融合相位检测型Φ-OTDR与波长扫描型COTDR的光纤振动传感系统研究

Phase-detection based Phase-sensitive Optical Time-Domain Reflectometry (Φ-OTDR) is a kind of distributed vibration sensing technology which can achieve the vibration measurement with high fidelity and sensitivity. However, the measurement accuracy of this technique is affected by the error accumulated in the unwrapping procedure, which degrades its performance in the low-frequency vibration sensing applications. In contrast to this, the wavelength-sweeping Coherent Optical Time-Domain Reflectometry (COTDR), which is another high sensitive strain detection method, has good long-term performance but limited in high frequency vibration detection. We combine these two methods together in this project. Firstly, the statistic method and optical frequency comb will be used to suppress the Φ-OTDR noises and enhance its low-frequency vibration performance. The optical frequency comb will also be utilized to reduce the wavelength-sweeping period and enhance the high-frequency vibration performance in COTDR. In addition, the error model of two schemes will be established based on the analysis of the laser parameters, the light pulse and the vibration. At last, an integrated distributed vibration sensing system will be established based on the error models, the parameter setting and data fusion scheme will be optimized, and the measurement of sub-Hz to KHz vibration will be achieved. This study will help to improve the detectable frequency region in real distributed vibration sensing applications.

相位检测型Φ-OTDR是一种高保真、高灵敏的分布式光纤振动传感技术，但由于受各类噪声以及解包裹过程中误差积累的影响，该技术对低频振动的检测误差较大，导致其应用受限。为解决该问题，本项目拟引入一种长时稳定性优异的高灵敏应力检测方案--波长扫描型COTDR，达成与前者的优势互补。为实现两种方案的有机融合，首先我们将利用统计方法与光频梳降低相位检测型Φ-OTDR误差，将其检测能力向低频区拓展，同时利用光频梳减少波长扫描型COTDR的扫描时间，将其检测能力向高频区拓展。其次，分析两者的检测误差与光源特性、探测脉冲参数以及振动信号幅频特性等关键影响因素的关系，得到误差模型。最后，利用已构建的误差模型完成新系统的参数设计，确定数据融合方案，获得兼容亚Hz至KHz频段的分布式光纤振动传感系统。本项目将扩展现有系统的可测量频率范围，提升分布式光纤振动传感系统的实用性，对该领域的发展产生积极的推动作用。

相位检测型Φ-OTDR技术是一种重要的光纤分布式振动传感技术，已广泛运用于管道监测、周界安全等领域。该技术使用窄线宽激光器与相位检测方法，可实现高保真、高灵敏振动检测。但由于相位解缠绕过程中存在的误差积累，该技术对低频振动信号的检测误差较大，导致其在实际应用中受到限制。.本项目执行过程中，首先建立了全频带分布式光纤振动测量系统的理论模型，可以对全频带分布式光纤振动测量全过程进行清晰的模拟分析。利用数值模拟方法研究了系统测振精度与光源特性、探测脉冲参数以及振动信号幅频特性之间的关系，分别建立其误差模型。其次，针对常用的数字解调式相位解算相位OTDR系统存在的数据量及系统计算压力大的缺点，发展了一种基于模拟IQ解调电路的新系统。与传统方案相比，该方法将系统采样速率从常见的数百兆赫兹降至十兆赫兹级别，同时省去了大量IQ解调计算，从而提升了系统处理速度，确保了系统在潜在应用场景中的实用性。另外，发现了另一种潜在的衰落噪声抑制方法。该方法基于近邻统计的原理，可大幅度降低相位测量法中长时间测量时引入的随机相位噪声问题，从而增强了该系统的低频振动监测能力。实验中该方法稳定地测量了低至0.2 Hz的振动信号，大幅提升了此类系统的低频性能。作为该项目的拓展内容，项目执行过程中还研究了OFDR的分布式光纤振动传感系统，利用该系统实现了具备超高空间分辨率的应变、振动或温度检测能力。同时，还利用OFDR精确测量反射/散射位置与能量的能力，实现了连续波激光测风雷达光路的优化，为此类系统的设计与装调提供了有效的监测与评估手段。