Mach-Zehnder和Φ-OTDR光纤周界系统联合信号采集与处理
发布时间：2021-07-27 23:36
光纤传感器具有灵敏度高、结构简单、抗电磁干扰能力强和适应大范围监测等优点,在民航机场周界安防中有着重要应用前景。但在数据采集和信号识别过程中,存在系统工作环境复杂,入侵行为多变,信号采集无法同步和信号分类识别准确率不高的问题。针对以上问题,本文采用基于Mach-Zehnder和Φ-OTDR的联合系统实现入侵信号的识别与定位工作。利用Labview软件解决信号循环保存和同步采集的问题。采用奇异值分解（Singular Value Decomposition,SVD）方法对信号进行去噪,提高信号信噪比。利用改进粒子群优化支持向量机（Modified Particle Swarm Optimization-Support Vector Machine,MPSO-SVM）实现信号的分类和识别。在天津空港某区域采集数据,进行数据处理并验证本文方法有效性。论文主要从以下几个方面展开1、利用labview软件编写信号联合采集程序。根据Mach-Zehnder和Φ-OTDR联合系统原理图布置好实验仪器,采用挂网式和埋地式光纤传感器进行入侵信号探测,利用labview实现联合系统信号连续采集,同步采集,...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤受到径向力示意图
中国民航大学硕士学位论文11换信息。假设激光器发出光源在光纤中传输，经光电探测器接收到距离光源为L处产生的后向瑞利散射光时间为t，有t时刻该信号传输位置与入射光的距离可表示为2ctLn(2.11)式中：c为真空中光速；n为光纤折射率。此时脉冲光信号峰值功率为0PPexpL(2.12)式中：0P为激光器输出脉冲光信号功率；为光路中的光纤衰减系数。在距激光器距离为L时，后向瑞利散射光功率为01exp2RRPcPSWLn(2.13)式中：R为瑞利散射系数，一般取0.12~0.15dB/km；S为后向散射光功率捕获因子；W为脉冲光信号脉冲宽度。有光电探测器最终接收到的后向瑞利散射光功率为0011exp2exp22RRRctPPSWcLPSWcnnn(2.14)根据后向瑞利散射光功率公式知，光时域反射仪接收到的信号功率表现形式为一条从左到右满足指数衰减的曲线。侧面反映了脉冲光信号在光纤中传输的信息。当传感光纤受到外界径向力作用时，脉冲光信号功率曲线会有一个凸起，然后慢慢减少，功率趋向于平稳，此时可通过计算时延确定振动信号发生位置[42]。图2-3Ф-OTDR系统原理图图2-3为相干探测Ф-OTDR系统原理图，激光器发出连续光信号经隔离器传输至耦合器，隔离器确保信号未受干扰源影响，耦合器采用分光比的方式将连续光分成两路，
中国民航大学硕士学位论文132.2基于Mach-Zehnder和Φ-OTDR联合系统的设计由上节利用Ф-OTDR系统进行直接探测可知，后向瑞利散射光信号极其微弱，经双平衡探测器转换后的信号不足以支撑信号进行长距离探测，因为信号光功率低，探测距离越大光功率衰减越快，后向瑞利散射信号微弱，信噪比较低，传感距离短，限制了其工程应用，故在实际应用探测中，要求光功率信号强，探测距离远。而针对相干探测Ф-OTDR系统，本振光与脉冲光混频使得有用信号增强，信号信噪比提升，基于光纤传感器灵敏度高的特性，受到径向力的传感光纤引起信号后向瑞利散射光功率和相位发生变化，使得系统定位效果良好。但是，在处理相干探测的Ф-OTDR信号时，存在信号解调复杂的问题，不易对入侵振动信号进行分类识别上的工作。对于Mach-Zehnder系统，它能够很好地从信号的相位形式上区分振动信号，达到分类识别的效果，但是其在信号多点定位上的缺陷使得系统不能广泛应用。基于以上问题，设计Mach-Zehnder与Ф-OTDR联合预警系统实现光纤传感器的定位和识别。图2-4联合光纤周界系统理论模型Mach-Zehnder与Ф-OTDR联合预警系统结构如图2-4所示。激光器发出的连续光经隔离器传输至耦合器，其目的是保证信号不被干扰，通过13耦合器将光源分为三路，分光比为0.1:90:9.9，其中9.9%的连续光作为单Mach-Zehnder系统光源，90%与0.1%的光分别作为相干探测Ф-OTDR的脉冲光和本振光，Mach-Zehnder子系统和Ф-OTDR子系统相互独立工作，二者的传感光纤位于同一个光缆内。其中Mach-Zehnder子系统工作流程如下。9.9%的连续光光源经50%：50%耦合器均分连续光信号，分别在参考臂和传感臂上进行信号传输，在耦合器4处发生相干干涉，然后信号经双平衡探测器转换
