【《Φ-OTDR的分布式光纤声波传感系统的实物系统搭建案例分析》5300字】

Φ-OTDR的分布式光纤声波传感系统的实物系统搭建案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u23929Φ-OTDR的分布式光纤声波传感系统的实物系统搭建案例分析 [21]，所以在实际光路搭建过程中使用掺铒光纤放大器对其进行前向放大和拉曼放大器对其进行后向放大。系统结构图如下图所示。系统工作流程为光源采用1550nm的窄线宽激光器发出复色光，在光源处使用耦合器进行分光，10%作为本振光，90%的待测光通过PIN调制器设定频率触发的声光调制器后转换成脉冲信号，使用掺饵光纤放大器进行信号放大再通过拉曼放大器放大斯托克斯光后，进入环形器，光信号经过光纤后同本振光一起进入耦合器，再分别进入平衡探测器的两个输入端，完成差分运算后，连接示波器进行信号的采集，最后将采集到的信号导入计算机中的Matlab进行相位解调处理。PIN调制PIN调制拉曼光源拉曼光源波分复用器掺铒光纤放大器（EDFA）声光调制器（AOM）窄波分复用器掺铒光纤放大器（EDFA）声光调制器（AOM）窄线宽激光器光纤 3 耦合器 耦合器计算机示波器平衡探测器1计算机示波器平衡探测器1图1.1Φ-OTDR系统结构图根据系统的结构图辅助搭建了Φ-OTDR传感系统实物样机：图1.2Φ-OTDR传感直接探测系统实物图图1.3Φ-OTDR传感外差探测系统实物图在实验系统搭建中最为关键的是图1.3中左上角的蓝色盒子，它将光源、EDFA放大器、拉曼放大器三者集成在了一起，下面给出各部分器件的具体性能参数。表5元器件性能参数表光源器件名称工作波长（nm）输出光功率（dBm）线宽（kHz）RIN噪声结构尺寸（mm）备注单模窄线宽光源155010~15≤3-110@1Hz~100Hz145*75*20光纤放大器器件名称工作波长（nm）输入峰值光功率（dBm）输出峰值光功率（dBm）光滤波带宽（GHz）结构尺寸（mm）备注脉冲EDFA15500~1020~30100G/5090*70*15拉曼放大器器件名称泵浦波长（nm）工作波长（nm）输出光功率（dBm）工作温度（℃）结构尺寸（mm）备注拉曼放大器1450155027-10~60150*125*30.5探测器器件名称工作波长（nm）输入光功率（dBm）转换增益带宽（MHz）结构尺寸（mm）备注平衡探测器1550-860KV/A100/200/35075*55*251.2振动信号相位解调1.2.1信号处理流程信号处理主要分为信号周期分割、确定扰动存在位置、积分法解调出振动信号幅值与相位、绘制振动信号幅值变化动态图像4个部分，其流程图如图1.3所示。首先，在测试光纤上选择受试区域，接着对其进行不同模式的振动，将平衡探测器的输出端口连接示波器，选定示波器的采样率400MHz/s，采样时10ms，采样周期50，当有振动信号加载在光纤上时，暂停示波器，使用U盘拷贝当前屏幕上的信号，并将它导入到计算机中的Matlab中，由于声光调制器将光源调制成了5KHz的脉冲信号，所以示波器上显示的是50个周期包含振动信息的脉冲信号，需将其分割后重新定义起点，进行叠加，经处理后将叠加后的信号进行积分法相位解调处理得到振动信号的幅值与相位的变化。图1.4系统相位解调处理流程图在实际操作中，选取了五个日常生活中的场景，分别为：无振动信号、双手持光纤振动、人走路、小推车通过以及人站在小推车通过，采用5KHz的频率触发声光调制器对窄线宽激光器光源调制成脉冲信号，光纤总长为5Km分别对光纤的前端和后端（不是同一根光纤,在图中标记为1号光纤和2号光纤，1号光纤振动前端，2号光纤振动后端）进行振动，由于光在光纤内的传播速率为2×108m/s所以每一个脉冲信号来回的时间是50ns，然后使用示波器采集10ms之内的信号，保存每次暂停后示波器onscreen上的信号，把它导入Matlab中，对其进行解调处理。图1.5实验用光纤1.2.2信号处理过程（1）步骤1:首先，对光纤设定的位置进行振动实验，调节示波器上信号的周期数量和左右位置，使得50个周期信号能够完整的显示在示波器的屏幕上，然后点击Stop，将此时的信号存入U盘，以便导入计算机进行后续处理。