基于光纤Φ-OTDR的振动信号采集分析研究

发布时间：2020-08-20 19:22

【摘要】：在传统传感技术的传感方式、传感灵敏度和实时性等方面均出现瓶颈期的情况下,光纤传感技术作为一种新型传感技术,以光纤为传感介质,具有灵敏度高、传播带宽大、实时性强等优势,在建筑工程、石油化工、生物医疗等领域应用前景巨大。其中光纤Φ-OTDR振动检测系统利用光纤传感技术,解决了传统振动检测中存在检测盲区、组网复杂等问题,具有传感距离长、覆盖范围广、灵敏度高等特性,广泛应用在周边安防监控、石油和煤气管道安全监测等诸多领域。但是目前的Φ-OTDR振动检测设备结构复杂,为保证系统空间分辨率和信噪比等指标,其数据采集系统需要保持信号高速采集,这就带来了数据量庞大且传输时间长等问题,导致设备体积大、造价高、更新升级困难。为此本文通过分析Φ-OTDR振动检测系统中的瑞利后向散射信号,设计了一套数据采集方案,优化了数据处理算法并制作出样机,在保证Φ-OTDR振动检测系统性能的同时极大的减少了设备体积,降低了成本。具体研究内容如下所示:(1)研究光纤中瑞利后向散射信号的原理,在此基础上对Φ-OTDR振动检测系统进行理论分析并研究其相干探测原理。研究系统的主要参数对系统性能的影响。确定了以FPGA为主控的Φ-OTDR振动检测系统的信号采集方案。(2)根据本文设计的数据采集方案,将数据采集系统按照功能电路分类,并分别对其进行芯片选型和电路设计。为实现高速稳定可靠的数据传输,对关键信号线进行了专门的SI(信号完整性)设计。并在PCB上进行了功能验证和性能测试。(3)在搭建的硬件平台上进行软件设计。按照自上而下的思路对软件进行功能模块划分。同时在软件设计过程中对系统算法进行了优化,解决了IQ解调算法中数据取正和差分累加算法中N值选取等问题。在减少系统数据量的情况下提高了信噪比,并完成系统的原型验证和功能优化。(4)在实验室和高速公路隧道分别进行模拟振动实验和车辆振动检测。在模拟振动实验中,传感光纤长度为2.8km,系统的信噪比为14.8dB;空间分辨率为30m;刷新率为1Hz,动态响应良好。在车辆振动检测中,光纤长度为3km,测试效果良好,同样也检测到了振动信号。证明本文设计的数据采集系统性能良好,设计方案有效,满足Φ-OTDR振动检测系统中信号采集和处理的功能。
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212
【图文】：

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现实生活中的瑞利散射的现象如：天空呈现蓝色、晚霞呈现红橙色在制作过程中由于热扰动或机械振动的原因使得光纤密度不均匀，杂质的影响，引起折射率的不均匀。这种折射率的不均匀使得光波中发生瑞利散射。同时由于光纤对光波的束缚，光纤中的瑞利散射两个传播方向。脉冲光的脉宽W 与其瑞利散射功率RP 满足公式：2vPPSWRs P 表示脉冲光的峰值功率；S 表示后向散射光功率捕获因子；s 表v表示光在光纤中的速度。 2-1 所示，入射光在光纤中向前传输时，会在传播路线上与光纤中瑞利后向散射光。由于光纤中存在损耗，使得光波在光纤传输中存公式（2-1）可知，峰值功率的衰减使得光纤不同位置处的瑞利后同时瑞利散射信号中包含光波的偏振态等信息。通过检测瑞利后向，可对光纤外部的环境变量进行探测，从而实现对作用在光纤上的、扰动等信号的提取。

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第二章系统理论与方案设计测瑞利后向散射信号的干涉强度提取出振动点的信息[13]。为光纤中瑞利后向散射光的干涉模型[14]，如果 A 点的瑞利后向向散射光为一个探测光脉冲的宽度，探测光脉冲从 A 点继续生的瑞利后向散射光向后走，当探测光和 C 点产生的瑞利后时，探测光在 B 点产生的瑞利后向散射光和 C 点产生的瑞利输，且同时到达探测器，发生干涉现象。

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图 2-2 光纤中瑞利后向散射干涉模型统的 OTDR 系统采用宽谱光脉冲，减弱了瑞利后向散射光的干涉强度宽激光源进行 OTDR 测试时，瑞利后向散射曲线会因相干衰落效应从随机波动曲线，造成系统的信噪比低[15]。相对于 OTDR 系统Φ-OTDR宽的激光源，相干长度更长，瑞利后向散射信号之间更容易发生干涉，中瑞利后向散射光叠加干涉的强度变化对振动点实现定位。 2-3 为Φ-OTDR 振动检测系统原理框图[16]，窄线宽的激光源经调制器由冲光后[17]，经过环形器输送到传感光纤中，从环形器另一端输出的瑞利光电探测器接收，通过数据采集卡传输到计算机中，对信号进一步处理从而得到传感光纤范围内的扰动或温度等信息。

【参考文献】