红外与激光工程
2022, 51(10): 20220549
1 华北电力大学 1. 电子与通信工程系
2 2. 河北省电力物联网技术重点实验室
3 3. 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
搭建了基于布里渊光时域分析(BOTDA)的海底电缆(海缆)振动信号监测模拟实验系统,通过实验获得了锚砸、冲刷、摩擦3种工况下的海缆振动信号。针对振动信号含有大量噪声,提出TSA-VMD-MPE降噪方法。利用被囊群算法(Tunicate Swarm Algorithm,TSA)优化变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD),获取VMD分解层数与惩罚因子的最优值,对振动信号分解获得本征模态函数(Intrinsic Mode Functions,IMF)分量; 利用IMF与原始信号的相关性及IMF的方差贡献率联合来确定IMF的多尺度排列熵(Multi-Scale Permutation Entropy,MPE)阈值,对振动实验信号进行降噪。实验结果表明: 所提降噪算法使3种海缆振动信号信噪比平均提高了12.0296dB; 将提出的MPE阈值方法应用于EEMD与CEEMD算法也获得了良好的降噪效果。
海底电缆 振动监测 降噪 submarine cable BOTDA BOTDA vibration signal monitoring noise reduction
1 华北电力大学 1. 电子与通信工程系
2 2. 河北省电力物联网技术重点实验室
3 3. 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
设计了一种基于分布式传感技术的薄壁圆筒型液体温度和压力传感器。选取具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢316L和铍青铜C17200分别对传感器进行封装。利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对封装的传感器压力和温度特性进行仿真分析,得到器件的径向应变量,分析其布里渊频移随压力和温度的变化关系。仿真实验表明,使用铍青铜C17200封装的传感器压力灵敏度和温度灵敏度更高,在0~12MPa、-5~40℃范围内压力灵敏度达11.1MHz/MPa,温度灵敏度达2.56MHz/℃,相较于普通单模光纤分别提升7.4倍和1.7倍。
布里渊传感器 布里渊光时域分析 温度和压力测量 Brillouin sensor BOTDA technology temperature and pressure measurement
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
基于布里渊光时域分析（BOTDA）的分布式光纤传感系统可以实现温度、应变等参量的测量，同时具有超长传感距离、高空间分辨率和高精度等优势，已广泛应用于基础设施、航天工程等领域中的结构健康监测。然而，BOTDA传感系统存在温度和应变交叉敏感问题，导致温度和应变的变化在测量过程中难以区分，严重制约了系统传感监测能力。针对该问题，分别介绍了基于参考光纤、光栅辅助、多参数辅助、特种光纤、双波长传感、拉曼/瑞利散射辅助以及神经网络共7种方法，并对其进行分析比较，旨在为光纤传感领域中解决交叉敏感的研究与应用提供参考。
激光与光电子学进展
2021, 58(13): 1306021
布里渊光时域分析(BOTDA)系统中, 不同的脉冲宽度对应不同的空间分辨率, 但不同脉冲宽度下的布里渊信号会重叠在同一位置。首次对该现象进行了理论分析, 并基于该现象提出了一种新的布里渊光时域定位技术。通过正反两次测量对应变或温度段的端点进行定位, 无需降低脉冲宽度就能提高空间分辨率, 克服了泵浦脉冲宽度对空间分辨率的限制。实验在24711 m的光纤上分布使用20~100 ns的脉冲均实现了1 m应变段的定位, 并通过双峰洛伦茨拟合测得其应变为1880 με, 其应变测量不确定度为36 με。该技术相比于其它BOTDA定位技术, 无需通过降低脉冲宽度来提高空间分辨率, 操作简单有效, 将在分布式传感领域具有广泛的应用前景。
布里渊光时域分析(BOTDA) 脉冲划分 应变测量 长脉冲 Brillouin optical time-domain analyzer (BOTDA) pulse subdivision strain measurement long pulse
华北电力大学 电子与通信工程系，河北 保定 071003