（处理过程以双手持光纤后端振动为例，其余4个场景解调结果将在实验结果部分展示）。图1.6示波器显示的50个周期的脉冲信号（2）步骤2：将存储的原始数据（Excel格式）以数值矩阵的方式导入matlab工作区：图1.7原始数据导入（3）步骤3：数据导入后，因为这50个脉冲周期信号是一个一个传回来的，所以需要将它们的存在信号的部分进行分割后叠加，获得全光纤链路上一个完整传输周期在采集时间内的信号叠加的图像，图中的横坐标表示距离，纵坐标表示电压值。图1.8示波器储存的50个脉冲信号（4）步骤4:将第一个脉冲信号放大，使用Matlab的图像中标记点坐标位置的功能，获得脉冲信号的左端点和右端点，将两个坐标的横坐标相减，获得一个周期的信号长度，将其后的49个信号中同一长度的周期信号叠加在第一个信号上，再设置一个矩阵来存储叠加后的信号，命名为wave，其叠加后的效果如图1.9所示。图1.9选取一个周期信号左右端点图1.10叠加后的波形图图1.11波形图放大后的图像（5）步骤5:将叠加后的信号放大可以看出，我们需要使用积分法消除2倍频的高频信号，留下包络线。因为此时振动的是光纤的后端，所以选取一个合适的区间（将不存在振动信号位置处的点叠在一起），在该实验中选取的是24150以后的坐标区间。认为设定一个时间，将其在正半轴上的区间频移到以y=0为中心轴的负半轴到正半轴相同长度的积分区间（具体方法请参考第三章中3.4积分法的理论概述）后进行积分运算，得到处理后的振动位置的幅值与相位图像，其中幅值图像的横坐标表示测试光纤长度位置，纵坐标表示幅值的大小；相位图像横坐标表示测试光纤长度位置，纵坐标表示相位大小。图1.12解调后的振动信号相位图图1.13解调后的振动信号幅值图从解调后的相位和幅值图中可以明显看出，光纤的尾部存在振动信号，且由于相位图中不存在明显的相位突变现象，故不需要二次解缠绕。在光纤上无振动信号存在时，幅值和相位图像50个周期叠加的信号基本上是重合在一起的，当有振动信号存在时，两者都会从振动的起始点散开，由估计的振动区间可以看到从哪个地方曲线开始散开，由此可以缩小振动的范围。从幅值图中可以看出振动信号的相位在（-2kπ+|INT|，2kπ+|INT|）之间变化,而幅值的变化量级比较小。（6）步骤6:在由于此时的相位图是在空间坐标上的变化图像（即在时间坐标上都叠加在一起了），所以在Matlab中绘制相位图的三维图像，可以看到其在空间中的相位变化。图1.14相位三维图像（7）步骤7：选择任意位置，可以绘制出当前位置时间上的相位变化图像。图1.15相位在某一位置时间上的变化曲线（8）步骤8：绘制振动信号幅值变化动态图像。图1.16幅值变化动态图像至此，触碰光纤后端振动信号的幅值和相位解调全部完成，获得了振动信号在50个脉冲周期内的幅值和相位变化曲线图。1.2.3实验结果及分析（1）测试场景一：无振动（将光纤自然放置在实验室中）①使用1号光纤（前端）a1b1图1.17无振动测试光纤前端（a1.相位b1.幅值）②使用2号光纤（后端）a2 b2图1.18无振动测试光纤后端（a2.相位b2.幅值）两者幅值变化动态图。图1.19探测光纤前端与后端幅值变化动态图从解调出的振动信号的相位和幅值图可以看出，不管是光纤的前端还是后端，当将其放置在实验室中不加振动信号时，两者的图像都重叠得很好，尽管相位图中有散开的点，如果将它们以该点为中心进行收拢的话能够重叠在一起。并且各选择了1号光纤前端和2号光纤后端的5000个点绘制幅值变化动态图，出去本身环境干扰和噪声，并未发现明显振动点。（2）测试场景二：人走路（人直接从光纤上走过）①使用1号光纤（前端）a3b3图1.20人走路测试光纤前端（a3.相位b3.幅值）②使用2号光纤（后端）a4b4图1.21人走路测试光纤后端（a1.相位b1.幅值）分别对光纤前端和后端施加振动信号后幅值变化动态图：图1.22人走路通过前端与后端幅值变化动态图当人走路通过光纤时，被踩部分的光纤表面光纤应力发生变化，纤芯内的折射率发生变化，导致后向瑞利散射光的光强发生改变。