到的高精度和高空间分辨率得到了越来越广泛的关注。