基于干涉和φ-OTDR复合的分布式光纤振动传感技术的研究

摘要

分布式光纤传感是利用光纤作为传感介质,能对沿光纤线路的对象进行远程和实时监测的技术。在长距离安全监测如天然气输送管道、石油管道监控和民用设施的健康监测如桥梁、大型建筑等方面有广泛的应用。到目前为止,国内外学者主要对分布式光纤振动传感的两类技术展开广泛研究:①基于干涉原理,②基于散射原理(如瑞利散射或布里渊散射技术)。干涉型传感技术的频响非常高,它的信号解调方法还需要进一步简化,空间分辨率也有待提高,更重要的是基于干涉原理的分布式振动测量技术无法实现多点振动源的同时定位和测量。另一方面,基于布里渊散射技术进行振动测量的频响范围很小,而基于瑞利散射的OTDR技术具有定位精确高、可进行多点振动定位、以及信号处理方法简单等优点,由于后向瑞利散射光很弱,多次平均处理的结果使得对振动的频率响应仍然不高。本项目提出的测量系统结合干涉技术以及φ-OTDR技术各自的优点,期望通过建立复合系统实现高空间分辨率和高频响的分布式振动测量。
　　论文的主要工作如下:
　　①概述干涉技术和OTDR技术的相关理论,为两种技术的复合奠定了基础。首先,根据光纤中后向瑞利散射的产生机理,通过建立离散模型描述φ-OTDR系统的工作原理,并且分析基于OTDR技术的分布式传感系统的技术特点;其次,简要介绍干涉技术测量外界振动的原理,同时分析基于干涉技术的分布式传感系统的优缺点。最后,讨论干涉技术和OTDR技术各自的光路特点,通过光复用技术能够实现两者的结合。
　　②为了达到高空间分辨率和高频响的振动测量目的,提出基于干涉技术和OTDR技术相结合的分布式振动测量方法。通过波分复用技术将Michelson干涉和φ-OTDR技术结合,Michelson干涉实现对振动信号的高频分量测量,同时φ-OTDR技术可以获得振动位置信息和低频分量。实验结果表明,当20ns光脉冲打入1km传感光纤时,振动系统的频率响应可以达到~8MHz,同时空间分辨率也达到~2m。
　　③φ-OTDR系统对外界振动很敏感,振动点位置对应的瑞利曲线强度会发生急剧变化,而非振动点位置的瑞利曲线强度很平稳。基于此,我们利用二维图像边缘检测的方法用于振动位置的提取,并且检测算子在邻域内具有平均的效果,可以非常有效地提高振动位置信号的信噪比,同时通过优化算子矩阵大小可以提高振动位置的空间分辨率。实验结果表明,当光脉冲宽度为50ns时,在1km传感光纤上可以实现~3m的空间分辨率和~8.4dB的位置信号信噪比,极大地提高了φ-OTDR系统的性能。
　　④频率信息对于动态振动测量是一个重要的参数。快速傅里叶变换(FFT)只能适用于平稳和周期性的振动信号的频谱分析。而对于非平稳瞬态信号,如材料撕裂、发动机的振动,FFT算法不能反映瞬态信号的局部频域特性,我们利用经验模式分解(EMD)方法分析非稳态振动信号的时频特性。实验中,我们采用扫频信号(500Hz~1KHz)驱动压电陶瓷管模拟非稳态振动,所得实验结果与扫频信号的频率信息吻合,因此对于φ-OTDR系统来说,EMD算法是一种有效的非稳态信号处理方法。