振动光纤前端时（图1.20），从幅值图像（b3）可以明显看出在0-200区间上存在明显的幅值变化，而在其后幅值曲线叠加得很好，说明此处存在振动，与之相应的相位图（a3）相同区间也存在明显的变化。但是，在相位图中1000-1400这个区间存在相位的跳变，这是由于噪声和相干衰落引起的相位变化，当噪声存在时，相位会在对应位置处上下散开，如果从该点收拢相位曲线时，仍然能够较好的重叠在一起；而当相干衰落存在时，该位置处的相位会发生错乱，但在此点之后仍然恢复正常，通过幅值变化动态图（图1.22左图）也可以明显看到只存在一处振动信号，验证了分析的结果是正确的。振动光纤后端时（图1.21），从幅值图像（b4）可以看出在A、B、C处存在振动信号，在相位图（a4）中可以明显看到对应区间的相位发生了改变，通过幅值动态变化图（图1.22右图）可以看到存在3处振动信号，验证了分析结果的准确性。通过对比人走路分别作用不同光纤的前端和后端，可以看出其幅值图、相位图存在差别，原因是由于当人在走路时，其步频远大于示波器采集到信号的时长，所以采集到的信号与该时长下人走路的状态、姿势等有关；并且用的是两卷光纤的不同位置测试，与光纤本身也有关系，在允许影响条件存在的情况下，完成了该场景振动信号的解调。（3）测试场景三：人站在小推车上通过测试光纤①使用1号光纤（前端）a5b5图1.23人站在小推车上通过测试光纤前端（a5.相位b5.幅值）②使用2号光纤（后端）a6b6图1.24人站在小推车上通过测试光纤前端（a6.相位b6.幅值）分别对光纤前端和后端施加振动信号后幅值变化动态图：图1.25人坐轮椅通过前端与后端幅值变化动态图实验结果分析：当人站在小推车上通过测试光纤时，作用于1号光纤前端，通过解调后的幅值图（b5）可以看到0-200区间内发生变化，结合相位图（a5）可以看出此处存在振动信号。相位图中1000-1200区间内相位发生变化，但幅值图像此处并无变化说明在这个区间存在相干衰落现象，与场景二中分析的情况一致。振动信号作用于2号光纤后端，通过积分法解调后的幅值图像（b6）可以明显看到尾端存在振动信号，与相位图体现的信息一致。由于第四个测试场景小推车通过光纤与场景三类似，故在此不再进行分析，测试完所有场景后提取存在振动信号的幅值与相位数据，为后期模式识别提供支撑。值得一提的是，实验中有几个影响因素：第一，在整个实验过程都在实验室中进行，所以测试的空间有限，而且整个光纤链路全长5Km，为了节省空间，我们只分别测试了两桶光纤的前端与后端，测试部分光纤也是卷在一起散开的，所以导致测试光纤上受到了不均匀的应力；在实际应用中都是将光纤布线，埋在地下，当不同场景有振动信号加入时，能够准确实时其位置，并对该位置的振动信号进行解调得到幅值与相位，而在本次实验中是已知大概的振动位置，再通过积分法解调，最终缩小震动范围；第二，因为示波器采集到的数据量庞大，由于存储设备的内存有限，再加之如果扩大测试时长的话，每一组1s的数据存储长达1个小时以上之久，我们需要测试若干组数据，电脑处理数据时会出现因数据量大，出现瘫痪的情况，所以采用了5KHz的触发频率调制脉冲光，每组数据存储时长为10ms，但这个时间远远小于振动发生的时长，所以会对之后的模式识别有一定影响；第三，我们每个场景作用于两卷光纤的前端和后端测试的时间不一样，所以测试的数据解调的结果还和测量当时光纤所处的外部环境有关；并且，在环形器连接传输光纤之间的法兰是直接连接的，并没有很好的封装，这样导致在光信号传输的过程中，没有完全进入光纤纤芯，有一小部分光存在漏光现象，导致光强有所减弱，再者实验使用的光纤并非新拆光纤，我们实验之前使用光纤检测器检查了光纤与法兰之间的接口处，发现纤芯中有许多杂质，并用酒精湿纸擦拭了光纤端面，但是传输光纤纤芯中的杂质也会影响反射光的强度；第四，目前很多Φ-OTDR分布式光纤声波传感系统的振动信号是由压片陶瓷模拟的，所以解调出来的振动信号幅值与相位的结果比较理想，但在我们做实验的时候是直接认为给光纤测试部分增加振动信号，如：手摇动光纤、人走过、小推车移动等，这些动作都是非规律的振动，而且采集的数据是人为捕捉的，所以解调出来的振动信号的相位和幅值是在测试周期内的变化曲线，不是一个实际的值，振动的位置是一个小的区间。尽