分布式传感技术（共8篇）
分布式传感技术 篇1
0 引言
分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术,对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。它将传感光纤沿场排布,可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息。分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质,采用先进的OTDR技术,探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化,实现真正分布式的测量。
分布式光纤传感器主要应用于结构监测、渗漏探测、交通运输、安全系统、光纤通信和环境测量等领域。分布式光纤传感技术是目前光纤传感领域研究的热点,本文主要通过对专利信息的分析对分布式光纤传感技术进行梳理和展望。
1 分布式光纤传感技术专利申请整体状况分析
分布式光纤传感技术是在20世纪70年代末提出的,它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射 (OTDR) 技术的出现而发展起来的。其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线上任一点的温度、应变、振动和损伤等信息,无需构成回路,能够实现大范围测量场中分布信息的提取。
从提出到现在,分布式光纤传感有很大的发展,并在3个方面取得突破 :基于瑞利散射的分布式传感技术 ;基于拉曼散射的分布式传感技术 ;基于布里渊散射的分布式传感技术。其中,基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经趋于成熟并实用化。基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚,但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他分布式光纤传感技术,因此这种技术在目前得到广泛关注与研究。
图1是从分布式光纤传感技术从提出到现在全球历年的专利申请量状况。从图1可以看出,在1979年前,分布式光纤传感技术处于起步阶段,专利申请量较少,进入80年代后,分布式光纤传感技术开始发展,专利申请量开始逐年递增,到2011年专利申请量达到顶峰,突破500件。
分布式光纤传感技术相关专利申请国家或地区分布如图2所示,从图2可以看出,分布式光纤传感技术相关专利的主要申请国家和地区是中国(1846件,20%)、美国(1605件,18%)、日本(1498件,17%)和欧洲(721件,8%)。我国的相关专利申请量排在全球第一位跟我国有众多的科研院所重视研究该技术有很大关系。
2 几种主要的分布式光纤传感技术专利申请状况
基于瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础,它在20世纪80年代初期得到了广泛的发展,然而由于该技术测量精度低、传感距离短,目前关于这方面的研究报道也越来越少。相关的专利主要有 :GB2261507A(公开日 :1993年5月19日,申请人 :Electric Power Research Institute Inc,发明人 :Anthony A Boiarski,Vincent D Mc Ginniss)、CN101158592(公开日 :2008年4月9日,申请人 :北京航空航天大学,发明人 :杨远洪、夏海云、牟宏谦)、WO2010034986A1(公开日 :2010年4月1日,申请人 :SCHLUMBERGER HOLDINGS LIMITED,发明人 :KIMMIAU等)等。
基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。对该技术开展研究工作的主要有英国南安普敦大学、中国的重庆大学和中国计量学院。相关的专利主要有 :US5146521A(公开日 :1992年9月8日,申请人 :York Limited,发明人 :Arthur Harold Hartog)、US6874361B1(公开日 :2005年4月5日,申请人 :HALLIBURTON ENERGY SERVICES INC等,发明人 :Gerald Meltz等)等。
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术继承了分布式光纤传感技术的优点,能够连续测量光纤沿线各点的温度和应变,特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。目前,基于布里渊散射的温度和应变传感技术的研究集中在5个方面 :基于布里渊光时域反射(BOTDR)的分布式光纤传感技术 ;基于布里渊光时域分析(BOTDA)的分布式光纤传感技术 ;基于布里渊光频域分析(BOFDA)的分布式光纤传感技术 ;基于布里渊光相关域分析(BOCDA)的分布式光纤传感技术 ;基于布里渊光相关域反射(BOCDR)的分布式光纤传感技术。相关的专利主要有 :EP1734223A2(公开日 :2006年12月20日,申请人 :Vetco Gray Controls Limited,发明人 :Mendez等 )、US7283216B1(公开日 :2007年10月16日,申请人 :NPPHOTONICS INC,发明人 :Jihong Geng等)、CN100439860C(公开日 :2008年12月3日,申请人 :光纳株式会社,发明人 :岸田欣增等)等。
3 分布式光纤传感技术重要申请人的技术路线
针对本领域的重要申请人QINETIQ LTD进行技术路线分析,其申请人入口为QINETIQ LTD,一共包含32篇相关专利。
2010年之后申 请量为22篇 ;2010年之前的申请量为10篇 ;最早一篇申请出现在2002年,2010年之后发展迅速。
最早的申请即US20050051022A1主要是关于音乐仪器的声波检测,其后的申请也基本上全是利用分布式光纤传感技术来检测声音和应变。
本领域的另外一位比较重要的申请人SCHLUMBERGER TECHNOLOGY CORP有28篇相关专利。2010年之前的申请量为15篇,2010年之后的申请量为13篇,最早的申请出现在1981年。
目前,分布式光纤传感技术的研究主要集中在基于布里渊散射的分布式光纤传感技术,预计未来有关基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的专利申请量还会持续增长。
摘要：本文立足于专利文献,从专利的角度对分布式光纤传感技术进行了介绍和分析,梳理了分布式光纤传感技术的发展路线,对国内外涉及分布式光纤传感技术的专利申请进行了统计和分析,为相关领域的审查工作提供技术支持,也为相关的企业和研究机构提供了参考。
关键词：光纤传感,专利,分布式
分布式传感技术 篇2
关键词：无线传感器；网络；分布式；山体滑坡；预警监测
一、 山体滑坡无线传感器监测系统
在山区，山体滑坡经常发生，造成了严重的人员伤亡与财产损失，对易发生滑坡的山体进行预警监测具有重要意义
（一）山体滑坡无线传感器监测系统的功能要求
需要监测的山体易滑坡地区具有环境恶劣、危险性大、干扰严重、数据采集量大、机械化程度高以及对传输的实时性与可靠性要求高的特点，同时山体滑坡属于突发性的事件。根据山体滑坡的上述特点，对监测系统也有一定的要求：
第一，数据采集。无线监测系统需要对所监测的山体滑坡区域监测到的信息进行自动采集，并能够将模拟信号转换为数字化信号。
第二，节点自组网。就是节点能够自己组建一个网络，并能够将发现的路由进行建立，最后选择最优传输路径进行数据传输。当有新的节点加入或原有节点失效的情况发生时，其组建的网络能够进行自动维护，并对路由进行实时更新，对网络拓扑结构发生的变化能够及时应对，为数据传输的可靠性提供保证。
