分布式光纤扰动监测系统的虚拟仪器设计

论文摘要

对大坝、桥梁、道路、油气管道等基础设施进行安全监测,是保证社会稳定、经济快速发展的一个基本要求。而传统的检测手段技术含量低、缺陷明显,对于破坏常常是只能事后弥补而不能有效避免。因此,通过一种新技术进行有效的实时监测,在发生实质性破坏前提前预警,以留出足够时间来制止破坏或强化防范,有着重大的社会意义。光纤传感是以光波为载体,光纤为媒介,感知和传输外界被测信号的新型传感技术,它具备灵敏度高、体小质轻、外形改变灵活、抗电磁干扰、抗腐蚀性强等特点,可以广泛应用于经济建设和社会发展的多个领域。本文借助LabVIEW软件,结合分布式光纤传感监测系统的特点,设计了一套具有信号采集、回放、分析、报警等功能的分布式光纤扰动监测系统软件。整个监测系统通过半导体激光光源、光纤延迟环、耦合器、法拉第旋转镜、光电探测器组成的赛格纳克光纤干涉光路获取扰动信号,再由调理电路转化为电压信号;通过本文作者的工作,实现了对电压信号的数据实时采集和系统级的分析处理。本文采用了12位的MP4210数据采集卡实现A/D转换,其后基于LabVIEW平台设计了系统人机交互界面和虚拟数据分析软件。完成了对数据采集卡采样模式、采样通道、采样率、量程、模拟输入方式进行控制的软件设计和相关设置;实现了对时域和频域信号的实时显示、数据的存储、将已存数据和存储时间相结合的读取再现功能;完成了数据保存参数、系统报警阈值、校时参数等的相关软件设计和优化设置;设计了声音报警、帮助、密码退出等客户辅助模块。本文设计了提取扰动信号的快速傅里叶变换、峰值报警、过阈值求和三种判定报警方法,并在本系统平台中进行了验证实验,比较了三者优劣之处。本文针对实际应用环境中可能出现的晃动、挖掘、触碰、电钻工作等扰动源进行了模拟实验,探讨了信号的时域波形、频域谱的特征,验证了各类报警判定方式对四种入侵行为判断的有效性,并对光纤延迟环长度与系统灵敏度间的关系进行了实验验证。通过本文的研究,设计了一种实用化的分布式光纤扰动监测的虚拟仪器,为安防监测系统的建设打下了基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 1.4 论文结构安排
• 1.5 小结
• 2 分布式光纤扰动监测系统简介
• 2.1 系统的总体方案设计
• 2.2 监测系统的硬件简介
• 2.2.1 光路
• 2.2.2 光电检测电路
• 2.2.3 数据采集系统
• 2.3 监测系统的软件构成
• 2.3.1 系统流程图
• 2.3.2 各模块功能简介
• 2.4 小结
• 3 监测系统主界面和重要功能模块设计
• 3.1 主界面设计
• 3.2 参数设置模块
• 3.2.1 数据采集卡工作参数的设置
• 3.2.2 数据保存参数的设置
• 3.2.3 系统报警阈值的设定
• 3.2.4 校时参数的设置
• 3.3 数据采集模块
• 3.3.1 数据采集基础
• 3.3.2 采集程序设计
• 3.3.3 数据显示
• 3.4 数据管理模块
• 3.4.1 模块简介
• 3.4.2 模块的建立
• 3.4.3 程序设计和说明
• 3.4.4 数据读取的前面板
• 3.5 数据处理模块
• 3.5.1 理论基础
• 3.5.2 入侵事件的判定方法
• 3.5.3 声音报警模块
• 3.6 帮助信息模块
• 3.7 密码退出模块
• 3.8 小结
• 4 实验数据分析和研究
• 4.1 实验平台简介
• 4.1.1 实验平台的搭建
• 4.1.2 实验的具体流程
• 4.2 入侵事件的时频域研究与分析
• 4.2.1 时域信号的波形变化分析
• 4.2.2 频域分析
• 4.3 其他延迟环长度的监测效果对比
• 4.3.1 米级延迟环
• 4.3.2 十米级延迟环
• 4.3.3 百米级延迟环
• 4.3.4 监测效果的对比
• 4.4 实验总结分析
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 系统软件程序总体框图
• B. 作者在攻读学位期间发表的论文目录