文章对布里渊光时域分析（BOTDA）分布式光纤传感系统中的偏振效应机理及受激布里渊散射的矢量模型分析进行了阐述。对目前国内外的研究现状，从受激布里渊散射效应中偏振相关布里渊增益谱分析、控制偏振态以及抑制偏振衰落技术等方面进行了详细介绍。布里渊光纤传感系统矢量建模分析和偏振态控制技术具有很好的研究前景，对未来研究中利用偏振态的敏感特性进行分布式传感光纤的温度、应变和振动信息测量及抑制偏振衰落来提高光纤传感系统空间分辨率都具有参考价值。
布里渊光时域分析 分布式光纤传感 受激布里渊散射 偏振态 BOTDA distributed optical fiber sensing stimulated Brillouin scattering polarization
1 广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门529000
2 武汉康普常青软件技术股份有限公司，湖北武汉430073
针对分布式光纤应变传感中温度补偿问题，通过温度补偿光缆测得只与环境温度相关的布里渊频移。划分温度区段，对每一单独温度区段内的应变光缆的布里渊频移进行分析。基于在温度相同的不同时段，应变光缆的布里渊频移变化量只与应变相关的原理，构造出划分温度区段的温度补偿方法，在每个温度区段温度变化很小，基本不引起布里渊频移发生变化，可以独立分析应变，并给出了计算流程图。通过工程实例展示了该方法能在较大的温度变化范围内有效地进行温度补偿，实现温度和应变在测量中的解耦，准确测量应变。
分布式光纤应变传感 布里渊频移 温度补偿 划分温度区段 布里渊光时域分析仪 distributed fiber optical strain sensing Brillouin frequency shift temperature compensation temperature domain diving BOTDA（Brillouin optical time-domain analysis）
华北电力大学 电子与通信工程系, 河北 保定 071003
基于瑞利散射的布里渊光时域分析系统(BOTDA)因为单端入射的特性而有广泛的应用前景。研究了应用提升小波变换对传感信号进行降噪, 与传统小波变换相比, 提升小波变换结构简单, 运算速度快, 易于硬件实现。分别利用累加平均法、传统小波变换和提升小波变换对瑞利BOTDA系统传感信号进行降噪, 通过信噪比、均方误差和计算时间对三种方法的降噪效果进行比较。结果表明, 累加平均法将信噪比提高了约14 dB, 传统小波变换将信噪比提高了约18 dB, 计算速度是累加平均法的3.26倍。提升小波变换将信噪比提高了约19 dB, 计算时间仅为传统小波变换的约60%。结果表明, 提升小波变换适用于瑞利BOTDA系统实时降噪处理。
提升小波 实时降噪 布里渊光时域分析 瑞利BOTDA 信噪比 lifting wavelet real-time noise reduction Brillouin optical time domain analysis Rayleigh BOTDA signal-to-noise ratio
华北电力大学 电子与通信工程系，河北 保定 071003
针对传统的基于瑞利散射的布里渊光时域分析系统存在信噪比低的问题，提出了一种新的基于瑞利散射的布里渊光时域分析设计方案。采用平衡检测技术，同时利用斯托克斯边带和反斯托克斯边带的信息，输出信号功率比单端检测提高了两倍。由于两个光电二极管输入信号的等噪声特性，使用平衡检测使噪声功率增加2倍，输出信号的信噪比提高2倍。对2.4 km光纤进行实验，验证了系统的可行性，采用平衡检测技术后信号得到明显的改善。
瑞利散射 布里渊光时域分析 平衡检测 信噪比 Rayleigh scattering BOTDA balanced detection signal-to-noise ratio
华北电力大学 电子与通信工程系, 河北 保定 071003
理论分析了瑞利BOTDA(布里渊光时域分析)传感系统的动态范围, 提出了一种采用脉冲编码技术改善系统信噪比从而增大系统动态范围的方法。研究了瑞利BOTDA系统中格雷码和Simplex码的编码和解码原理, 通过对瑞利BOTDA系统采用叠加平均法和脉冲编码法后信噪比改善量的分析对比, 阐明了脉冲编码技术在增大瑞利BOTDA系统动态范围方面的优越性, 并利用Matlab软件进行了仿真验证。仿真结果表明, 该编码技术能够明显改善系统信噪比, 增大系统的动态范围。
瑞利布里渊光时域分析 动态范围 脉冲编码 叠加平均 Rayleigh BOTDA dynamic range pulse coding superimposed averaging