第三，数据传输。以节点自组网为基础，通过利用已经建立好的无线路由，实现了对数据的远距离、多跳传输；通过选择最优的路径，能够有效减少数据传输过程中出现的延迟传输、跳数传输情况的发生，促进了其传输实时性的提高；为了节约能量，减少数据传输，应从实际情况出发，将其传输的速度进行自动调整。
第四，数据的管理。远程监控中心通过进行存储数据、分析数据、处理数据，从而有利于数据以表格、图形的形式提供实时的显示、历史数据查询以及滑坡报警等功能的实现。
（二）监测网络的系统结构
基于无线传感器网络的分布式山体滑坡预警监测系统的构成为大量传感节点，且每一个节点又包括了应力计传感器、数据采集板、电源与无限射频芯片。通过在容易发生滑坡的山体表面放置一个应力计，这样岩土压力出现的应力数据就可以监测出来。该系统在设计过程中，可以通过设计多个基站来保证系统的鲁棒性较高，这样就避免了一个基站节点毁坏影响到整个系统的运作，基站是通过控制中心与GPRS二者实现直接通信，它是特殊的节点。其作用就是根据一定的监测算法实现对山体滑坡进行预警的功能，基站与普通的传感器节点不同，它的计算能力更高、存储资源更多。
有两种方式进行滑坡监测即第一，中心监测。中心监测是通过节点首先将原有的监测数据发给簇头，当簇头接到各个节点发送的数据后，簇头就会通过多跳路将数据由协议发送给基站，这些数据就由基站进行分析处理，最后实现对山体滑坡的预警；第二，分布式监测。分布式监测是通过节点先简单处理监测到的数据，从而获得一个决策值，将该值发给簇头，当簇头接收各个节点发送的信息之后，再将信息转发给基站，基站经过计算，得出总的决策值，最后实现对山体滑坡的预警。
二、 滑坡的应力监测
滑坡即受到重力作用，由岩土体构成的斜坡下部的软弱面上发生了剪切作用而产生了整体运动的现象。所以相关监测人员应该长期监测滑坡体内部的应力分布情况与应力分布变化，并进行有效分析，实现对山体滑坡的预警监测。在进行应力变化的实验测量时，可以选择一个样本即圆柱形岩土体，将应力计传感器安装在该岩土体的表层，通过给岩土体施加外部压力，通过应力计能够测量出其内部应力发生的变化，通过应力计信号放大将此种变化输出不一样的电压值。并将其作为数据采集板的输入，同时将该采集板与射频芯片相连，就构成了完整的一个传感器节点。通过对多个样本的反复操作，能够模拟出实际监测的环境，并运用线性回归理论进行计算，根据最后测到的应力数据估计出临界值，对山体滑坡预测提供帮助，当应力值大于临界值时，山体滑坡就会产生。
三、 分布式山体滑坡预警监测
以某仿真实验为例，为了对分布式山体滑坡的整个监测系统性能进行测试，用误报率与漏报率这两个与滑坡预测有关联的重要指标进行说明，漏报率即山体发生滑坡事件之前，通过监测算法对滑坡不发生的概率进行预测，而误报率即山体没有发生滑坡的情况下，对滑坡发生的概率进行预测，如果想要实现山体滑坡预测的准确性，漏报率和误报率就应该达到最小数值，而且从一定程度上看，漏报率比误报率更为关键。在该实验中，还引进了信噪比（SUR），它指的是系统中噪声、信号二者的比例，这里特指高斯白噪声和采集信号之间的比例。正常来看，如果信噪比越大，那么混在信号中的噪声则越小。在无线传感器监测系统中，信噪比一般为5dB～10dB之间，比较小。通过在不同信噪比下，对分布式监测与中心监测分别进行仿真实验。可以发现分布式监测的漏报率远远低于中心监测的漏报率。
通过对分布式监测算法进行的分析，与中心监测算法相比，分布式的监测法性能更优，所以可以运用分布式监测法对山体滑坡进行预测。
结束语
综上所述，基于无线传感器网络的分布式山体滑坡预警监测，实现了对山体滑坡的自动监测、快速部署，同时该技术不需要大量的成本投入，所以无线传感器技术优于传统技术。而其分布式监测的方法相对于中心监测的方法，性能更优。通过对易发生滑坡的山体进行预警监测，同时有效分析监测数据，避免发生山体滑坡而引发的重大灾难、损失，因此该系统具有重要的实用意义与价值。（作者单位：核工业西南勘察设计研究院有限公司）
参考文献
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分布式传感技术 篇3
随着城市高压线缆从空中向地下铺设工程的实施,目前城市输电线路基本采用地下隧道的形式运输电力。对城市输电网络进行安全健康监测、及时发现故障、确保社会的正常运行越来越重要。但是电缆隧道现场环境十分恶劣,常规安防报警设备完全无法应用。现场环境状况:1) 地下电缆沟长时间使用后,容易积水、积淤泥,常规电子设备无法在如此恶劣的环境内长期工作;2) 电缆隧道内无220 VAC供电电源,常规电子设备无法供电,且由于地下电缆沟内环境恶劣,长距离220 VAC供电也容易引起漏电危险。
为解决电缆沟内输电电缆防盗预警的问题,有厂家提出利用低压脉冲反射[1]原理的思路,并推出相应产品。其基本原理是首先把输电电缆的接地屏蔽层对地电压抬高,然后向输电电缆屏蔽层注入低压脉冲。当该脉冲沿输电电缆屏蔽层传播到阻抗不匹配点,如短路点、故障点、中间接头等位置即产生反向脉冲,该反向脉冲回送到测量点被仪器记录下来。通过计算发生脉冲与反射脉冲的时间差和脉冲在屏蔽层的波速度,即可计算阻抗不匹配点。但这种产品存在2 个问题:1) 把输电电缆的接地屏蔽层对地电压抬高,会给输电电缆的正常运行带来新的不安全、不稳定因素,给电网运行带来新的安全隐患;2) 电缆沟内输电电缆众多,每条输电电缆的屏蔽层都要抬升对地电压,改造工作量繁重,人力物力投入巨大。为此,本文提出基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统,利用分布式光纤入侵传感系统,可有效解决以上问题。
1 系统结构
基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统结构图如图1 所示,光纤传感主机采用基于偏振光时域反射(polarization optical time-domain reflectometer,POTDR)[2,3,4,5,6]原理的传感系统,光纤传感主机通过互联网与安全状态发布服务器相连,用户可使用个人电脑、智能手机等终端设备通过互联网与服务器连接,进而获取电缆隧道的安全状态。当隧道内电缆受到外力破坏(如盗窃、施工等行为)时,运维人员可第一时间获取破坏点地理位置信息,赶赴现场进行处理。
光纤传感主机放置在电缆隧道的始发点或者中继点(一般为变电房)内。变电房内提供200 VAC市政供电,配备互联网连接接口。传感光缆沿电缆隧道进行铺设。光缆自身具有防腐蚀、防电磁干扰等优点,可适应电缆隧道恶劣的环境。由于光缆作为传感单元,传感现场无需供电,所以不存在传感设备现场供电难的问题。光缆沿被保护的电缆铺设,未对电网任何设备进行改造,对电网的安全未引入新的不确定因素。
2 布线方式
全分布式光纤传感技术[7,8,9],因不需要传感器(只需要采用光纤)即可测量沿光纤路径的时间和空间连续分布信息,克服了点式传感器(如光纤光栅传感器)难以全方位连续监测被测场的缺陷,并具有损耗低、耐腐蚀、易安装铺设、抗电磁干扰、信号数据可多路传输等传统安防产品不具备的优点,从而成为目前安防领域最理想的大型设施无损检测技术。但实际电缆隧道中线缆繁杂,环境复杂,不良的布线方式严重影响光纤传感系统的应用效果和稳定性。本文根据实际工程对传感光缆布线方式进行了优化。根据现场环境并经过多次试验,提了S形的传感光缆敷设方法。一根光缆根据电缆隧道的整体走向,按照S形与多根电缆捆绑,如图2 所示。该敷设方法的优点有:1) 一根光缆覆盖多条电缆,节约光缆用量;2) 当存在偷盗行为时,由于S形光缆的非绷直状态,会造成光缆的形变量较大,有利于光纤传感的信号检测。
3 算法原理
一种基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统采用基于POTDR的分布式光纤传感系统,系统结构图如图3 所示。
