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分布式光纤振动传感技术及其重要应用分析

2017-04-11 09:08
天堂的苦涩
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分布式光纤振动传感的重要安防应用

分布式振动传感技术以其全分布式感知、灵敏度高、抗电磁干扰、隐蔽性好、定位精度高等优势,在长距离周界安防、油气管线安全监控、智能电网、铁路安全监控等领域得到了广泛应用。近年来,笔者所在的课题组也在相关领域做出了不少努力,并取得了一定的成效。

周界安防

分布式振动传感可以实现光纤沿线扰动信息的实时检测,在国境线以及核心区域的周界安防领域具有重要的应用前景。如何通过复杂扰动信号判断入侵类型,是周界安防领域迫切需要解决的关键问题。 课题组在研究中提出了基于频谱欧氏距离(EDFS)的快速智能模式识别方法,对扰动信号进行实时分析、识别。EDFS方法主要分为4个步骤:
(1)初步判断扰动位置,利用短时能量和平移差分对扰动位置的时间序列进行分析,提取出有效扰动数据;
(2)对上述有效扰动数据做快速傅里叶变换,并进行归一化,获得频域特征;
(3)重复实施多类扰动,进行上述两步处理,将最能体现同类扰动的频域特征作为参考模板,建立模板数据库;
(4)将扰动的待识别数据经过(1),(2)两步处理,获得的频域特征与(3)步骤建立的模板数据库进行比对,确定扰动类型。

分布式光纤振动传感的重要安防应用

车辆定位与跟踪技术

当前实时车辆定位与跟踪技术多采用全球定位系统(GPS)、无线射频识别(RFID)、超宽带无线通信(UWB)等。然而,这些传统技术需要在被跟踪车辆安装相应设备或磁卡,不便于管理和使用,易于损坏,隐蔽性差。2014年,课题组成功地将分布式振动传感系统用于园区车辆跟踪 [8]。它是利用环境扰动对光纤传输信息影响进行检测的,通过检测行驶车辆的扰动,获取车辆的位置、速度等信息。

铁路安全综合检测技术

高速铁路是国民经济大动脉和国家重要基础设施,是全面支撑“区域经济一体化” “一带一路” “制造强国”和“走出去”战略的基础保障,对我国经济社会发展、民生改善和国家安全起着不可替代的全局性支撑作用。

随着铁路“速、密、重”快速发展,高速铁路轨道交通运行安全风险在不断加大,对运用高科技手段保安全的形势越显紧迫,铁路总公司盛光祖总经理在2016年中国铁路总公司工作会议上明确提出“深化重点领域科技攻关,加强铁路安全保障技术、装备运用维护技术”。

因此,发展针对新一代高速铁路轨道交通系统的综合安全监测技术,对于确保铁路运输安全,支撑国家“十三五”发展战略全面实现,具有十分重要的现实意义和历史意义。项目中课题组通过运用Φ-OTDR和布里渊光时域反射计(BOTDR),可以实现对列车的行驶状态及铁路基础设施进行综合安全检测,为铁路安全提供了一种全新的分布式、全天候检测方法。

在监控系统构架设计中,BOTDR主要针对应变和温度变化的检测,如供电电缆/通信光电缆异常温升和断线、边坡滑移等。Φ-OTDR技术则针对基于振动的安全检测,如列车脱轨、车体分离、中途停车、堑坡落石、非法施工、人员入侵等。

分布式光纤振动传感的未来发展趋势及展望

随着物联网技术不断发展,分布式振动传感的产业化进程逐步加快。诸多领域对分布式振动传感技术的需求愈加迫切的同时,也对系统性能提出了更高的要求,比如实现更大的检测范围、更高的响应带宽、更为精准的定位等。

高速铁路、电力线、油气管线等大型基础设施通常长达几百、甚至几千公里,需要进行安全防范的距离非常长,这对分布式光纤传感系统的探测距离提出了更高的要求。然而,随着传感距离的逐步增加,探测光脉冲在光纤中的光功率不断衰减,信噪比随之下降。当光功率下降到一定程度后,难以进行信息正确的感知,这一距离即为系统的检测范围。

显然,检测范围受到光功率的限制。掺铒光纤放大器(EDFA)发展后,被用于探测光的放大,提升传感范围。然而,受限于非线性效应,探测光功率不宜过大,传感范围的提升有限,且会引入放大的自发辐射(ASE)噪声。目前,最有效的解决探测脉冲光功率受限的方法是分布式放大技术,包括光纤拉曼放大(FRA)和光纤布里渊放大(FBA),可以使分布式光纤传感的距离达到上百公里。

车辆运行轨迹强度分布瀑布图

传感光缆沿路边的路牙石铺设,并用水泥固定。解调后的扰动信息首先进行动态频谱分析(DSFI),确定车辆扰动的频率范围,提升信噪比;之后进行二维数字平滑滤波,消除环境因素引起的“孤岛”噪声,便于车辆的识别和定位。(a)一辆车往返通过的瀑布图;(b)多辆车依次同向通过的瀑布图。从图中可以看出,车辆行驶的信号非常清晰,效果显著。

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