基于频谱比值的分布式光纤传感定位研究
基于频谱比值的分布式光纤传感定位研究[20191215150642]
光纤传感是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。近年来，分布式光纤传感技术在许多大型工程方面具有迫切的应用需求，如铁路运行、输油气管道、大型舰船的安全监测等。因此研究分布式光纤传感定位系统是一个有应用前景和实际意义的课题。
论文的主要内容：首先，简单介绍了分布式光纤传感技术的原理与发展。随后论述了分布式光纤传感系统，其中主要包括系统的结构，波分复用技术与系统理论分析, 特点是容易实现、简单操作与设备。
其次，在将原始信号输入系统，在系统上施加干扰信号的基础上，论述了系统定位原理，主要是使用相位生成载波来标记出有效的光信号，再运用频谱估计定位算法，提高定位的准确度与距离。
最后，利用Labview进行系统的模拟仿真，对各组数据进行多次实验，分别收集系统各模块的频谱，对实验结果进行Maltab曲线拟合。根据拟合结果，表明了可行性与准确性，弥补了之前已有的定位算法的精度低、距离短与稳定性较差的不足。
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关键字:字光纤、分布式、传感器、波分复用、定位
目录
摘 要 I
ABSTRACT IV
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 分布式光纤传感技术 2
1.2.1分布式光纤传感技术工作原理 2
1.2.2分布式光纤传感技术发展现状 3
1.3论文主要内容 4
第二章 分布式光纤传感系统结构及原理 6
2.1引言 6
2.2波分复用理论 6
2.3基于波分复用的分布式光纤传感系统的结构 7
2.4基于波分复用的分布式光纤传感系统理论分析 8
第三章 分布式光纤传感系统定位算法 11
3.1引言 11
3.2相位生成载波技术 11
3.3定位原理 12
3.4频谱估计定位算法 13
第四章 曲线拟合 15
4.1引言 15
4.2曲线拟合理论 15
4.3曲线拟合算法 16
4.3.1最小二乘法 16
4.3.2内插值法 17
4.4曲线拟合优化 18
第五章 实验结果与分析 20
5.1引言 20
5.2实验研究 20
5.3实验结果 21
第六章 结论 29
第一章 绪论
1.1引言
光纤由于具有工作稳定性高，频带范围宽，动态变化大，功率损耗低等优点，已经逐渐成为基本通信传输线路。在某些危险系数较高的地点或场合，特别是易燃易爆、强磁场干扰等恶劣环境，光纤在这些情况下起着不可替代的作用。由于本身所具有的优良导电性、轻量化、弯曲性好与抗干扰能力卓越等特点，已经吸引了越来越多的研究，是一种新兴的、含有巨大的潜力的材质，推动着传感技术的持续发展，促进了更多的不同领域的深入研究。
光纤通信技术在20世纪70年代迅猛发展，因此光纤通信相关技术的革命也随之不断进行着，光纤传感技术就是其中一个典型的例子。光纤传感技术是一种调制与解调相互融合的新型传感技术，主要通过感知和传输光纤中传输的光信号，光纤作为传输介质，光波作为形式。因此，光纤传感技术拥有其他材质技术所没有的巨大优势，稳定性与抗干扰能力突出，传播快速，光电之间的能量形式转换方便迅速，损耗功率低，是新时代发展势头迅猛的一项技术。
根据光纤传感对外界信号的不同反应与功能，主要将光纤传感分为感知与传输两类功能。光纤传感的感知主要指调制，即根据原始信号的变化规律，将光纤传输线路中传输的光信号的不同特征性质进行调整。光纤传感的传输主要指解调，即通过检测传感接受器中所接收到的已调制光信号，然后再利用相关技术，从接收光信号中提取出原始信号，进行信号处理。所以，光纤传感技术研究的方面主要是，根据原始信号来调制光纤中传输的光信号性质的技术与解调出光纤传输的光信号中的原始信号的技术。