脉冲光源发射监测脉冲进入传感光纤,光电探测器探测传感光纤瑞利散射光经过检偏之后的强度信息,此强度信息为沿着光纤分布的强度信息P(z)。当传感光纤未受任何外界扰动时,P(z) 随时间的变化表现为缓变的过程,图4 为未扰动时相邻2 个脉冲周期的POTDR曲线。当传感光纤受到外界扰动并引起光纤的位移时,P(z) 随时间的变化表现为快速的变化过程,图5 为当1350 m处受到扰动时,相邻2 个脉冲周期去噪后的POTDR曲线。由图5 可知,在1400 m左右位置,P(z)开始出现较大的差异(图中圆圈所示区域)。但是由于光电探测器的热噪声、外界环境干扰等因素影响,从图5 中2 条曲线差值看,很难直接准确判断扰动位置为1350 m处。为此本文提出改进的判断算法。
注:T1、T2为2个相邻周期的数据;|T1-T2|为2组数据差的绝对值
虽然有时2 组数据的算术平均数、标准差和偏态系数都相同,但它们分布曲线顶端的高耸程度却不同。峰度系数可描述这种数组之间的差异,它反映了频数分布曲线顶端尖峭或扁平程度。统计学用四阶中心矩来测定峰度。当有信号差异的2 组数据进行比较时,由于数据处于不同的分布状态,其峰度系数必定存在较大差异,可利用四阶中心矩来区分有无信号差异。
本文设计的数据处理算法,首先对相邻2 个周期去噪后的POTDR曲线作差处理,得到2 条曲线的差异D(z)=|P(z)T1-P(z)T2|;然后对D( z) 进行分组处理,设数组Y1为D(z) 的前100 个数据点;数组Y2为D(z) 的第2 至第101 共计100 个数据点;数组Y3为D(z) 的第3 至第102 共计100 个数据点;以此类推;最后分别求出数组Y1,Y2,… ,YL-n+1的四阶中心距:
其中,,k=1,2,…,L-n+1;L为数组D的长度。
按照上述数据处理算法对图5中的数据进行处理,结果如图6所示。
从图6可以看出,设定强度阈值为1011时,超过强度阈值的位置在1365 m处。这个结果和实际扰动位置(1350 m)存在一定的误差。产生误差的原因有:1) 由于实验中POTDR的脉冲宽度为1μs,对应的空间分辨率为100 m;2) 由于整个系统存在环境噪声、光电探测器热噪声等各种噪声,所以强度阈值不能设置太低,以免引起误报警。
然而实际工程中由于现场环境复杂,仅靠阈值判定报警误报率较高。如降雨或者老鼠等小动物扰动光纤可能会引起信号超过阈值。为此本文设计了振铃算法。设振铃宽度J和振铃次数阈值I,将连续J个周期的分段四阶矩波形与强度阈值进行比较,记录每个周期内距离最近的超过阈值点。当超过I个周期都存在超过阈值点时触发报警,报警点为所有超过阈值的点中距离最近的点。J和I的值可根据具体的现场环境进行调整。在南方电网某局的现场试点工程中测试发现,当J和I分别选择150 和10 时,报警效果较好。
4 标定方法
由于光纤传感系统检测距离和实际地理位置难以标定,特别是采用S形敷设方法后,事件发生点到光纤传感主机的光缆长度和实际地理位置更加难以对应。本文建立基于Web平台[10]的管理系统,提出基于地理信息系统(geographic information system,GIS)[11]的标定方法,可快速准确地对分布式光纤入侵系统进行标定。
基于GIS的定位算法流程图如图7 所示。首先,在服务平台添加报警节点表单,表单包括节点名称(实际地理位置常用名称)、距离(光纤传感主机到此点所敷设的光缆长度)、经纬度(唯一标示此点在地图上的位置)等参数;然后,当管理平台接收到光纤传感主机发来的报警信号后,提取报警信息中的距离信息,将报警距离和表单中的节点距离信息依次比较,找到最接近的一个节点,判断此节点附近出现入侵事件并提醒用户注意。
5 结语
结合电缆隧道安全监测的具体应用场景,本文提出了一种基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统。与典型的传统监测方式(如基于低压脉冲原理的系统、基于电子振动传感的智能井盖视频监控等)相比,光纤传感系统在电缆隧道的监控应用中有2 个优点:1) 现场无需供电,解决了现场环境复杂、取电难等问题;2) 无需对电网系统进行任何改造,避免引入新的不安全因素。此外本文根据电缆隧道现场环境的特殊性,在分布式光纤振动传感技术已有成果的基础上,设计并优化了事件识别算法和布线方式,建立了基于Web平台的管理系统,提出了基于GIS的标定方法。研究成果在南方某辖区进行了工程试点,取得了良好的效果。
参考文献
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分布式传感技术 篇4
关键词：动力电缆,光纤传感,布里渊散射,温度,变形
1 引 言
当前,随着我国油田在渤海湾浅海地区石油资源开发规模的扩大,相应地浅海地区固定式采油井组平台也越建越多,需要敷设的海底动力电缆也越来越多。如胜利油田浅海海域的钻井平台,其中大多数平台由陆上海洋变电站采用11 kV或35 kV高压海底电缆供电,由于电缆的高负荷运行、海域的复杂地质结构和海上的复杂运行环境,使得运行中的电缆经常出现断路、短路等故障,影响生产,也带来巨大经济损失。因此,对运行电缆进行在线监测将是保障电缆健康运行的重要措施。从有关文献资料得知,日本学者Nishimoto T,在1996年对一个岛上的66 kV的高压电缆内使用分布式光纤温度应变传感来监测船抛锚和人为的一些机械破坏[1,2],取得了一些好的效果;1997年,亚喀巴湾横跨海峡连接约旦和埃及的400 kV海底电缆,采用拉曼散射的分布式光纤温度监视电缆内部温度的变化,从而可对高压电缆导线运行电流和电压状况进行监测,该系统一直应用至今;国内对陆地高压电缆的表面温度也采用基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术进行监测[3,4];西安交通大学罗俊华等人主要研究采用局部放电的方法对高压电缆进行短距离在线监测。但目前这些研究的对象要么是陆地高压电缆,要么采用的方法和技术单一,对敷设在浅海域淤泥质海床上的高压动力电缆在线监测难以直接应用。为此,本课题在分析海底电缆产生故障机理的基础上,提出采用分布式光纤传感监测海底电缆的方法,通过模拟和实验验证,为海底电缆的健康运行、监测、维护、管理提供帮助。
2 XLPE(交联聚乙烯)浅海域海床动力电缆故障分析和数值模拟
通过课题组前期研究,对运行中的电缆,除了电缆设计制造、敷设、运输中遗留下来的隐患故障外,在电缆运行中的负载变化和电缆所处海域海床的力学破坏是电缆运行中引起损坏和故障的主要原因。
通常情况下,动力电缆正常运行的负载与电缆内部温度有直接关系[4,5],动力电缆的额定功率由电缆缆芯周围的介质阻热率决定,进一步由缆芯周围温度来决定。对处在海床内湿度环境的电缆,随着温度的增高,周围的土壤变热,阻抗增加,绝缘性变差,反过来进一步加剧电缆温度上升,绝缘破坏加快,以致电损增加和电缆承担力减小。因此,对电缆正常运行中的负载变化,即电缆内部的温度状况进行监测是保证电缆正常运行的一种重要措施。三芯动力电缆内部温度分布可简化为一个二维的传热问题,应用有限元数值模拟分析,可得三相动力电缆发热后的内部截面温度场。为研究方便,简化电缆的参数,假定海底电缆截面结构主要由导体、中间XLPE绝缘部分、绝缘屏蔽及防护部分三层组成,三相间的填料物参数可设为:密度为700 kg/m3,热容为2 310 J/(kg·K),导热系数为0.173 W/(m·K);中间XLPE材料的参数为:密度为2 800 kg/m3,热容为856 J/(kg·K),导热系数为2.25 W/(m·K);外层绝缘防护材料的参数为:密度为600 kg/m3,热容为795 J/(kg·K),导热系数为0.07 W/(m·K)。电缆外表面取空气温度为20 ℃,假定三相通电导体的故障温度分别为80 ℃,82 ℃和85 ℃。数值模拟如图1所示,由此可直观得到,若在电缆内部布置分布式温度传感器,在截面不同位置处监测到的温度会不同,电缆截面温度场的模拟可为内部布置的传感元件感知温度,反演电缆负载变化提供理论依据。若电缆导体外的中间绝缘XLPE的导热系数变化为0.02 W/(m·K),其他参数保持不变,也就是隔热能力很强,所模拟的电缆内截面温度场分布如图2所示。
