数字信号处理对分布式光纤传感系统性能提升的研究

发布时间：2017-09-25 06:09

  本文关键词：数字信号处理对分布式光纤传感系统性能提升的研究

  更多相关文章： 相位解调的相位敏感光时域反射仪 相干光时域反射仪 布里渊光时域分析仪 数字信号处理

【摘要】：本文主要论述的是数字信号处理对分布式光纤传感系统性能提升的研究,本文研究的分布式光纤传感系统包括相位解调的相位敏感光时域反射仪(Phase Sensitive Optical Time Domain Reflectometry,Φ-OTDR)、相干光时域反射仪(Coherent Optical Time Domain Reflectometry,COTDR)和布里渊光时域分析仪(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)。并且,在这三种不同的分布式传感系统中使用的方法和手段也不尽相同。在相位解调的Φ-OTDR系统中,构建由微元散射模型、光学I/Q解调及相位解调算法组合的系统模型,并借用数值仿真技术进行模拟仿真。最终,成功地解调出施加在普通单模光纤上的应变信息。为了提高解调的应变信号的信噪比,本文作者提出了平均相位估计相位增强算法,并在光源线宽对相位解调的Φ-OTDR系统性能影响的研究中得到了应用。无论是直接两点相位差,还是平均相位估计相位增强算法,都得出了一致的结论,即随着光源线宽的增加,解调信号的质量不断下降。另外还得到结论是,平均相位估计相位增强算法解调的信号的质量比直接两点相位差的要好。本文作者还编写了基于Labview的实时相位解调的Φ-OTDR系统软件,并进行了压电陶瓷实验研究。获得的结论如下,在一定响应频率、响应幅度范围内,其频率响应值近似相等,幅度响应保持了较好的线性特性。本文在COTDR的研究中,建立COTDR系统相应的模型,应用互相关数据处理算法,实现了对COTDR的模拟仿真。本文作者还提出了改进型互相关数据处理算法,而且该改进型互相关数据处理算法具有明显的优势。即当两种数据处理算法同时处理同一实验数据时,改进型互相关数据处理算法可将COTDR的量程扩大近2倍。在实验部分,本文作者编写了基于Labview的改进型互相关数据处理算法的COTDR系统软件,并获得了验证性的实验结果。本文作者在BOTDA的研究中进行了实验研究,将数字图像处理中非局部均值滤波算法应用到了基于Simplex编码的BOTDA数据处理算法中,将实验采集到的数据,分别经过常规处理算法和在常规处理算法中增加非局部均值滤波算法的处理,从图像视觉角度观察到增加非局部均值滤波算法的优势,而且还通过计算布里渊频移的测量不确定度,定量地凸显非局部均值滤波算法的优势。
【关键词】：相位解调的相位敏感光时域反射仪 相干光时域反射仪 布里渊光时域分析仪 数字信号处理
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;TN911.72
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 散射型分布式光纤传感技术分类12-19
• 1.2.1 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术13-16
• 1.2.1.1 相位敏感型光时域反射仪技术13-14
• 1.2.1.2 相干光时域反射仪技术14-15
• 1.2.1.3 偏振敏感光时域反射仪技术15-16
• 1.2.2 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术16
• 1.2.3 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术16-19
• 1.2.3.1 布里渊光时域反射仪技术17-18
• 1.2.3.2 布里渊光时域分析仪技术18-19
• 1.3 课题意义及主要研究内容19-21
• 第二章 分布式光纤传感理论基础及信号解调原理21-41
• 2.1 Φ-OTDR传感理论及信号解调原理21-28
• 2.1.1 Φ-OTDR传感机理21-22
• 2.1.2 Φ-OTDR主要性能指标22-24
• 2.1.2.1 传感距离22-23
• 2.1.2.2 空间分辨率23
• 2.1.2.3 响应频率23-24
• 2.1.2.4 信噪比24
• 2.1.3 基于Hybrid相位解调的Φ-OTDR解调理论24-28
• 2.2 COTDR传感理论及信号解调原理28-31
• 2.2.1 COTDR传感机理28
• 2.2.2 COTDR主要性能指标28-30
• 2.2.2.1 响应频率29
• 2.2.2.2 测量精度与量程29-30
• 2.2.3 COTDR解调理论30-31
• 2.3 BOTDA传感理论及信号解调原理31-40
• 2.3.1 BOTDA传感机理31-32
• 2.3.2 BOTDA主要性能参数32
• 2.3.3 BOTDA解调理论32-40
• 2.3.3.1 BOTDA编码理论算法32-36
• 2.3.3.2 BOTDA解码拟合理论算法36-38
• 2.3.3.3 BOTDA非局部均值滤波增强算法38-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 基于Hybrid相位解调的Φ-OTDR仿真及实验研究41-52
• 3.1 相位解调Φ-OTDR理论研究41-46
• 3.1.1 相位解调Φ-OTDR仿真模型41-45
• 3.1.1.1 微元散射模型41-42
• 3.1.1.2 光学I/Q解调42-43
• 3.1.1.3 解相位及解卷绕算法43-44
• 3.1.1.4 平均相位估计相位增强算法44-45
• 3.1.2 光源线宽对Φ-OTDR系统性能的研究45-46
• 3.2 相位解调Φ-OTDR实验研究46-50
• 3.2.1 相位解调Φ-OTDR实验装置46-47
• 3.2.2 相位解调Φ-OTDR压电陶瓷实验与声波实验47-50
• 3.2.2.1 相位解调Φ-OTDR压电陶瓷实验48-49
• 3.2.2.2 相位解调Φ-OTDR声波实验49-50
• 3.3 本章小结50-52
• 第四章 COTDR理论仿真及实验研究52-63
• 4.1 COTDR理论研究52-60
• 4.1.1 COTDR仿真模型52-59
• 4.1.1.1 COTDR光路数学模型52-53
• 4.1.1.2 COTDR互相关数据处理算法53-57
• 4.1.1.3 COTDR改进型互相关数据处理算法57-59
• 4.1.2 COTDR优化系统59-60
• 4.1.2.1 COTDR优化光路59
• 4.1.2.2 COTDR改进型数据处理算法在优化光路中的应用59-60
• 4.2 COTDR实验研究60-62
• 4.2.1 COTDR实验装置60-61
• 4.2.2 COTDR应变实验61-62
• 4.3 本章小结62-63
• 第五章 非局部均值滤波算法在BOTDA中的应用63-71
• 5.1 BOTDA实验装置63-64
• 5.2 BOTDA温度实验64-70
• 5.2.1 BOTDA中的常规算法64-67
• 5.2.2 BOTDA常规算法中应用的非局部均值滤波增强算法67-70
• 5.3 本章小结70-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 全文总结及主要贡献71-72
• 6.2 下一步工作展望72-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-78
• 攻读硕士学位期间取得的成果及其参与的科研项目78-79

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