相位敏感光时域反射计型分布式光纤传感技术研究

The purpose of this research project is to study high performance distributed fiber sensor with high spatial resolution, high frequency response and multiple parameters sensing capability based on phase-sensitive optical time-domain reflectometry (OTDR). In order to improve the signal to noise ratio (SNR) and achieve high spatial resolution, stochastic resonance denoising method is used to avoid signal fading problem when noise is removed by the traditional denoising methods. Furthermore, we propose a novel phase-sensitive OTDR system based on time division multiplexing (TDM) method. The range of frequency response which is limited by the pulse repetition rate in the conventional phase-sensitive OTDR system can be increased by measuring the position and frequency information of vibration event separately. The corresponding relation between the position and frequency could be determined by the aliasing frequency of the vibration signal by varying the pulse repetition rate for the multiple vibration events with high frequency. We also develop a merged system by combining the phase-sensitive OTDR and the Raman distributed fiber temperature sensor to accomplish simultaneous vibration and temperature sensing in a standard single-mode fiber.

本项目基于相位敏感时域反射计技术，旨在研究具有高空间分辨率、高频率响应且能够实现多参量测量的高性能分布式光纤传感器。通过随机共振去噪技术，避免了传统去噪技术在抑制噪声的同时损失信号的缺点，提高系统信噪比，达到提高空间分辨率的目的。继而采用时分复用的φ-OTDR系统，将振动事件的位置和频率信息分开测量，解决常规φ-OTDR振动频率响应受限于脉冲重复频率的问题，提升φ-OTDR系统的频率测量范围。对多个高频振动信号同时存在的情况，利用改变脉冲重复频率的方法，根据被测信号的混叠频率信息确定振动位置与频率的对应关系。同时，首次将φ-OTDR系统与基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统结合起来，在普通单模光纤实现振动和温度双参量的分布式测量。

本项目针对申请书中提出的研究内容，主要是对φ-OTDR系统存在的随机噪声以及频率响应问题，进行了细致的研究。在项目的支持下，我们在这两个问题的研究上取得了重大的突破。在解决存在的随机噪声的问题上，我们首先引入随机共振的双稳态模型，选择调节系统参数达到最佳随机共振状态，并结合遗传算法进行参数优化，解决了φ-OTDR中以往使用的去噪技术在抑制噪声同时使信号受到损失的问题，实现了高空间分辨率的分布式振动传感系统。其次，我们借鉴了曲波变换在图像去噪中的应用，并采用了蒙特卡洛阈值准则与硬阈值准则，实现了随机噪声的降低，大大提升了φ-OTDR系统的信噪比，而且在实验中也证明了φ-OTDR系统多点检测的能力。第三，我们发现了可以应用到φ-OTDR系统信号去噪的新方法,即经验模态分解法。根据瑞利后向散射曲线数据构成的特点，提出了结合皮尔森系数判断振动位置的方法，实现了在2km的光纤范围上，100Hz和1.2kHz振动具体位置的精准判断，信噪比高达42.52dB和39.58dB。在提升系统频率响应的问题上，我们搭建了时分复用φ-OTDR系统，通过设计探测脉冲的波形，实现了振动事件位置信息和频率信息的独立测量，解决了φ-OTDR系统中频率响应受到探测脉冲重复频率限制的问题，提升了分布式光纤振动传感系统的频率响应范围。实验证明了MHz量级以上的振动可以通过上述方法被φ-OTDR系统检测到。本项目的研究成果为解决φ-OTDR系统中的噪声问题提供了新的方法和途径，为测量高频率振动事件提供了有效的技术途径。这将大大提升φ-OTDR系统在实际应用中性能。