若电流产生的三相线芯导体有一相产生短路故障后,会导致断电跳闸,故障相温度90 ℃,其他两相瞬间分别为30 ℃,则发生故障瞬态的截面温度变化数值模拟如图3所示。
海底地质条件复杂,淤泥质海床不稳定性、地貌形态不均匀,淤泥滑坡滑移,加之波浪动力学的综合作用,会对埋入海底的动力电缆产生巨大的剪切力、拉力、扭矩作用,进而使电缆变形,损伤到里面的铠装层、绝缘层,从而对地放电、短路引起故障。若在海底动力电缆三相间敷设分布式应变传感器,则在电缆受到外力变形时,应变传感器可监测到。利用有限元分析方法来模拟电缆应力场变化更直观,图4是三相电缆外部受压引起变形的应力场截面有限元模拟图。
3 XLPE浅海域海床动力电缆的分布式光纤传感在线监测机理及设计
高功率激光脉冲入射到光纤中,在传播的过程中与光纤分子相互作用产生瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射三种散射光。其中,布里渊散射基本原理是利用光纤单一截面上的布里渊散射光谱中心频率的漂移量与光纤所受的轴向应变和温度之间的线性关系[6,7],如式(1)所示
Δv(z)=C1·Δε(z)+C2·ΔT(z) (1)
式中:Δv(z)——布里渊光频移变化量;Δε(z)——传感光纤z(离入射端面距离)处的应变变化;ΔT(z)——传感光纤z处的温度变化;C1,C2——光纤的布里渊频移应变和温度系数,1 550 nm波长的入射光在普通单模光纤中各个系数为:C1=0.049 3 MHz/με,C2=1.2 MHz/℃。通过测量分析中心频率的漂移变化,便可得到光纤的外表温度和轴向应变。目前应用该技术进行温度与应变同时测量的主要有基于光纤光时域反射(OTDR)的布里渊时域反射计法(BOTDR)的分布式光纤传感器和基于光纤光时域反射(OTDR)的布里渊时域反射分析技术(BOTDA)的分布式光纤传感器,他们的主要区别是BOTDR利用自发的布里渊散射,只需要单端测量,实际使用时比较方便;而BOTDA技术则利用受激布里渊散射,双端测量,但测量精度高。本课题采用基于BOTDR的自发布里渊散射,便于现场采用。基于分布式光纤布里渊散射的传感器既可同时实现温度和应变的连续点测量,又能很容易地敷设在电缆内部,结合渤海湾海域海底电缆出现故障的现场情况,我们设计定做了35 kV的XLPE海底用实验电缆,在XLPE电缆成缆过程中,实现内部三相填充物之间加入三组单模光纤,每组至少3根,确保测试光纤的冗余,其结构示意如图5所示。
4 XLPE海底高压动力电缆分布式光纤传感测试
将BOTDR的分布式光纤温度应变分析仪与实验电缆内的一根单模传感光纤熔接在一起,可以进行数据采集与分析,由于直接对电缆加高压负载比较困难,实验中从电缆外部加热来模拟电缆本体温度的变化,实验时将内部有传感光纤的电缆放在恒温水槽中,保持自由不受外力状态(仅监测电缆本体温度变化),分别加热到40 ℃和60 ℃,保持一段时间稳定,测试内部的光纤传感温度感应曲线如图6所示。分布式光纤传感器能基本探测到温度的变化和温度的分布。将该电缆从水槽中取出,保持电缆外表环境温度稳定后,在电缆的50 m和100 m处施加外力,产生打扭弯曲,监测到内部的2根传感光纤探测的应变与变形比较明显,如图7所示。由于分布式传感光纤在电缆内的空间分布不同,每根光纤内部敷设后的余长不同,对应光纤在电缆内的自由状态就不同,所以,电缆受扭弯曲后,截面不同处传感光纤感测的应变也将不同;此外,电缆弯曲时受拉部分的光纤能感测应变,受挤压部分的光纤则呈松弛状态,没有变化,这也是电缆弯曲变形后,不是所有的光纤能探测到应变的原因,但感测应变的所有光纤测试数据的变化趋势应一致。
结合渤海湾埕岛海域敷设含有分布式光纤的新动力电缆的现场施工工程,确定靠近海堤边的动力电缆作为试验段,通过内部的光纤传感器监测电缆敷设后的沉降动态变化,同时与水准观测仪的定点观测数据进行对比。由于BOTDR测量得到的是一个相对变化[8,9],需要把初始敷设数据作为系统的监测基准值,为后期的监测数据提供对比依据,同时还要剔除因为温度变化、电缆敷设的预留长度、电缆敷设后的滑移等一些因素造成的影响。敷设完工稳定后测得的7个观测点和常规水准仪测量的数据对比曲线如图8所示。
由于试验段是电缆在海堤淤泥下沉陷后的变形,整个测试段电缆的温度基本相同,不需要温度补偿,从图中仪器测试的分布式光纤传感应变监测数据分析看出,应变分布与现场沉陷情况比较吻合,大应变对应较大的堆载,分布式光纤传感器的变形量与水准仪测量的电缆敷设后的整体沉降趋势也吻合,计算得到的最大偏差为-94 mm,5个水准观测点平均偏差为39.2 mm,能有地效反应电缆受到的拉伸、弯曲应变。
5 结 论
利用布里渊散射的分布式光纤温度应变传感监测技术实现海底高压动力电缆的在线温度和应变的监测与定位。通过实验室模拟和现场电缆敷设测试及与传统仪器测试对比,分析结果证明,内部有分布式光纤传感的动力电缆可实时敏感地检测到电缆外部的应力应变以及电缆内部温度的变化。
参考文献
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分布式传感技术 篇5
目前我省已建成的输气管道干线总长约3 500多公里, 覆盖省内11个地市的81个县区。然而, 随着燃气入户不断增加, 燃气管网的布设也在逐步增多, 导致地下管网变得纷乱错杂, 在日常管道运营中, 频繁受到外界各种入侵事件的影响致使管网事故频发, 其后果多为管道燃气泄漏引发的火灾、爆炸, 直接对人民的生命财产安全造成严重威胁。
传统的长距离运输管道泄漏监测方法主要是基于管内运输介质的温度、流量、压力和管壁完好程度来判断, 但是这些方法普遍存在问题主要有:不能提前或实时对介质泄漏隐患进行预报, 事故发生后难以及时准确判定泄漏的具体位置等。本文针对当前燃气运输过程中存在的问题, 提出了采用分布式光纤传感监测技术在线实时监测管道的运输情况, 准确预测和定位泄漏隐患存在位置, 及时发现处理问题, 确保人民生命安全。
1 分布式光纤传感技术
分布式光纤传感系统能够实现长距离、大范围的连续、实时、长期的在线监测, 也是当今光纤传感技术发展的一个主要方向。另外, 分布式传感系统具有较高的性价比, 使得在大型管道运输工程中广泛研究应用, 光纤传感领域中基于各种散射机理的分布式传感系统是其研究的热点之一[1]。
基于光干涉原理的长距离分布式光纤管道振动传感技术, 此技术主要以MZ干涉技术为基础, 通过利用双向干涉结果的相对相位, 采用相关的方法取得两者相对时差进行定位。入射激光、光纤耦合器以及传感光纤等的本身特性决定了分布式光纤的灵敏度。在长距离监测应用中, 由于大量噪声引起的相位扰动很大程度上会使监测信号湮没, 相关性大大减弱, 对于这一问题, 针对性的提出先对MZ干涉进行解调, 然后在获取实际相位变化后再进行定位的方法。其原理图如下图1所示。
其基本工作原理为:由1端发出的光, 经耦合器1后分别进入长度基本相同的两根单模光纤中。两根光纤输出的光在第2个耦合器处发生干涉。同样, 由于光路的对称性可知, 在由2端发出的光, 也同样在耦合器1处发生干涉。在传感光纤无扰动前提下, 1端发出的光会在2端产生稳定的干涉条纹。同时, 由2端发出的光也将会在1端产生稳定的干涉条纹。在采用窄带激光作为光源时, 将分别在1端和2端接到稳定的光功率[2]。
2 燃气管道泄漏监测的系统结构及工作原理
针对燃气管网易燃易爆特性, 以及当前管线监测方式多为带电操作、人工监测为主, 该系统基于多种光纤传感技术, 设计复合监测系统, 以解决当前燃气管网安全缺乏有效监测手段的问题, 对燃气管网运行状况进行实时监测, 提高了系统监测精度和准确性。该系统实现了对管线安全的实时监测 (泄漏、管壁形变、温度等的综合监测) , 并通过光纤网络将数据传输反馈终端, 由终端计算机对数据进行分析处理后实现调度中心和重点监测线路同时报警法[3]。其系统结构如图2所示。
