时频分析在mz干涉与φotdr分布式光纤传感中的应用研究信号与信息处理专业论文.docxVIP

西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1．本文将魏格纳威利分布和平滑伪魏格纳威利分布结合(WVD．SPwVD)的时频分 析方法引入到分布式光纤传感系统中，并分别通过仿真和实验验证了WVD．SPWVD在 处理非平稳瞬态信号的可行性。以及通过与WVD．STFT、SPwVD和EMD等时频分析 方法的对比， WVD．sPWVD的实验结果在振动频率分辨率以及频率精度方面的综合 性能最优；对扫频范围为5kHz~7kHz的信号进行时频分析时，在保证测量频率的准确 前提下，其频率分辨率可以达到12Hz。 2．以MZ和①．OTDR结合的分布式光纤传感系统实现了对多点振动的监测以及频 率响应范围的拓宽，通过、^ⅣD．SPWVD实现对非稳定信号的分析，在4kH撕kHz的 扫频信号上，得到27Hz的振动频率分辨率，并采用平均的方法实现位置信息信噪比的 提升，在～3km的光纤上实现了~7dB的位置信息信噪比。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：傀I司艺 日期：沙，；．r．{o 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页 摘要 光纤分布式传感是以光纤作为传感媒介，可以远程、实时和精确地对光纤沿线周 围外界环境进行监测。目前，分布式光纤传感技术主要包括以下三个方面：(a)基于 干涉技术；(b)基于散射技术；(c)基于光纤光栅技术，它们各有优点。基于MZ干 涉与相位敏感光时域反射技术(①．OTDR)结合的分布式光纤传感系统，结合了两种传感 技术的优点，可实现高的空间分辨率和宽频率响应范围。本文依次对信号检测技术、 魏格纳威利分布和短时傅里叶变换进行了理论分析，并分别进行了仿真验证和实验验 证。同时对MZ干涉技术与①．OTDR技术结合的分布式光纤传感系统进行了深入的研 究。 首先，分别简述了Mz干涉技术和①．OTDR技术的相关原理。根据光纤后向散射 机制，本文以后向瑞利散射机制为基础，建立了①．OTDR系统模型，并简述了其工作 原理和传感特点；然后介绍了MZ干涉技术传感原理以及它的技术特点；根据这两种 技术的光路特点，讨论两种技术结合传感的可行性。 其次，根据①．OTDR技术对于外界环境变化敏感的特点，后向瑞利散射光的时域 曲线所对应的外界振动位置的强度会剧烈变化，而其它点位置处的后向瑞利散射光的 时域曲线的强度变化很平稳。考虑到这一特点，通过对各周期的瑞利散射时域曲线进 行平均和差分的方法来获得振动位置。实验中，在～3km的传感光纤上实现了～7dB位 置信息的信噪比，并且在对4kH撕kHz扫频信号时频分析中得到27Hz的振动频率分 辨率。 本文采用wVD．SPwvD联合时频分析方法对非平稳信号进行处理，保证了WVD 频率分辨率，同时弥补了快速傅里叶变换在非平稳信号处理的不足。实验中，使用扫 频信号驱动压电陶瓷(PZT)来模拟外界环境非平稳振动，扫频范围为4kHz~6kHz， 所得实验结果和扫频信息相吻合，因此WVD．SPWVD联合算法能被应用到MZ干涉与 ①．OTDR技术结合的分布式光纤传感系统中，进行低频非稳定振动的时频分析，而对 于高频振动信号17kHZ~19kHz，wVD．SPWVD所得到的结果频率分辨率方面同样表现 优秀，继续研究这些时频分析的结果可知在信噪比方面SPwVD和STFT表现最优。 综上所述，通过各时频分析方法的结果对比，wVD．SPWVD虽然以牺牲了部分处 理时间，但频率分辨率上得到了很大的提高。 关键词：分布式光纤传感；魏格纳威利分布；平滑伪魏格纳威利分布；干涉技术；时 频分析；相位敏感光时域反射技术 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1I页 Abstract Optical fiber is used aLs the sensing medi啪in distributed fiber sensors，which can simul切neously a11d remotely detect the enviromnent paur锄eters along the fiber lim(with 11igh accuracy．Cullrently，the distributed肋er sensing technology call be classifie