另外，光纤传感也拥有许多独一无二的优点：
（1）高灵敏度，抗电磁干扰。外界环境磁场不会对光纤传感器产生影响，在传输过程中，光信号也受到很好的保护，基本不会收到电磁波与外界干扰信号的影响；
（2）光纤的弯曲性与易塑性使其能够以不同形态应用于不同的场合，保证功能的实现；
（3）频带范围宽，动态变化大；
（4）可移植性强。根据不同场合所需要的不同性质，例如磁场、辐射、流量等，调整光纤传感系统中的不同物理量可以保证大范围与长距离等要求的可实现性；
（5）可嵌入性强。为了控制与检测光信号，通过将光纤系统与计算机等设备建立连接，就可以确保功能的实现。
1.2分布式光纤传感技术
1.2.1分布式光纤传感技术工作原理
分布式光纤传感系统的原理主要基于光纤传感技术，针对传感光纤所具有的感知与传输特性，引用了光时域反射仪（OTDR）技术的最新研究，检测到随着光纤长度变化，其不同位置的性质变化。与普通光纤传感器不同，分布式光纤传感器具有空间范围大，传输距离远等优点，能收集到沿光纤长度范围内的大量信息。
光时域反射仪与光纤干涉法是分布式感应技术的两个最大特点。光时域反射仪(OTDR)应用了反向反射光具有低敏感性，因此让它不适合检测时变信号。菲涅耳反向光的后向散射的原理是光时域反射仪（OTDR）的重要部分，由光纤传感器中输出端的后向散射光获取衰减的信息，在光纤电缆设备、相关设施的维护及检测等处起着至关重要的作用。因此，它还适用于测量光纤传输损耗、衰减系数、定位光纤故障位置以及研究随长度变化光纤传输性质的变化情况等。
另外光时域反射仪通过发送光脉冲进入输入端，由于受到散射粒子的散射，或遇到光纤断裂面产生菲涅尔反射，利用光束分离器将其中的菲涅尔反射光和瑞利背向散射光送入接收器，再变成电信号并随时间的变化在示波器上显示。
干涉法主要针对干涉光路系统中传输的光信号或光波，使用不同形式的干涉装置进行不同方式的解调，最终获取所需信息。干涉法最核心的技术就是构造干涉系统将相位的变化量转变为可以用光电探测器检测的光强变化量。
在所有光纤传感技术中，干涉光纤传感得到了极大的发展是因为它具有几何灵活、灵敏度高、安全度高和广泛的动态范围。一项干涉技术是用来萨格奈克型干涉仪沿着一个萨格奈克型环来检测一个时变、不集中的干扰。其中有两个因素需要得到解决，一个是从环中心点到干扰点的距离，另一个是相位干扰频率。所以，要解决这两个问题，可以通过两个不同的萨格奈克型干涉仪的连接。然而，这种结构是非常复杂的，对于精确度，需要准确的信号处理。马赫-泽德和萨格奈克混合型干涉仪被用来探测宽频带干扰信号。干扰的位置取决于输出频域中零频域的位置。但是分布式传感器在定位信息的解调检波上仍然有不少限制，当接近于空频率的外部干扰信号的频率不足时，这虚假的空频率会被检测到，取决于频谱中检波相位不同的检波位置信息，其将会有极大的误差。
1.2.2分布式光纤传感技术发展现状
近些年来，光纤技术的发展促进着光纤传感技术地迅速发展，光纤传感技术的相关技术正逐渐成为具有巨大应用前景的产业。在检测的环节中，分布式光纤传感技术基本上是检测光纤的性质，即一维空间连续性质。光纤不仅调制原始信号，传输光信号，而且还在接收端解调出原始信号，保证收集到检测信号的空间分布状态、随时间变化的规律、沿光纤分布的参数变化等。