基于光干涉原理、拉曼散射原理的光纤传感监测系统, 多种传感技术互补, 实现对燃气管线泄漏全方位监测, 两种方式结合, 减少监测盲区, 为值班人员提供管线安全告警, 极大地降低漏报概率。
3 燃气管道的检漏和定位
基于光干涉原理的长距离分布式光纤管道振动传感技术, 利用分布式光纤振动传感器获取管道沿线振动信号, 通过信号特征分析及模式识别, 对管道沿线引起振动的事件进行判别。当系统发现管道沿线确有威胁管道安全的异常事件发生时, 立即对发现的异常事件的事发点进行定位帮助, 线路维护人员及时发现燃气管网的窃取、入侵和破坏行为。用三根光纤组成两组MZ干涉仪, 光纤1和2作为振动检测臂, 其有相向传输的两组相干光传播, 并在耦合器和2处发生干涉, 在分别进入探测器1和2, 光纤3作为信号传输臂构成信号传输回路[4]。其定位系统的结构图如图3所示。
由于事件发生的位置到分布式传感器两端探测器的距离不同, 而光波在光纤中的传播速度是一定的, 因此分布式光纤传感器两端的探测器检测到同一事件的时间也不相同, 假设传感器首端和末端的两个探测器检测到同一事件的时间分别为t1和t2, 根据两个探测器检测到同一事件的时间, 计算事件发生位置的原理如图4所示。
因此分布式光纤检测系统单端定位公式可以表示为:
公式中, t1为探测器1感知到振动信号的时间, t2为探测器2感知到振动信号的时间, v为光波在传感器中的传播速度, v=c/n (c为光速, n光纤的折射率) 。
4 现场试验及分析结果
项目开发完成后, 选择一段在建的燃气输送管道进行试验, 光纤布设长度约50 k M, 光缆为缠绕敷设在管道上, 并随同光缆直埋。利用该光缆中的三芯构成MZ干涉原理的燃气管道安全预警系统, 用来对燃气输送管道沿线出现的外物入侵或燃气泄露进行预警和定位。
试验选用人为用铁锹在输送管道上方作业, 对埋设的管道进行挖掘。当挖掘进行到一定深度时, 检测系统进行报警并定位, 试验过程中收集到如下表1的42组数据。
表中挖掘定位的平均值为24 023 m, 定位标准差121 m。
通过上述现场实际测试, 可以得出采用基于MZ干涉技术为基础的光干涉原理长距离分布式光纤管道振动传感技术, 在大约50 k M左右的检测干线上, 能够将定位精度确定在120 m内, 相对精度达到0.24%。通过此试验及其结果分析, 采用分布式光纤振动检测技术, 能够实现50 k M燃气管网输送的无人监测, 实时可靠的对外来入侵事件进行报警和定位, 确保燃气输送安全。
另外, 实验也表明, 该系统工作稳定, 检测灵敏度和定位精度均达到使用要求, 能够推广应用于工程实践。
参考文献
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两描述分布式视频压缩传感 篇6
随着无线网络和多媒体技术的快速发展,低功耗的无线视频设备逐渐流行。由于有限的电池能量和内存,以及不稳定的无线网络,这些设备需要低复杂度的编码算法和稳定的传输。
传统的视频编码算法,例如H.26x,MPEG系列标准,由于这些算法在编码端采用了运动估计、正交变换、运动补偿等,造成了较高的计算复杂度,所以不符合上述要求。然而分布式视频编码(DVC)[1],也称Wyner-Ziv(WZ)视频编码,其主要采用了独立编码和联合解码的编码框架,具有一定的信道传输的鲁棒性和低复杂度编码的特点,近几年来在图像/视频编码的研究方面,一直是人们研究的热点课题。DVC把复杂的计算从编码端转移到解码端,因此表现出低复杂度编码特性。同时,压缩传感(CS)[2]理论也激起人们的兴趣,能同时进行数据采集和压缩,其采样数量远小于奈奎斯特采样,通过随机测量方法,提供一个简单的编码和高精确的重构。所以根据DVC和CS各自的特性综合生成一个新的框架叫做分布式视频压缩传感(DCVS)[3],这不仅减少了视频压缩的数据量,而且降低了编码的复杂度。
近几年,多描述编码(MDC)引起了人们的关注,其特点是延时小、无需重传、易于实时视频传输,适用于互联网、无线通信网这些不稳定的网络的实时视频传输,是一种新的面向不可靠信道传输的编码方法。视频信号被分成多个描述,每个描述通过单独的信道传输。当一些描述丢失时,可以通过收到的描述来估计丢失描述,恢复出质量可接受的视频;当收到的描述增多时,恢复出的视频质量变得更好。
为了满足低耗视频设备的低复杂度编码和稳定的传输,笔者利用DCVS和MDC各自的特性,综合生成一种多描述分布式视频压缩传感(MD-DCVS)新的方案。在MD-DCVS框架里,为了提高系统的性能,应用了块压缩传感(BCS)、自适应稀疏基和双边运动估计补偿。
1 压缩传感(CS)理论
Donoho[4]和Candes[5]等人在2004年提出了CS理论,CS理论是一种全新的信号描述与处理的理论框架,其主要内容在某一变换域内具有稀疏表示的信号,或者是此信号是可压缩的,就可以基于与变换基不相关的少量线性观测将变换所得的高维信号投影到一个低维空间上,最后通过求解一个最优化问题,可以从这些少量的观测值中高概率地恢复出原始信号。
假设信号x为1个RN空间的M×1维列向量,则其可用1组基向量(稀疏基)ΨN×N的线性组合来表示,其数学表达式为[4]
x=Ψ·θ (1)
式中:θ表示稀疏系数;信号x具有可压缩性或稀疏性,信号是可压缩的是指在允许较少的损失情况下,具有较少的大系数和许多小系数,小系数都是极小或接近于零的数。信号是稀疏的,是指只有K个非零系数,K远小于N,其余所有系数都为零,这样还可称作K-稀疏信号。信号的稀疏基选择,由信号本身的特点决定,如离散傅里叶变换(DFT)基、离散余弦变换(DCT)基、离散小波变换(DWT)基,都可作为信号的稀疏基。
信号的采样与压缩是通过观测矩阵线性投影实现的,设Φ为M×N(M≪N)的观测矩阵,则长度为N的信号x的观测值y可由线性测量直接获得
y=Φ·x=Φ·(Ψ·θ)=A·θ (2)
式中:y是M×1的观测值向量;A=Φ·Ψ为M×N的矩阵;Φ满足以下的条件:1)受限等距特性准则(RIP)[5];2) 非相干性。测量矩阵Φ的列与稀疏基矩阵Ψ的行不能相互表示。x可以凭借这些观测值,通过贪婪追踪算法或者转化为凸优化问题求解,从而精确重建原信号。
2 分布式视频压缩传感(DCVS)
DCVS框架[3]如图1所示。在编码端,一个视频序列由几组图像组成,每组图像包括一个关键帧和一些CS帧,关键帧可以作为相邻CS帧的参考帧。在编码端,每一帧(关键帧或者CS帧)都单独被CS压缩,而关键帧CS测量率比CS帧高。
在解码端,每一关键帧可以通过梯度投影稀疏重建(GPSR)[6]算法来恢复,GPSR算法的初始值和迭代终止条件,可以通过视频序列之间相关性进一步改进。对于CS帧,首先根据已解码的关键帧,运动补偿内插出其边信息,然后通过联合稀疏模型(JSM)和边信息进行重建。
3 多描述编码(MDC)
一个简单的两描述编解码框架如图2所示,编码端首先将一个视频信号用多描述视频编码器分成两个子序列,即描述S1和S2,然后分别单独通过信道1和信道2传输;解码端包括一个中心解码器和两个边解码器,当两个描述S1和S2都可以收到时,中心解码器起作用;当描述S2完全丢失时,边解码器1起作用;当描述S1完全丢失时,边解码器2起作用。由图2可知,当所有的描述被收到时,中心解码器将恢复出最好的质量视频序列;假设一个描述丢失,相应的解码边将从收到的描述来估计丢失的描述,恢复出可接收的视频序列。因为这两个描述之间相关,所以丢失的描述能够用收到的描述来估计。一般来说,描述间的相关性越高,更高质量的描述能够被估计出来。然而,随着相关性增加,冗余也增加,编码的效率也随之降低。所以,在MDC中,在编码效率和恢复出的视频质量之间的权衡很重要。
4 两描述分布式视频压缩传感(2D-DCVS)
