光频域反射计的多点多频分布式振动传感技术研究

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现今社会正在快速进入5G物联网时代,作为物联网技术重要组成的感知技术,也迅速地向智能化、网络化、全方位立体感知方向发展。在感知技术中,分布式光纤传感器因其体积小、抗电磁、耐腐蚀、耐高温等优势有着巨大的发展潜力。光频域反射计(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)作为分布式光纤传感器的分支,更是以高精度,快速的动态响应等特性从各种传感器中脱颖而出,吸引着国内外众多研究机构和学者。在检测振动信号方面,OFDR系统通过检测受到振动信号调制的光纤中传输光的相位来进行振动位置定位和振动频率解析。但是OFDR系统在进行振动信号检测中仍有许多技术难点。现有的技术难点有:普通单模光纤上多点振动的信号复杂难辨,传统的振动信号检测方法难以实现实时监测,连续调频光的非线性效应对于系统精度有严重的干扰。这些都极大地限制了OFDR系统在测量振动领域的应用。本文基于以上OFDR系统在振动信号检测中存在的问题,提出了多点振动信号定位的方法,引入相应的补偿结构,进行了理论分析和实验验证。本文的主要工作如下:1.提出了高频振动信号引起的OFDR相位互相关函数的周期性变化公式,得出相位互相关函数周期与振动信号频率存在函数关系,对于单点振动信号和多点振动信号进行仿真计算,并通过实验验证了理论公式。2.在现有振动信号检测方法的基础上提出新的振动信号检测方法,新的检测方法只需要检测振动中的信号。对于两种方法在振动测量上面的结果进行对比分析,表明新的振动信号检测方法精度更高,更适用于实时检测。在实验系统中引入辅助光路,并采用与之匹配的去斜滤波器算法从后期信号处理上来最大程度降低非线性扫频效应对于实验结果的影响。3.采用动态阈值法来定位振动信号的位置,对于多点振动的第二个振动信号,基于本文提出的OFDR相位互相关函数的理论公式,采用动态阈值—频率仿真重建定位方法实现对于第二个振动信号的定位。在实验中分别进行了20k Hz,30k Hz以及50k Hz的振动实验,成功实现了振动位置定位和互相关频率解析,最小的位置定位误差为1.7m,频率分辨率约为1.26kHz。
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