分布式光纤传感系统在如今的应用方面主要面临决两个问题：一方面是如何选择传感文件，例如在光纤中，要能够获取沿空间位置变化的连续变化值信息；另一方面是如何确定解调力法，要能够精确定位需测量的信号的空间位置。前一个问题，可以通过调用已知的测量结果，例如连续分布的光纤中传输损耗系数、传输产生的相位差与非线性效应变化等；后一个问题，要得到被测量信号所对应的空间位置，可以通过使用光时域反射技术、扫描干涉技术等方法来获取。
以下几个方面是该分布式光纤传感技术发展进程中所必须着重关注的：(1)同时实现某单根光纤上多个不同性质的测量，比如物理参数(衰减和突变)或能量参数等；(2)加强信号接收与处理功能，加强对信号的辨别与精确判断不确定度的能力；(3)提高测量系统的测量范围，减少测量时间；(4)研究基于二维或者更多维数的分布式光纤传感器网络。
干涉型分布式光纤传感系统的研究在管道检测、安防监测等方面得到了广泛关注。由于基于相位调制原理，干涉信号中携带有信号信息及作用位置信息，为了从中分离出信号的位置信息，提出了在干涉型分布式光纤传感系统中，使用多种不同的复合干涉结构来实现定位。采用复合干涉结构实现定位的方法主要有两种，一种是利用时域相位比值的方法定位。然而这种方法对解调信号的要求很高，传感光纤线路上叠加的干扰将对其产生很大的影响，因而定位精度较低；另一种是利用时延的方法实现定位，上述方法是利用复合干涉结构进行定位的，近年来还有一种利用干涉信号的频谱变换后的结果通过寻找特定点(陷波点)定位的方法，但这种定位方法在实际应用中将会受到一定程度的限制，由于其需要特定频率的原始信号，所以只能适用于某些特定信号的定位。
在将来的研究过程中，光纤传感技术的研究方将向下列三个方向发展：
（1）光纤光栅传感器。目前，在光纤传感领域，重点主要是光纤布拉格光栅传感器。光纤光栅传感器(FBG)有高灵敏度，并且系统组成简单，容易组成分布式体系，可以实现在某段长光纤上的多点检测。在实际应用中，光纤光栅传感器可以满足大部分安全问题的需求，既可以实时监控大型系统，也可以代替普通的光纤传感器，实现系统性能的大幅度提升。虽然目前的光纤光栅传感技术拥有良好的发展趋势，但是在许多方面仍然需要不断改进。
（2）阵列复用传感系统。列阵复用的传感系统也称为准分布式系统，主要功能是用光纤传感器来阵列化系统中的单点或者空间多点。目前，应用最为广泛的是光纤光栅阵列传感和基于干涉结构的阵列光纤传感系统。大范围、长距离的优点也是多点传感阵列化光纤传感器的特点。
（3）分布式光纤传感系统。分布式光纤传感系统使用了光波分布参量，保证了在传感光纤范围内的参量变化的分布信息，以此来实现远距离、大范围的连续的、长期的检测。
1.3论文主要内容
第一章 绪论
本章介绍了分布式光纤传感器的工作原理，发展现状已经应用前景。分布式感应技术独特的两点分别是光时域反射仪与光纤干涉法。近些年，光纤传感技术的飞速发展已经成为新时代光纤技术领域的研究热门，说明了光纤传感技术将来的发展方向。
第二章 分布式光纤传感系统结构及原理
本章主要论述了波分复用技术的原理与在系统的应用运用，介绍了分布式光纤传感系统的整体架构，主要是采用两个3×3耦合器，分别构成两个干涉光路，还分析了当干扰信号施加于系统通路上，判断干扰信号使用的理论和方法。
第三章 分布式光纤传感系统定位原理
本章主要讨论了分布式光纤传感系统中最核心的理论基础，即定位算法。在频率域上比较两路相位信号的频谱特性,确定扰动发生的位置消除了扰动信号幅度、频率成分变化对定位的影响。本章还重点叙述了相位载波解调技术、光纤传感系统定位原理以及频谱估计算法等。
第四章 基于定位原理的曲线拟合
本章针对曲线拟合算法进行了介绍与算法优化的讨论。曲线拟合是指根据已知的测量数据来选择适合的曲线类型拟合该数据，得出自变量与因变量之间的对应关系式以及关系式中所存在的未知参数。本章还对介绍了曲线拟合最主要的两种算法与优化方法，表明了曲线拟合在实际应用中的重要性。