为了实现低功耗视频设备的低复杂度编码及无线网络传输的稳定性,本文根据MDC和DCVS各自特性,综合产生一种2D-DCVS新的方案,该方案框架如图3所示。
4.1 编解码的描述
在编码端,一个视频序列通过奇偶分离法,将视频分成两个描述,即奇数帧子序列和偶数帧子序列。每一个描述被分成几组图像,每组图像又包括一个关键帧和一些CS帧。每一关键帧按照CS方法编码;对于每一CS帧,为了降低编码复杂度,先把每一帧图像分成块,然后用块压缩传感 (BCS)[7]方法进行帧观测,对一个图像块xB,其观测值为
yB=ΦB·xB (3)
式中:yB表示观测值向量;ΦB表示观测矩阵,是由结构化随机矩阵(SRMS)[8]方法构造的。SRM的优点是计算速度快、结构简单。SRM建立在可靠数学模型的基础上,能有效测量广泛种类的稀疏信号,在精确恢复所需的观测值个数的矩阵中,几乎达到最佳效果,是一种性能优异的观测矩阵。
在解码端,每一关键帧可以通过GPSR算法来重建;而每个图像块也通过GPSR算法进行重构,这是一个无限制凸优化问题,表示为
式中:yB是从式(3)获得的观测值;A=ΦB·ΨB,ΨB是xB的稀疏基,即:xB=ΨB·θB,θB是xB在ΨB基下的系数;‖·‖2表示l2范数;‖·‖1表示l1范数;τ是一个非平衡参数。稀疏变换矩阵在很多CS算法中,通常都选择固定且正交的变换基向量,例如DFT,DCT,DWT等。因为相邻的两个视频序列之间,存在着紧密联系,具有很大相似性,所以自适应稀疏基是由当前块的前/后已重构的关键帧中相应位置的一些相邻的块组成。两个相邻帧中的一些块,可以线性组合起来近似表示当前块,在此稀疏基下,图像块表现出更好的稀疏性,因此可以得到较好的CS恢复质量。
为了充分利用视频中相邻帧之间的相关性,首先通过已解码的关键帧,然后用关键帧进行双边运动估计补偿内插,最终获得当前CS帧的边信息。当用GPSR算法恢复当前块xB=ΨB·θB时,可以设置其初始值为边信息中相应的块SB=ΨB·θSB,即
4.2 边解码器和中心解码器
假设只仅收到一个描述(以描述1为例),描述1的所有关键帧即K帧(1,5,9,…),首先通过GPRS算法重建;然后CS帧由通过已恢复出相邻关键帧运动补偿内插产生的边信息,并利用自适应稀疏基对CS帧中的每个图像块的恢复进行联合重建;最后由重构的所有的奇数帧内插描述2的偶数帧,以便获得人们可接受的完整视频序列。具体细节描述如图4所示。
假设所有描述都收到,所有的K帧(1,2,5,6,…)通过GPRS算法重建;所有CS帧(3,4,7,8,…)通过BCS恢复。如上文所述,利用双边运动估计补偿,能够恢复出更好质量的CS帧,最后能够获得最好质量的视频序列。具体细节描述如图5所示。
5 实验结果
本文选取2个视频测试序列Foreman和Hall,新方案2D-DCVS和文献[9]DCVS作比较。观测率(Measurement Rate)是两个描述之和,包括关键帧和CS帧;PSNR为在解码端视频恢复的平均值;视频图像组GoP大小为2;块的大小为16×16。
从图6可知,对于Hall,边解码器和中心解码器恢复出的视频质量,在相同测量率下,2D-DCVS明显优于DCVS;2D-DCVS得到大约0.7～1.4 dB的中心质量的提高,0～1.3 dB左右的边质量提高。而对于Foreman,中心质量提高了0.2～0.8 dB,边质量在测量率为0.33时降低,但恢复出的视频质量可以接受。从实验结果看到,在低观测率时,2D-DCVS比DCVS更好,因为对帧和块平均分配观测值是不合理的。图7表明2D-DCVS与DCVS恢复出的连续的帧质量几乎相当。另外,随着GoP增加,2D-DCVS的性能下降,因为MDC破坏了帧之间的相关性。然而,MDC的优点是当一个描述丢失,恢复出的视频质量可以接受,而且对于不可靠的信道,传输具有一定的鲁棒性。
6 结束语
本文提出一种新的2D-DCVS框架,考虑到低功耗视频设备编码端复杂度和实时性要求,应用了块压缩传感;为了进一步利用视频序列之间的相关性,应用自适应稀疏基对图像块解码,图像块在此稀疏基下具有更强的稀疏性;最后,应用双边运动估计补偿来优化重建的结果。实验结果展示本方案满足无线网络的需求。未来的研究是将两描述分布式视频压缩传感扩展成为多描述分布式视频压缩传感,以及在实际的互联网和无线传输网络中如何应用,从而更好地提高其实用价值。
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一种分布式光纤震动传感系统 篇7
关键词：光纤传感,偏振控制,目标定位
0 引言
现代安全防卫系统中及时发现和定位入侵行为具有重要的现实意义。传统的安全防卫系统主要有摄像机视频识别、红外线传感和地磁传感等。这些检测方法受设备供电限制,监测距离较短,抗电磁干扰能力弱,维护成本高。分布式光纤震动传感系统能测量整个光纤长度上随时间变化的震动信息,具有检测距离远、抗电磁干扰能力强和安装后易维护等优点,已成为防卫系统领域最具有应用前景的技术之一[1,2]。
分布式光纤传感技术应用光纤纵向特性进行测量,其测量参量作为光纤长度的函数,可以在整个光纤长度上对光纤分布路径上的外部物理参量进行连续不间断地测量,同时提供被测物理参量的时间和空间信息。随着光纤传感技术的进步,基于不同技术方案的分布式光纤传感器得到了深入研究与讨论,主要包括基于散射效应的OTDR传感器和基于光波干涉效应的干涉型传感器[3,4,5]。与散射型传感器相比,干涉型传感器利用前向传输光进行信号处理与目标定位,因此具有灵敏度和动态范围方面的优势。Sagnac干涉技术和M-Z干涉技术是分布式干涉型传感器采用的两种主要技术方案。相比于Sagnac干涉技术,M-Z干涉技术具有解调技术简单和对光源相干性要求低的特点,因此基于双M-Z干涉技术的光纤传感系统适合长距离分布式应用。目前干涉型光纤传感器的解调一般采用相位生成载波( PGC) 技术和基于3×3光纤耦合器干涉的被动解调技术。相比于3×3光纤耦合器干涉的被动解调方案,PGC技术具有解调结果失真、动态范围受限以及采用外调制产生载波时光路比较复杂等缺点,因此3×3解调技术得到了广泛应用。
本文采用一种全新的光路形式,设计了一种基于双M-Z干涉仪技术方案的分布式光纤震动传感系统,该系统采用3×3解调方案,具备目标信息无失真获取、外界目标信号定位和目标信息识别,最终形成报警信息输出功能。
1 分布式光纤震动传感系统原理分析
1. 1 系统原理
分布式光纤震动传感系统的结构示意图如图1所示。系统主要由光源、光隔离器、光分路器、偏振控制器、偏振控制单元、环形器、3×3耦合器、光电探测器和信号处理单元组成。其中2个环形器和2个3×3耦合器构成2个双向马赫—曾德尔干涉仪。
光源发出的窄线宽激光经过光隔离器后,进入光分路器,然后按照1∶1比例分为2路作为每个马赫-曾德尔干涉仪光源。其中一路光信号通过偏振控制器1和环行器1后,输入到由第1耦合器和第2耦合器构成的M-Z干涉仪1,干涉仪输出信号进入第2探测器组完成光电转换,第2探测器组输出信号作为第1偏振控制单元反馈信号对通过第1偏振控制器的光波偏振态进行控制; 另一路光信号通过偏振控制器2和环行器2后,输入到由第2耦合器和第1耦合器构成的马赫—曾德尔干涉仪2,干涉仪输出信号进入第1探测器组完成光电转换,第1探测器组输出信号作为第2偏振控制单元反馈信号对通过第2偏振控制器的光波进行偏振态控制。第1探测器组输出与第2探测器组输出信号输出至信号处理单元,信号处理单元对2路信号进行3×3解调得到目标信号,对2路目标信号进行相关运算得到目标位置,对目标信息识别得到目标类型,通过对以上目标信息综合形成报警信息输出。
1. 2 3×3解调原理
下面以第一干涉仪为例介绍光纤传感器的解调方案。窄线宽激光器发出的激光经过光隔离器和光分路器后分成2路相干光源,其中一路作为第一干涉仪的输入光源,输入的相干光信号经过偏振控制器和环形器1后进入由3×3耦合器1和3×3耦合器2构成的第一干涉仪,再在干涉仪输出端干涉,最终将相位调制的光强信号分3路,3路光信号间互成120°相位差。此时,即使一路光信号的偏置点处于余弦曲线的最大点或最小点,另外2路光信号由于存在着120°相位差可以将偏置点移至线性区,极大提高了检 测灵敏度,避免了信 号的相位 衰落现象[6]。
