基于长距离准分布式FBG传感器的光纤围栏报警系统

摘要

光纤围栏是利用光纤作为传感介质的一种分布式或准分布式的围栏传感系统，能对光纤传感器布设范围内的对象进行远程和实时的安全监测。基于长距离准分布式FBG传感器的光纤围栏作为一种新型的安防监测系统，不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、易复用的特点，而且FBG技术成熟、成本较低、报警定位精确等优势，在安防领域有着重要的应用前景，也是将来智能安防监测的主流发展方向。 本课题具有很强的挑战性和创新性，针对该课题作者在光纤围栏报警系统的理论研究和实验研究上都做了大量的工作，研究的思路是：光纤围栏可行性方案分析→长距离传感等相关实验→报警实验模型→报警解决方案→信号分析→软件设计→实验反复验证。根据研究思路作者主要做了下面具体工作： (1)分析了光纤围栏可行性解决方案，研究了光纤围栏报警系统的现状，总结出基于长距离准分布式FBG传感器的光纤围栏报警系统具有很好的经济价值和社会价值。 (2)参与提出利用EDF/喇曼混合放大的方法实现长距离传感，实验中使得在100km处的FBG具有7dB的信噪比。提出加入LPFG改善长距离传感系统的整体性能，实验结果使得近端FBG的信噪比提高了4.4dB，在50km上的四个FBG的信噪比都大于15dB，说明可以长距离的围栏监测。 (3)建立了地面监测和围栏监测两个实验模型，总结出信号特征，提出以报警模式实现报警的解决方案。 (4)提出利用动态差值法以减小系统误差和环境噪声，利用小波软阈值去噪法进一步提高信号的信噪比，利用小波多分辨率分析的方法完成信号分割，提出信号整形的思路。 (5)建立了报警信号库模型和报警信号库，提取了报警信号的统计特征和物理特征，总结出报警模式信号的物理特征组合。 (6)采用模糊逻辑主导型的方法进行判断报警模式。 (7)设计和开发光纤围栏报警软件，以软件的形式基本实现了报警和部分判断功能。 (8)进行了模拟实验测试和现场实验验证，模拟实验测试包括报警测试和判断测试，现场实验证明基本能够完成报警模式判断，完全可以用于围栏监测。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2 FBG传感器的应用现状

1.3长距离FBG传感系统的研究现状

1.4光纤围栏可行性技术分析

1.4.1 Sagnac光纤干涉技术

1.4.2 Michelson光纤干涉技术

1.4.3 MZ光纤干涉技术

1.4.4 OTDR技术

1.4.5准分布式FBG传感技术

1.5光纤围栏报警系统及其研究现状

1.5.1光纤围栏报警系统

1.5.2光纤围栏报警系统的研究现状

1.6本课题的意义及其主要研究内容

1.6.1本课题的意义

1.6.2本课题主要研究内容

2FBG的基本原理与解调技术

2.1 FBG基本原理

2.1.1 FBG传感原理

2.1.2 FBG应变特性研究

2.1.3 FBG应变实验

2.1.4 FBG温度特性研究

2.1.5 FBG温度实验

2.2 FBG解调技术

2.2.1光谱分析法

2.2.2匹配滤波法

2.2.3干涉法

2.2.4可调谐光纤F-P解调法

2.2.5 Si425波长分析仪解调原理

2.3本章小结

3长距离FBG传感器系统

3.1长周期光纤光栅制作与腐蚀

3.1.1 LPFG制作原理

3.1.2 LPFG腐蚀特征

3.1.3 LPFG滤波特性

3.2掺铒光纤/喇曼混合放大

3.2.1掺铒光纤放大(EDFA)原理

3.2.2喇曼光纤放大(FRA)原理

3.2.3 EDF/喇曼混合放大

3.3 LPFG滤噪和混合光放大的50km FBG传感系统

3.3.1系统设计

3.3.2基本原理

3.3.3实验及结果

3.3.4结论

3.4混合光放大的100km FBG传感系统

3.4.1系统设计与工作原理

3.4.2实验及结果

3.4.3结论

3.5本章小结

4基于准分布式FBG传感器的光纤围栏报警系统

4.1模拟实验

4.1.1地面入侵监测模拟实验

4.1.2光纤围栏监测模拟实验

4.1.3实验比较分析

4.2信号特征分析

4.2.1应变特征

4.2.2振动特征

4.2.3冲击特征

4.2.4峰值特征

4.2.5周期特征

4.3报警解决方案

4.3.1报警解决方案数学模型

4.3.2地面入侵报警模式分析

4.3.3围栏入侵报警模式分析

4.3.4虚警模式分析

4.4本章小结

5信号分析

5.1小波分析基本理论

5.1.1连续小波变换

5.1.2离散小波变换

5.1.3小波多分辨率分析

5.2报警信号预处理

5.2.1信号去噪

5.2.2信号分割

5.2.3信号整形

5.3报警信号模式判断

5.3.1报警信号库

5.3.2信号特征提取

5.3.3模糊逻辑算法

5.3.4机器学习方法

5.3.5信号模式判断

5.4本章小结

6基于LabVIEW的报警软件

6.1 LabVIEW编程技术

6.1.1 LabVIEW介绍

6.1.2 LabVIEW特点

6.2报警软件流程设计

6.2.1流程框图设计

6.2.2报警界面设计

6.2.3数据预处理模块

6.2.4报警判断模块

6.2.5信号处理模块

6.2.6其他功能模块

6.3实验与分析

6.3.1模拟实验测试

6.3.2现场实验验证

6.3.3结果分析

6.4本章小结

7结论与展望

7.1主要研究总结

7.2主要创新点和关键方法

7.3研究展望

致谢

参考文献

附录