基于光频域反射和互相关算法的分布式振动传感系统

刘 晓，车 前，李信宇，文泓桥

1.武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070

2.武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉430070

3.武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，湖北武汉430070

当前，光纤传感技术已广泛运用于周界入侵探测、结构健康监控等领域[1-5]，其中振动测量是周界入侵和结构健康监控的重要项目.采用相干外差检测技术的光频域反射（optical frequency domain reflectometry, OFDR）振动传感系统以其高空间分辨率、高信噪比、高灵敏度的优势引起了众多研究学者的兴趣[6].

在基于OFDR 瑞利散射信号实现振动传感测量的研究中，文献[7-8]提出了正弦扫频光频域反射技术（sinusoidal frequency scan OFDR, SFS-OFDR），打破了激光器线性度的限制，不需要额外的辅助干涉仪补偿相位噪声，但是该系统只能实现振动的定位，无法实现振动频率的测量；文献[9]通过连续测量瑞利散射光谱频移量实现了振动信号的分布式测量，系统空间分辨率达10 cm，但测试长度只有17 m，测量频率范围仅为0∼32 Hz；文献[10]搭建了测量距离为12 km、空间分辨率为5 m、扰动频率达2 kHz 的振动传感系统，该系统使用移动窗对光纤进行分段，利用互相关算法分析瑞利散射信号，从而实现振动信号的分布式测量，但系统的定位精度和准确度相互制约.

本文基于OFDR 系统提出了采用重叠移动窗的互相关算法来实现振动信号的分布式测量，并通过实验对比确定了合适的SCOT/PHAT 加权互相关算法.实验表明，本方案在改善OFDR 系统定位精度的同时提高了互相关图形的信噪比，减少了虚警率，从而提高了系统的准确度，并且系统可测频率范围广.