光纤传感是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。近年来，分布式光纤传感技术在许多大型工程方面具有迫切的应用需求，如铁路运行、输油气管道、大型舰船的安全监测等。因此研究分布式光纤传感定位系统是一个有应用前景和实际意义的课题。
论文的主要内容：首先，简单介绍了分布式光纤传感技术的原理与发展。随后论述了分布式光纤传感系统，其中主要包括系统的结构，波分复用技术与系统理论分析, 特点是容易实现、简单操作与设备。
其次，在将原始信号输入系统，在系统上施加干扰信号的基础上，论述了系统定位原理，主要是使用相位生成载波来标记出有效的光信号，再运用频谱估计定位算法，提高定位的准确度与距离。
最后，利用Labview进行系统的模拟仿真，对各组数据进行多次实验，分别收集系统各模块的频谱，对实验结果进行Maltab曲线拟合。根据拟合结果，表明了可行性与准确性，弥补了之前已有的定位算法的精度低、距离短与稳定性较差的不足。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字光纤、分布式、传感器、波分复用、定位
目录
摘 要 I
ABSTRACT IV
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 分布式光纤传感技术 2
1.2.1分布式光纤传感技术工作原理 2
1.2.2分布式光纤传感技术发展现状 3
1.3论文主要内容 4
第二章 分布式光纤传感系统结构及原理 6
2.1引言 6
2.2波分复用理论 6
2.3基于波分复用的分布式光纤传感系统的结构 7
2.4基于波分复用的分布式光纤传感系统理论分析 8
第三章 分布式光纤传感系统定位算法 11
3.1引言 11
3.2相位生成载波技术 11
3.3定位原理 12
3.4频谱估计定位算法 13
第四章 曲线拟合 15
4.1引言 15
4.2曲线拟合理论 15
4.3曲线拟合算法 16
4.3.1最小二乘法 16
4.3.2内插值法 17
4.4曲线拟合优化 18
第五章 实验结果与分析 20
5.1引言 20
5.2实验研究 20
5.3实验结果 21
第六章 结论 29
第一章 绪论
1.1引言
光纤由于具有工作稳定性高，频带范围宽，动态变化大，功率损耗低等优点，已经逐渐成为基本通信传输线路。在某些危险系数较高的地点或场合，特别是易燃易爆、强磁场干扰等恶劣环境，光纤在这些情况下起着不可替代的作用。由于本身所具有的优良导电性、轻量化、弯曲性好与抗干扰能力卓越等特点，已经吸引了越来越多的研究，是一种新兴的、含有巨大的潜力的材质，推动着传感技术的持续发展，促进了更多的不同领域的深入研究。
光纤通信技术在20世纪70年代迅猛发展，因此光纤通信相关技术的革命也随之不断进行着，光纤传感技术就是其中一个典型的例子。光纤传感技术是一种调制与解调相互融合的新型传感技术，主要通过感知和传输光纤中传输的光信号，光纤作为传输介质，光波作为形式。因此，光纤传感技术拥有其他材质技术所没有的巨大优势，稳定性与抗干扰能力突出，传播快速，光电之间的能量形式转换方便迅速，损耗功率低，是新时代发展势头迅猛的一项技术。
根据光纤传感对外界信号的不同反应与功能，主要将光纤传感分为感知与传输两类功能。光纤传感的感知主要指调制，即根据原始信号的变化规律，将光纤传输线路中传输的光信号的不同特征性质进行调整。光纤传感的传输主要指解调，即通过检测传感接受器中所接收到的已调制光信号，然后再利用相关技术，从接收光信号中提取出原始信号，进行信号处理。所以，光纤传感技术研究的方面主要是，根据原始信号来调制光纤中传输的光信号性质的技术与解调出光纤传输的光信号中的原始信号的技术。
