中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
为解决分布式相位敏感光时域反射计系统现有事件识别方法对于相似振动信号识别困难这一问题，提出了一种基于多尺度特征融合的相似信号识别方法。在该方法中，原始信号首先通过经验模态分解和小波包分解被分解为不同频率范围内的子信号。随后，分别提取原始信号和子信号的时频特征和近似熵特征，并利用主成分分析法对所提取的特征进行融合。最后，通过构建一个6层轻量反向传播（BP）神经网络分类器，训练分类模型并利用测试集验证模型分类度。该方法对小车经过和行走等相似信号的识别准确率可分别达到98.5%和98.0%，对于敲击和摇晃差异性大的信号的识别准确率可达100%。相比于直接从原始信号中提取特征并结合时频图的卷积神经网络方式，所提方法的综合识别准确率分别提高了8.4%与9.0%，相似信号的识别准确率分别提高了13.5%与12.4%。结果表明，该方法在保证差异性大的信号的高识别准确率的基础上，显著提高了相似信号的识别准确率，对于拓展分布式光纤传感的应用范围有重要的价值。
光通信 相位敏感光时域反射计 时频特征 近似熵 多尺度特征融合 反向传播神经网络
1 哈尔滨工业大学卓越工程师学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学郑州研究院，河南 郑州 450018
3 国家管网集团科学技术研究院，河北 廊坊 065000
4 哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江 哈尔滨 150001
相位敏感光时域反射计（Ф-OTDR）系统通常用于振动监测中，具有响应速度快和检测灵敏度高的优势，但受相干衰落效应的影响，导致振幅较低位置提取的振动信号相位信息失真。为此，本文提出一种基于宽带声光调制的高保真Ф-OTDR传感方案，实现对振动信号相位信息的高保真提取。该方案具有调制结构简单紧凑、相位延迟控制精确、频率分量灵活可控、不牺牲响应带宽和空间分辨率等优点。在验证实验中，灵活调制脉宽为100 ns，且同时将包含三个非等间距频率的多频探测光脉冲注入2 km的传感光纤，并以幅值评估的方式对多频拍频信号进行复用。结果表明，该方案中相干衰落的概率从17.541%降低到0.045%，并实现了对模拟振动信号相位信息的高保真重构。
相位敏感光时域反射计 相干衰落效应 相位信息 多频脉冲调制
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
在页岩气开采过程中，基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的分布式光纤声波传感（DAS）系统是对水力压裂作业中产生的微震波进行监测的常用方案。为了提高Φ-OTDR系统测量振动信号的信噪比，提出了一种基于变分模态分解（VMD）和互信息（MI）的振动信号去噪方法，对数字正交（I/Q）解调得到的相位信号进行进一步处理，VMD层数K通过去趋势波动分析（DFA）计算的标度指数确定，相位信号的失真和噪声通过剔除MI法确定的非相关模态进行抑制。并搭建了相干探测Φ-OTDR系统验证VMD-MI方法的去噪效果，分别对500 Hz单频振动信号和500、1000、1500 Hz多频振动信号使用VMD、小波降噪（Wavelet）、经验模态分解（EMD）、自适应噪声完备集合经验模态分解（CEEMDAN）进行处理。实验结果表明，所提方法对振动信号信噪比提升最为明显，在Φ-OTDR系统中具有良好的实用性。
相位敏感光时域反射计 水力压裂微地震监测 信噪比 变分模态分解 互信息 光学学报
2023, 43(21): 2106002
国家电投集团 江苏海上风力发电有限公司, 江苏 盐城224000
基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤振动探测是海缆锚害预警的重要防护手段。针对探测海缆锚害的入侵事件类型判别需求, 提出将反向传播(BP)神经网络分类器应用于基于Φ-OTDR的海缆防锚害系统中, 介绍了基于Φ-OTDR+BP神经网络分类器的海缆防锚害系统原理, 采用信号时域特征和时频域特征作为特征向量, 构建基于BP神经网络的分类器, 实现了对入侵事件类型的判别。试验结果表明, 分类器的模式识别准确率达到100%。
海底电缆防锚害 神经网络算法 模式判别 相位敏感光时域反射计 入侵判别 submarine cable anti-anchor damage neural network algorithms pattern discrimination phase sensitive light time domain reflectometer intrusion discrimination
华北电力大学 电气与电子工程学院, 河北 保定 071003
相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)凭借着传感距离长、铺设简单、耐腐蚀和抗电磁干扰等特点被广泛应用于分布式振动监测领域。随着传感任务多样化及人工智能的广泛应用, 对振动事件的类型识别成为研究的热点方向。为了使读者能更好理解识别分类器研究进展和发展趋势, 先后介绍了传统 识别分类器和基于深度学习的神经网络识别分类器, 对不同分类器性能指标、优缺点和应用场合进行了比较, 最后对Φ-OTDR振动事件识别研究方向进行了展望。
相位敏感光时域反射计 振动事件识别 深度学习 神经网络 phase-sensitive optical time domain reflectometer,
光子学报
2022, 51(11): 1106003
1 中国电子科技集团公司 第三十四研究所, 广西 桂林 541004
2 中国人民解放军国防科技大学, 长沙 410073
相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)已广泛应用在防入侵检测、建筑结构的裂缝健康检测和管道检测, 但其准确性和抗噪性能还需要提高。提出了一种基于Φ-OTDR的智能识别系统, 该系统采用神经网络算法进行智能识别, 并对振动强度进行识别概率化处理。实验结果表明: 提出的系统能够准确识别并定位入侵行为, 定位精度达到5 m以内。
相位敏感光时域反射计 入侵检测 特征提取 phase-sensitive optical time domain reflectometer intrusion detection feature extraction
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 ，300072
相位敏感光时域反射（Φ-OTDR）技术在管道入侵预警领域有着突出表现，其中对于入侵事件的定位和识别是该领域研究的热点。近年来，基于神经网络的信号识别方法不断被提出，但这些方法大多忽视了事件的定位，在实际工程应用中需要人工的持续介入。基于输油管道入侵事件的安全预警问题，提出了一种基于深度学习的入侵事件自动识别和定位的方法。所提方法以图像目标检测思想为基础，以1 s时间、4 km空间距离的时空图作为目标检测网络的输入，并使用最大最小归一化、带通滤波和图像移位数据增强3种预处理方法，同时实现对入侵事件的定位和识别。实验结果表明，所提方法对地表捶打、地表挖掘和人为跳跃3种事件单次发生的平均召回率达到82.9%，精确率达到70.4%，基本能够满足工程上的需求。
光纤光学 光纤传感 图像处理 相位敏感光时域反射计 安全预警 目标检测 激光与光电子学进展
2022, 59(8): 0806001
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 精密光机电一体化技术教育部重点实验室, 北京 100191
分布式光纤声波传感器是将光纤作为敏感传感元件和信号传输介质来获取动态应变信息的传感系统,它可以实现对动态应变的长距离、分布式、多点的实时定量检测,具有结构简单、传感距离长、检测精度高、环境适应性强等优点。基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤声波传感系统一直也是近年来的研究热点,为此,从传感系统的探测结构与相位解调方式两个关键技术出发,重点介绍了Φ-OTDR型分布式光纤声波传感器的研究进展,并总结分析了几种方法的优缺点,对在实际应用中选择合适的检测系统具有重要的指导意义。
激光光学 光纤传感 分布式声波传感器 相位敏感光时域反射计 探测结构 相位解调 激光与光电子学进展
2020, 57(13): 130005
