基于压缩感知的分布式光纤稀疏宽频振动信号传感技术

摘要

分布式光纤传感技术在大型设施健康安全监测领域有着越来越多的应用，其中 φ-OTDR 技术依靠其对振动信号的实时感知和处理能力，适合作为需要特性如长距离，大范围，实时性的设施故障检测的检测手段。为了解决振动传感在实际运用中面临的诸多问题，分布式振动传感技术朝着提高信噪比，扩充传感距离，信号处理并行化，扩宽频响范围等方向发展，其中对频响范围的提升以及振动的准确定位有助于提升系统对振动事件的特征分析及判别能力，本文结合压缩感知技术实现了分布式系统的稀疏宽频振动传感，并实现了系统对振动事件的二维曲面定位。主要研究内容如下：　　梳理了分布式宽频振动传感技术，压缩感知技术的发展现状。结合压缩感知在分布式传感的应用现状，模拟信息转换器技术分析分布式系统应用压缩感知改进采样技术的可行性。分别介绍基于压缩感知的光纤分布式宽频振动所需要的两个基础理论，基于瑞利散射的分布式振动传感原理和压缩感知技术的基本原理，以及分布式系统的相干探测技术，为后续的重构算法研究提供指导。　　设计基于匹配追踪的稀疏宽频信号重构方法，进行振动传感仿真实验。分析在加性随机采样条件下的传感矩阵特性，设计改进的匹配追踪算法。算法运用了频率细化、最小二乘解、时域拟合等技术，实现频谱估计和时域重构两个目标。根据残差特性，优化迭代过程提高了频率成分的识别范围。通过仿真实验，实现稀疏频域信号的时域重构。　　搭建基于加性随机间隔非线性调频脉冲的分布式光纤振动传感系统，进行宽频稀疏振动传感实验。在利用压缩感知技术实现稀疏宽频振动信号传感的同时，依据匹配滤波原理，对激光脉冲进行非线性调频，提高了振动信号的传感距离，在50km光纤上成功对频率范围为20kHz的宽频稀疏振动信号进行时域恢复。　　在缠绕光纤的实验罐上使用实验室研发的多参数检测系统工程样机进行振动定位实验。首先对实验罐罐壁的温度场，应变场信号进行稀疏采样，并利用插值算法完成二维场重构。再结合二维插值算法和边缘检测手段，通过分析罐壁各点的起振时间先后，对振动信号进行准确定位。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 分布式光纤宽频振动技术现状

1.3 压缩感知技术发展与应用现状

1.4 压缩感知技术在分布式光纤传感技术的应用

1.5 压缩感知在宽频稀疏信号采样中的采样手段

1.6 本文的研究意义及内容

2 基于压缩感知的分布式宽频振动技术理论

2.1 基于瑞利散射的分布式振动传感

2.1.1 φ-OTDR基本原理

2.1.2 光纤分布式系统相干探测原理

2.2 压缩感知技术理论

2.2.1 信号稀疏表示

2.2.2 观测矩阵的设计

2.2.3 重构信号算法

2.3 本章小结

3 基于压缩感知的分布式振动信号重构仿真

3.1 基于压缩感知的信号重构算法

3.1.1 传感矩阵分析

3.1.2 匹配追踪

3.2 基于压缩感知的振动传感仿真实验

3.2.1 频谱估计

3.2.2 重构算法优化

3.3 本章小节

4 基于压缩感知的长距离宽频振动传感

4.1 脉冲非线性调频

4.2 长距离宽频光纤分布式振动传感实验

4.2.1 实验装置

4.2.2 脉冲触发时间调制

4.2.3 振动信号恢复

4.3 本章小结

5 基于分布式光纤多参数检测系统的振动定位

5.1 分布式光纤多参数检测系统

5.2 移动格林基函数样条二维插值

5.3 实验罐罐壁振动传感

5.3.1 实验罐光纤铺设方案

5.3.2 实验罐温度场、应变场测试

5.3.3 振动信号定位

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续研究工作与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