本文编号：3306763
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤受到径向力示意图
中国民航大学硕士学位论文11换信息。假设激光器发出光源在光纤中传输，经光电探测器接收到距离光源为L处产生的后向瑞利散射光时间为t，有t时刻该信号传输位置与入射光的距离可表示为2ctLn(2.11)式中：c为真空中光速；n为光纤折射率。此时脉冲光信号峰值功率为0PPexpL(2.12)式中：0P为激光器输出脉冲光信号功率；为光路中的光纤衰减系数。在距激光器距离为L时，后向瑞利散射光功率为01exp2RRPcPSWLn(2.13)式中：R为瑞利散射系数，一般取0.12~0.15dB/km；S为后向散射光功率捕获因子；W为脉冲光信号脉冲宽度。有光电探测器最终接收到的后向瑞利散射光功率为0011exp2exp22RRRctPPSWcLPSWcnnn(2.14)根据后向瑞利散射光功率公式知，光时域反射仪接收到的信号功率表现形式为一条从左到右满足指数衰减的曲线。侧面反映了脉冲光信号在光纤中传输的信息。当传感光纤受到外界径向力作用时，脉冲光信号功率曲线会有一个凸起，然后慢慢减少，功率趋向于平稳，此时可通过计算时延确定振动信号发生位置[42]。图2-3Ф-OTDR系统原理图图2-3为相干探测Ф-OTDR系统原理图，激光器发出连续光信号经隔离器传输至耦合器，隔离器确保信号未受干扰源影响，耦合器采用分光比的方式将连续光分成两路，
中国民航大学硕士学位论文132.2基于Mach-Zehnder和Φ-OTDR联合系统的设计由上节利用Ф-OTDR系统进行直接探测可知，后向瑞利散射光信号极其微弱，经双平衡探测器转换后的信号不足以支撑信号进行长距离探测，因为信号光功率低，探测距离越大光功率衰减越快，后向瑞利散射信号微弱，信噪比较低，传感距离短，限制了其工程应用，故在实际应用探测中，要求光功率信号强，探测距离远。而针对相干探测Ф-OTDR系统，本振光与脉冲光混频使得有用信号增强，信号信噪比提升，基于光纤传感器灵敏度高的特性，受到径向力的传感光纤引起信号后向瑞利散射光功率和相位发生变化，使得系统定位效果良好。但是，在处理相干探测的Ф-OTDR信号时，存在信号解调复杂的问题，不易对入侵振动信号进行分类识别上的工作。对于Mach-Zehnder系统，它能够很好地从信号的相位形式上区分振动信号，达到分类识别的效果，但是其在信号多点定位上的缺陷使得系统不能广泛应用。基于以上问题，设计Mach-Zehnder与Ф-OTDR联合预警系统实现光纤传感器的定位和识别。图2-4联合光纤周界系统理论模型Mach-Zehnder与Ф-OTDR联合预警系统结构如图2-4所示。激光器发出的连续光经隔离器传输至耦合器，其目的是保证信号不被干扰，通过13耦合器将光源分为三路，分光比为0.1:90:9.9，其中9.9%的连续光作为单Mach-Zehnder系统光源，90%与0.1%的光分别作为相干探测Ф-OTDR的脉冲光和本振光，Mach-Zehnder子系统和Ф-OTDR子系统相互独立工作，二者的传感光纤位于同一个光缆内。其中Mach-Zehnder子系统工作流程如下。9.9%的连续光光源经50%：50%耦合器均分连续光信号，分别在参考臂和传感臂上进行信号传输，在耦合器4处发生相干干涉，然后信号经双平衡探测器转换
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