另外，光纤传感也拥有许多独一无二的优点：
（1）高灵敏度，抗电磁干扰。外界环境磁场不会对光纤传感器产生影响，在传输过程中，光信号也受到很好的保护，基本不会收到电磁波与外界干扰信号的影响；
（2）光纤的弯曲性与易塑性使其能够以不同形态应用于不同的场合，保证功能的实现；
（3）频带范围宽，动态变化大；
（4）可移植性强。根据不同场合所需要的不同性质，例如磁场、辐射、流量等，调整光纤传感系统中的不同物理量可以保证大范围与长距离等要求的可实现性；
（5）可嵌入性强。为了控制与检测光信号，通过将光纤系统与计算机等设备建立连接，就可以确保功能的实现。
1.2分布式光纤传感技术
1.2.1分布式光纤传感技术工作原理
分布式光纤传感系统的原理主要基于光纤传感技术，针对传感光纤所具有的感知与传输特性，引用了光时域反射仪（OTDR）技术的最新研究，检测到随着光纤长度变化，其不同位置的性质变化。与普通光纤传感器不同，分布式光纤传感器具有空间范围大，传输距离远等优点，能收集到沿光纤长度范围内的大量信息。
光时域反射仪与光纤干涉法是分布式感应技术的两个最大特点。光时域反射仪(OTDR)应用了反向反射光具有低敏感性，因此让它不适合检测时变信号。菲涅耳反向光的后向散射的原理是光时域反射仪（OTDR）的重要部分，由光纤传感器中输出端的后向散射光获取衰减的信息，在光纤电缆设备、相关设施的维护及检测等处起着至关重要的作用。因此，它还适用于测量光纤传输损耗、衰减系数、定位光纤故障位置以及研究随长度变化光纤传输性质的变化情况等。
另外光时域反射仪通过发送光脉冲进入输入端，由于受到散射粒子的散射，或遇到光纤断裂面产生菲涅尔反射，利用光束分离器将其中的菲涅尔反射光和瑞利背向散射光送入接收器，再变成电信号并随时间的变化在示波器上显示。
干涉法主要针对干涉光路系统中传输的光信号或光波，使用不同形式的干涉装置进行不同方式的解调，最终获取所需信息。干涉法最核心的技术就是构造干涉系统将相位的变化量转变为可以用光电探测器检测的光强变化量。
在所有光纤传感技术中，干涉光纤传感得到了极大的发展是因为它具有几何灵活、灵敏度高、安全度高和广泛的动态范围。一项干涉技术是用来萨格奈克型干涉仪沿着一个萨格奈克型环来检测一个时变、不集中的干扰。其中有两个因素需要得到解决，一个是从环中心点到干扰点的距离，另一个是相位干扰频率。所以，要解决这两个问题，可以通过两个不同的萨格奈克型干涉仪的连接。然而，这种结构是非常复杂的，对于精确度，需要准确的信号处理。马赫-泽德和萨格奈克混合型干涉仪被用来探测宽频带干扰信号。干扰的位置取决于输出频域中零频域的位置。但是分布式传感器在定位信息的解调检波上仍然有不少限制，当接近于空频率的外部干扰信号的频率不足时，这虚假的空频率会被检测到，取决于频谱中检波相位不同的检波位置信息，其将会有极大的误差。
1.2.2分布式光纤传感技术发展现状
近些年来，光纤技术的发展促进着光纤传感技术地迅速发展，光纤传感技术的相关技术正逐渐成为具有巨大应用前景的产业。在检测的环节中，分布式光纤传感技术基本上是检测光纤的性质，即一维空间连续性质。光纤不仅调制原始信号，传输光信号，而且还在接收端解调出原始信号，保证收集到检测信号的空间分布状态、随时间变化的规律、沿光纤分布的参数变化等。
分布式光纤传感系统在如今的应用方面主要面临决两个问题：一方面是如何选择传感文件，例如在光纤中，要能够获取沿空间位置变化的连续变化值信息；另一方面是如何确定解调力法，要能够精确定位需测量的信号的空间位置。前一个问题，可以通过调用已知的测量结果，例如连续分布的光纤中传输损耗系数、传输产生的相位差与非线性效应变化等；后一个问题，要得到被测量信号所对应的空间位置，可以通过使用光时域反射技术、扫描干涉技术等方法来获取。
