光纤分布式测量中事件分析及算法研究

论文摘要

光纤分布式测量系统的原理是同时利用光纤作为检测元件和传输信号介质,探测出光纤沿线不同位置的应力变化,以测量相应物理量。光纤分布式测量系统以其抗电磁干扰、材质轻便以及测试精度较高等优点逐渐成为光纤应用的热门议题。本文主要从两个方面对光纤分布式测量进行研究。其一,研究基于光时域反射的分布式测量技术中事件点的检测、分析算法。其二,研究毫米波本振信号传输中光纤微小形变的检测与校正方法。光时域反射技术是通过测量光纤对注入脉冲的回波信号(如:瑞利散射、菲涅尔反射、拉曼散射、布里渊散射等),来获得光纤沿线物理量的分布特性,回波信号反映了光纤光缆沿线各位置上相应物理量的变化,故称为分布式测量。如通过测量后向瑞利散射可获得光纤的损耗,通过测量后向拉曼散射可实现分布式温度测量,通过测量布里渊散射可获得光纤沿线的应力分布等。论文以光时域反射计(OTDR)为例,通过对其回波信号曲线进行建模,提出基于Gabor变换和二元信号检测理论的事件分析的算法。该算法简单易行,对信号中噪声具有较高的容纳能力,对于远距离事故点具有较高的识别能力。传统的分布式测量信号的事件分析算法均基于指数函数模型,该模型存在对较远距离的故障点识别能力差等缺点,论文提出对回波信号曲线进行线性建模以提高远距离事件的识别力,并充分分析线性模型中噪声的产生机理,建立噪声模型。文章采用单边指数窗的时频分析方法(Gabor展开)对回波信号进行处理,通过合理的选取展开时的参数,使算法具有较少的计算量和较好的事件分辨率。通过采用Gabor展开和二元信号检测理论,对不同的光纤链路进行事件检测处理,较准确的定位了光纤链路事件的位置。该算法较传统算法具有较强噪声容纳能力,提高了分析算法的效率,具有较强的实用价值。毫米波本振信号传输中光纤微小形变的检测是光纤检测中的另一应用。光纤受到物理场的作用时,会导致传输其中的光信号的相位发生变化,对于相位稳定性要求较高的本振信号传输,必须对信号的相位进行校正。迈克尔逊干涉仪以其灵敏度高,动态范围大,抗干扰能力强等优点,在微小扰动检测方面得到了广泛的应用。文中提出了一种基于迈克尔逊干涉的毫米波本振信号的相位稳定传送技术。在建立传送系统的理论模型和实验系统的基础上,说明了这一本振信号传送方案的可行性。为了避免干涉仪中产生偏振衰落现象,文中采用两种抗偏振衰落技术——在光纤末端加入法拉第旋光镜以及在接收端采用偏振无关的平衡接收技术。两种技术的采用有效避免了干涉仪中的偏振衰落现象。本振信号传送方案中,将毫米波本振信号调制到光载频上,载有本振信号的光载波通过一个长臂的干涉系统,将传输中的相位变化信息反映在拍频信号上,通过检测拍频信号控制光纤时延器的时延,从而校正本振信号的相位。文章还对该传输系统进行了实验研究,实验测试了本振信号的相位漂移与光纤长度漂移及干涉拍频输出信号之间的关系。理论和实验结果取得了一致。研究结果表明了这一本振信号传送方案是可行性的。为最终通过干涉拍频信号反馈控制相位的延迟、校准光纤的长度漂移以及实现本振信号的稳定传送奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述方程节
• 1.2 基于光时域反射测试技术的光纤物理奇异点检测
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 国内外研究情况
• 1.3 毫米波本振信号传送的光纤微小形变检测与校正
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 关键技术研究进展
• 1.3.3 国内外研究情况
• 1.4 本文的研究工作及创新点说明
• 1.5 本文的组织结构
• 第二章 光时域反射技术（OTDR）工作原理及数据建模
• 2.1 概述方程节（下一个）
• 2.2 OTDR 工作原理
• 2.2.1 OTDR 硬件结构
• 2.2.2 OTDR 工作原理
• 2.2.3 光纤链路信息测试说明
• 2.3 OTDR 数据建模
• 2.3.1 OTDR 数据建模
• 2.3.2 两种数据建模的特点比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于短时傅里叶变换的光纤事件检测
• 3.1 概述方程节（下一个）
• 3.2 短时傅里叶变换（STFT）
• 3.2.1 短时傅里叶变换原理
• 3.2.2 Gabor 变换原理
• 3.2.3 OTDR 数据的Gabor 系数展开
• 3.3 OTDR 数据奇异点检测
• 3.3.1 二元信号检测原理
• 3.3.2 OTDR 数据的事件检测
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于迈克尔逊干涉的光纤微小形变检测与校准
• 4.1 概述方程节（下一个）
• 4.2 光纤微小形变的产生原理
• 4.3 迈克尔逊（MICHELSON）干涉仪
• 4.3.1 迈克尔逊干涉仪
• 4.3.2 法拉第旋光镜抗偏振衰落原理
• 4.3.3 偏振无关的平衡接收
• 4.4 基于迈克尔逊干涉的光纤微小形变检测与校准方案
• 4.5 实验结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 符号与标记
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文