设3路输出光强信号I1、I2和I3,分别为:
由式( 1) 、式( 2) 和式( 3) 可以得到:
由式( 4) 消除光源输出直流量的影响,并对式( 1) 、式( 2) 和式( 3) 微分可得到:
式( 2) 消除直流量后与式( 7) 、式( 5) 的差相乘,即
同理可以得到:
式( 8) 、式( 9) 和式( 10) 相加后,
考虑到干涉条纹的峰值亮度受光源强度及偏振态变化而可能受到的影响,故将式 ( 11) 除以由式( 12) 得到的3路信号平方和B2。
最后再将所得的商对时间做积分,即可完整恢复原信号函数( t) 。
1. 3 系统定位原理
基于马赫—曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统,结构如图2所示,光源发出的相干激光经光分路器1后分成2路相干光源,2路相干光源分别经过耦合器2、3,由2个方向分别进入由4、5构成的马赫—曾德尔干涉仪,外界信号对由不同方向经过干涉仪的光信号同时进行相位调制,分别从干涉仪的输出端拾取2路光信号,光信号经光电转换后,由信号处理模块对包含有外界信息的信号x1( t) 和x2( t) 运用互相关算法进行触发位置定位。
传感系统干涉仪干涉臂长为L,假定在距始端耦合器4距离为x处发生扰动事件,则扰动信号传输至探测器2和探测器1的时延Δt为:
假定2路探测器输出信号分别为x1( t) 和x2( t) ,s( t) 为目标扰动信号,Δt为信号延迟,n1( t) 和n2( t) 为加性噪声。假定n1( t) 、n2( t) 、x1( t) 和x2( t) 互不相关,则2路探测器输出的信号为:
式中,Δt就是所估计信号到达2个探测器的时间差,根据式( 13) 可求得扰动位置x,即
利用互相关函数法确定两相关信号之 间时延,即
由上述假设n1( t) 、n2( t) 、x1( t) 和x2( t) 互不相关,可得
式中,Rss( τ) 为扰动信号s( t) 的自相关函数。由自相关函数的性质可知Rss( τ - Δt) ≤Rss( 0) ,即当τ - Δt = 0时,2个探测器接收信号相关性最大,相关函数峰值点位置即为时延值。,进而通过式( 16)得到目标扰动位置[7]。
1. 4 偏振控制原理
由于光纤温度变化,几何弯曲等因素影响,光纤传输过程中偏振态发生随机变化[8]。基于双M-Z干涉技术的分布式光纤传感系统由于偏振态的随机变化会发生偏振衰落现象,偏振衰落不仅会导致输出信噪比下降,更重要的是会导致系统定位精度下降[9]。在如图1所示的分布式光纤传感系统中,在相干光信号进入干涉仪前加入偏振控制器来控制输入光信号偏振状态,避免信号偏振衰落,提高系统定位精度[10]。
在分布式光纤震动传感系统中,偏振态控制器分别对双Mach-Zehnder干涉仪的双向光波进行偏振态控制,以补偿干涉仪偏振态变化,经偏振态控制的光波经干涉仪输出后的2路干涉信号分别进入光电探测器,经光电转换后作为反馈信号分别输入至对应偏振控制单元。
偏振控制单元利用干涉仪输出的反馈信号,运用基于敏感通道选择及控制的偏振控制方法,调整偏振控制器各通道的输入电压信号,利用反馈回路连续调节控制光波偏振态,直至2路信号满足相关系数大于阈值,且每路信号可见度大于可见度阈值。
所述的敏感通道选择及控制的偏振控制法具体过程是: 选取2路干涉信号,其中一路作为参考信号,另一路作为相关信号。
对于可见度控制过程可用以下函数描述:
式中,Vi,i = 1,2,3,4,分别为偏振控制器1各通道上所加的电压; A为信号幅度。
对于相关度控制过程可用以下函数描述:
式中,Vi,i =5,6,7,8,分别为偏振控制器2各通道上所加的电压; C为参考信号与相关信号的相关系数。
敏感通道选择及控制的偏振控制法具体流程如下:
1选取参考信号偏振敏感通道。在另外3个通道输入电压值为0 V情况下,选择其中某一通道( 1≤i≤4) 施加0 ~ VMAX之间固定步长变化电压值,记录该通道在不同电压之下的输出信号可见度。比较每一通道单独施加电压情况下,输出信号可见度的变化情况,选取变化最大通道为敏感通道。
2选取相关信号偏振敏感通道。在另外3个通道输入电压值为0 V情况下,选择其中某一通道( 1≤j≤4) 施加0 ~ VMAX之间固定步长变化电压值,记录该通道在不同电压之下的输出信号可见度。比较每一通道单独施加电压情况下,输出信号可见度的变化情况,选取变化最大通道为敏感通道。
3设置控制阈值。选取参考信号的敏感通道可见度均值作为参考信号可见度阈值ATh,设定相关信号相关系数阈值为CTh。
4初始化参考信号偏振控制器初始电压Vi,1≤i≤4。对于参考信号,设定敏感通道i可见度最大值对应电压值为该通道初始电压,其他通道设为0 V。
5初始化相关信号偏振控制器初始电压Vj。设定敏感通道j可见度最大值对应电压值为该通道初始电压,其他通道设为0 V。测定当前信号相关系数C,若C≥CTh,选取当前电压为相关通道控制电压,若C < CTh,则以相关系数差值作为权值调节当前相关通道电压值,若调节后C≥CTh,则停止调整,若调节后电压超出0 ~ VMAX范围,仍不能满足C≥CTh,则在除当前敏感通道的剩余通道中,重复步骤2和步骤5,选取满足要求的敏感通道j及电压值Vj。
6参考信号偏振控制。测量参考信号当前可见度A,若A≥ATh,则保持参考信号各通道当前电压,若A < ATh,则以相关系数差值作为权调节当前敏感通道电压值,若调节后A≥ATh,则停止调整,选取当前电压为参考通道控制电压,若调节后电压超出0 ~ VMAX范围,仍不能满足A≥ATh,则重复步骤1、步骤3、步骤4和步骤5。
7相关信号偏振控制。测量当前信号相关系数C,若C≥CTh,则保持相关信号各通道当前电压,若A < ATh,则调节当前敏感通道电压值,若调节后A≥ATh,则停止调整,选取当前电压为参考通道控制电压,若调节后电压超出0 ~ VMAX范围,仍不能满足A≥ATh,则重复步骤2、步骤3和步骤5。
8重复步骤6和步骤7。
本系统中最大偏振控制电压VMAX= 1 V,以0. 2 V步长进行电压调节。依据步骤1和步骤2的控制流程,敏感通道测试结果如表1所示。依据选取原则,选定偏振控制器1的2通道为参考信号敏感通道,偏振控制器2的3通道为相关信号敏感通道。
选取参考信号的敏感通道可见度均值作为参考信号可见度阈值,即ATh= 0. 844 V /2 = 0. 422 V,设定相关信号相关系数阈值为CTh= 0. 9。相关系数C1= 0. 718低于阈值情况下的信号波形图如图3所示。依据控制流程和所给出阈值,经偏振控制器调节后C3= 0. 925高于阈值情况的信号波形图如图4所示。
2 实验结果分析
实验中采用传感光纤长度为30. 15 km,在干涉仪距离第一探测器组14. 48 km处施加人员走动信号,2个探测器输出信号经信号处理单元解调后输出的信号波形图如图5所示。
从图5可以看出,传感解调系统可以无失真的得到目标震动信号[11,12]。图6为利用互相关算法将图5所示探测器输出的两路解调信号进行互相关运算的结果图。
从图6中可以看出,在Δt = 0. 16 ms时相关函数取得最大值。依据上述系统定位原理,可算出扰动点位置为14. 46 km,与实际扰动位置误差为20m。因此,基于图1所示的系统框图,采用前述的偏振控制、信号解调和目标定位方法,可以真实还原目标信号,准确定位目标位置。验证了系统的可行性。
3 结束语
分布式传感技术 篇8