以下几个方面是该分布式光纤传感技术发展进程中所必须着重关注的：(1)同时实现某单根光纤上多个不同性质的测量，比如物理参数(衰减和突变)或能量参数等；(2)加强信号接收与处理功能，加强对信号的辨别与精确判断不确定度的能力；(3)提高测量系统的测量范围，减少测量时间；(4)研究基于二维或者更多维数的分布式光纤传感器网络。
干涉型分布式光纤传感系统的研究在管道检测、安防监测等方面得到了广泛关注。由于基于相位调制原理，干涉信号中携带有信号信息及作用位置信息，为了从中分离出信号的位置信息，提出了在干涉型分布式光纤传感系统中，使用多种不同的复合干涉结构来实现定位。采用复合干涉结构实现定位的方法主要有两种，一种是利用时域相位比值的方法定位。然而这种方法对解调信号的要求很高，传感光纤线路上叠加的干扰将对其产生很大的影响，因而定位精度较低；另一种是利用时延的方法实现定位，上述方法是利用复合干涉结构进行定位的，近年来还有一种利用干涉信号的频谱变换后的结果通过寻找特定点(陷波点)定位的方法，但这种定位方法在实际应用中将会受到一定程度的限制，由于其需要特定频率的原始信号，所以只能适用于某些特定信号的定位。
在将来的研究过程中，光纤传感技术的研究方将向下列三个方向发展：
（1）光纤光栅传感器。目前，在光纤传感领域，重点主要是光纤布拉格光栅传感器。光纤光栅传感器(FBG)有高灵敏度，并且系统组成简单，容易组成分布式体系，可以实现在某段长光纤上的多点检测。在实际应用中，光纤光栅传感器可以满足大部分安全问题的需求，既可以实时监控大型系统，也可以代替普通的光纤传感器，实现系统性能的大幅度提升。虽然目前的光纤光栅传感技术拥有良好的发展趋势，但是在许多方面仍然需要不断改进。
（2）阵列复用传感系统。列阵复用的传感系统也称为准分布式系统，主要功能是用光纤传感器来阵列化系统中的单点或者空间多点。目前，应用最为广泛的是光纤光栅阵列传感和基于干涉结构的阵列光纤传感系统。大范围、长距离的优点也是多点传感阵列化光纤传感器的特点。
（3）分布式光纤传感系统。分布式光纤传感系统使用了光波分布参量，保证了在传感光纤范围内的参量变化的分布信息，以此来实现远距离、大范围的连续的、长期的检测。
1.3论文主要内容
第一章 绪论
本章介绍了分布式光纤传感器的工作原理，发展现状已经应用前景。分布式感应技术独特的两点分别是光时域反射仪与光纤干涉法。近些年，光纤传感技术的飞速发展已经成为新时代光纤技术领域的研究热门，说明了光纤传感技术将来的发展方向。
第二章 分布式光纤传感系统结构及原理
本章主要论述了波分复用技术的原理与在系统的应用运用，介绍了分布式光纤传感系统的整体架构，主要是采用两个3×3耦合器，分别构成两个干涉光路，还分析了当干扰信号施加于系统通路上，判断干扰信号使用的理论和方法。
第三章 分布式光纤传感系统定位原理
本章主要讨论了分布式光纤传感系统中最核心的理论基础，即定位算法。在频率域上比较两路相位信号的频谱特性,确定扰动发生的位置消除了扰动信号幅度、频率成分变化对定位的影响。本章还重点叙述了相位载波解调技术、光纤传感系统定位原理以及频谱估计算法等。
第四章 基于定位原理的曲线拟合
本章针对曲线拟合算法进行了介绍与算法优化的讨论。曲线拟合是指根据已知的测量数据来选择适合的曲线类型拟合该数据，得出自变量与因变量之间的对应关系式以及关系式中所存在的未知参数。本章还对介绍了曲线拟合最主要的两种算法与优化方法，表明了曲线拟合在实际应用中的重要性。
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