光纤分布式喇曼温度传感技术是用于实时测量空间温度场分布的新型传感技术[1], 光纤既是传光介质又是传感元件, 基于喇曼散射中的反斯托克斯线是温度的敏感函数, 可以用来测量整个光纤长度上的温度分布情况。利用这种技术可以同时获得光纤沿线数十公里连续空间的温度场分布。现有的分布式光纤温度传感器大多为多模光纤传感器,由于多模光纤的模式色散限制了通过提高光接收机的性能来改善系统空间分辨率的程度,所以本文中进行系统设计时采用单模光纤,以克服多模光纤的不足,并且采用了反斯托克斯(Anti-Stokes)和斯托克斯(Stokes)背向喇曼散射强度比值的解调方法,消除了光源抖动、光纤弯曲、采集时的漏光、损耗系数和散射系数等因素的影响[2,3]。
1 分布式温度传感器的设计原理
光纤分布式喇曼温度传感是利用光纤中喇曼散射光的Anti-Stokes光对温度敏感的特性。实验中发现,Anti-Stokes散射光对温度敏感, 强度受温度调制,而 Stokes散射光基本上与温度无关, 两者光强的比值只与散射区的温度有关。
Stokes散射光子频率为νs=νo-Δν,Anti-Stokes散射光子频率为νa=νo+Δν,式中,νo为入射光频率;Δν为光纤中石英分子的振动频率,Δν=1.32×1013 Hz[4]。
分布式光纤温度传感器采用了光时域反射(OTDR)技术,并利用了喇曼散射光对温度敏感的特性,能测出沿光纤不同位置的温度变化。
1.1 OTDR原理
激光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中存在折射率的微观不均匀性,会产生瑞利散射。在时域中,入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t,激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L,2L=νt,ν=c/n为光在光纤中的传播速度,c为真空中的光速,n为光纤的折射率。在时间t时可测量到离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利散射光。采用OTDR技术,可以确定光纤此处的损耗,光纤故障点、断点的位置,对测量点进行定位,因此也可称为光纤激光雷达。局域处离入射端的长度L为L=ct/(2n)。
1.2 喇曼散射光的温度效应
在离光源L处局域的Stokes喇曼散射的光子数为
Anti-Stokes喇曼散射光子数为
式中,Ks、Ka分别为与光纤Stokes和Anti-Stokes喇曼散射截面有关的系数;S为光纤的背向散射因子;νs、νa分别为Stokes和Anti-Stokes喇曼散射光子频率;Nc为光纤入射端的激光脉冲光子数;T为绝对温度;α0、αa和αs分别为入射、Anti-Stokes和Stokes散射光沿光纤的传输损耗;L为光纤待测局域处的长度;Rs(T)、Ra(T)是与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数,与局域光纤处的温度有关:
式中,h为普朗克常数;k为玻耳兹曼常数。Rs(T)和Ra(T)服从玻耳兹曼分布规律[5]。当光纤L处局域温度变化时,调制了喇曼散射光的强度,这就是光纤背向喇曼散射的温度调制机理。
1.3 背向喇曼散射解调方法
由于喇曼背向散射光信号很微弱,这给解调带来一定的难度。现有的解调方法有Anti-Stokes背向喇曼散射、 Stokes背向喇曼散射以及Anti-Stokes与Stokes背向喇曼散射强度比值解调。T=T0时,式(2)可变为
由式(2)和式(5)可得
由式(6)可以看出,Anti-Stokes背向喇曼散射解调方法由于不能消除光源和测温光纤变动带来的影响,系统的稳定性和可靠性差,不适合现场应用。Stokes背向喇曼散射解调方法除了具有Anti-Stokes背向喇曼散射解调方法的缺点外,其信号更微弱,不易解调,也不适合现场应用。本文采用了Anti-Stokes与Stokes背向喇曼散射强度比值的解调方法。由式(1)～(4)可得
当T=T0时,
由式(7)和式(8)可得
由于T0、h、k、Na(T)/Ns(T)和Ns(T0)/Na(T0)均已知,因此可得到局域处的温度T。这种解调方法由于引进了Stokes背向喇曼散射光的影响,消除了光源和测温光纤变动带来的影响,系统的稳定性和可靠性好,比较适合现场测量使用。
2 分布式温度传感器的系统设计
分布式温度传感器系统由主机、信号采集累加处理系统及光纤探头3部分组成。图1所示为基于Anti Stokes与Stokes背向喇曼散射强度比值解调的分布式光纤传感器系统原理框图。脉冲激光器发出的窄带光脉冲经耦合器进入传感光纤,传感光纤布置在待测温度场中。传感光纤中带有温度信息的背向喇曼散射光再经耦合器进入波分复用器。波分复用器将光信号分成两束,分别经过不同波长的窄带滤波器,得到Stokes散射光信号和Anti-Stokes散射光信号。这两路光信号最后进入信号放大及采集电路和计算机。
系统设计选用红外高功率窄脉冲半导体LD激光器,中心波长为1 547 nm,光谱带宽为0.075 nm,脉冲重复频率为10 kHz,脉冲宽度为10 ns,激光器功率为63 W。选用中心波长为1 448 和1 660 nm的双通道稀疏波分复用器(CWDM),通道带宽为+7 nm。Anti-Stokes滤波器的中心波长为1 448 nm,3 dB带宽(FWHM)为16 nm;Stokes滤波器的中心波长为1 660 nm,FWHM为16 nm。光电探测器为高灵敏度、低噪音光雪崩二极管组件APD。选用ADLINK公司的数据采集卡,采样速率为200 MS/s。
3 实验测试及数据分析
3.1 温度和空间分辨率测试及分析
温度分辨率和空间分辨率是分布式测温系统的两个重要指标。温度分辨率是指系统能够确定的最小温度范围。空间分辨率是指定位精度,也就是说如果在光纤某一点上温度发生变化,系统能够确定该点位置的最小范围。实验中对系统的温度分辨率和空间分辨率进行了测试和详细分析。
为了检验设计系统的温度和空间分辨率,设计实验如图2所示,将4段长度为 2 m的光纤圈分别放在温度设定为 40、50、60和70 ℃的恒温水槽中。
根据文中1.2节对喇曼散射光温度效应的分析,由式(3)和式(4)及其与温度的关系可知,沿光纤分布的温度上升时,Rs(T)和Ra(T)均增大。另外由以上两式整理得
根据设计的实验,得到Stokes与Anti-Stokes光强曲线图如图3所示。Anti-Stokes与Stokes光强比值曲线图如图4所示。温度沿光纤的分布曲线如图5所示。观察可得,系统的空间分辨率为2 m,温度分辨率为1 ℃。
3.2 系统响应时间测试及分析
系统的响应时间是标志系统反应快捷程度的重要参数,是现场应用的一个重要指标。因此,实验中对系统的响应时间进行了测试和分析。
将一水槽恒温在70 ℃,把一个2 m长的光纤圈放入恒温水槽中,系统的温度响应曲线如图6所示。可以看出,系统的温度响应时间为2～3 min,响应速度快,可以对温度场进行快速准确的测量。
4 结束语
本文设计的分布式光纤温度传感器可以对5 km的温度场进行有效测量,测量精度高,温度分辨率为1 ℃,空间分辨率为2 m,并且不易受外界影响,非常具有现场应用价值。光纤分布式喇曼温度传感器系统具有光纤的安全性和抗干扰特性, 并且一次测量就可以同时感知数公里长的一维温度连续分布,因此, 该传感器可应用于各种电力设施, 如变电站的控制电器、电力变压器和发电机组等强电磁干扰环境;各种大型仓库、油库、煤矿、隧道等场所; 可用于油井的温度检测,地热资源的探测,化工原料及危险品生产过程中的检测和航空、航天飞行器的在线检测等方面。
摘要：文章作者在对光纤背向喇曼散射温度效应进行理论分析的基础上,对基于反斯托克斯/斯托克斯散射光强比值型的光纤分布式喇曼温度传感系统作了详细的研究,对系统主要器件的要求进行了计算,研制了基于单模光纤的5 km分布式温度传感器。实验表明,系统能精确地进行分布式测温,温度分辨率为1℃,空间分辨率为2 m。
关键词：分布式传感器,喇曼散射,反斯托克斯散射光,斯托克斯散射光
参考文献
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