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基于希尔伯特-黄变换的双马赫-曾德分布式光纤传感振动定位方法

杨文晨 秦增光 刘兆军 徐演平 李钊 渠帅 丛振华 王泽群

杨文晨, 秦增光, 刘兆军, 徐演平, 李钊, 渠帅, 丛振华, 王泽群. 基于希尔伯特-黄变换的双马赫-曾德分布式光纤传感振动定位方法[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(6): 1410-1416. doi: 10.37188/CO.2021-0065
引用本文: 杨文晨, 秦增光, 刘兆军, 徐演平, 李钊, 渠帅, 丛振华, 王泽群. 基于希尔伯特-黄变换的双马赫-曾德分布式光纤传感振动定位方法[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(6): 1410-1416. doi: 10.37188/CO.2021-0065
YANG Wen-chen, QIN Zeng-guang, LIU Zhao-jun, XU Yan-ping, LI Zhao, QU Shuai, CONG Zhen-hua, WANG Ze-qun. A Hilbert-Huang transform method for vibration localization based on a dual Mach-Zehnder distributed optical fiber sensor[J]. Chinese Optics, 2021, 14(6): 1410-1416. doi: 10.37188/CO.2021-0065
Citation: YANG Wen-chen, QIN Zeng-guang, LIU Zhao-jun, XU Yan-ping, LI Zhao, QU Shuai, CONG Zhen-hua, WANG Ze-qun. A Hilbert-Huang transform method for vibration localization based on a dual Mach-Zehnder distributed optical fiber sensor[J]. Chinese Optics, 2021, 14(6): 1410-1416. doi: 10.37188/CO.2021-0065

基于希尔伯特-黄变换的双马赫-曾德分布式光纤传感振动定位方法

doi: 10.37188/CO.2021-0065
基金项目: 山东省自然科学基金(No. ZR2020MF110,No. ZR2020MF118)
详细信息
    作者简介:

    杨文晨(1997—),男,山东泰安人,山东大学信息科学与工程学院光学工程专业硕士研究生,主要从事分布式光纤传感技术研究。E-mail:201932512@mail.sdu.edu.cn

    秦增光(1984—),男,山东烟台人,副教授,硕士生导师,2013年于渥太华大学获得博士学位,主要从事分布式光纤传感技术的研究,特别是光时域反射仪技术和光频域反射仪技术。E-mail: qinzengguang@sdu.edu.cn

  • 中图分类号: TP212.1

A Hilbert-Huang transform method for vibration localization based on a dual Mach-Zehnder distributed optical fiber sensor

Funds: Supported by Natural Science Foundation of Shandong Province (No. ZR2020MF110, No. ZR2020MF118)
More Information
  • 摘要: 双马赫-曾德(M-Z)干涉仪系统因其光路简单、灵敏度高、频率响应宽等独特优势受到了广泛的关注及应用,但由于其非常容易受到外界环境噪声的影响,直接采取互相关计算方法获取扰动信号位置会导致较大的测量误差。本文提出了一种基于希尔伯特-黄变换(HHT)的数据信号处理方案用于实现高精度的分布式光纤振动定位检测。通过对接收到的两路光信号进行经验模态分解得到本征模函数,并对所有本征模函数进行希尔伯特变换叠加得到希尔伯特谱,从而可以清晰直观地提取到由振动信号引起的高相似度光信号信息,再通过互相关计算由振动信号引起的时间延迟,从而准确计算振动位置信息。相比于传统的直接互相关计算方法,本方法可以有效识别及提取双M-Z干涉仪系统中振动信号引起的特征信息,从而可以有效降低外界环境噪声对系统的影响,减小定位误差。本文对所提出的方法进行了相关理论分析,并搭建了双M-Z干涉仪系统进行相关实验验证。实验结果表明,与传统直接互相关方法相比,本方法可以有效减少互相关数据的计算量,同时该方法可以有效提高振动位置的定位精度,在2 km的传感光纤长度、10 MHz采样率下,定位精度可达10 m。本文提出的基于双马赫-曾德干涉仪系统的分布式光纤传感技术具有较高的实际应用价值。

     

  • 图 1  双M-Z分布式光纤传感系统原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of dual M-Z distributed optical fiber sensor

    图 2  干涉信号时域图

    Figure 2.  Time domain diagram of interference signal

    图 3  定位计算方法流程图

    Figure 3.  Flow chart of positioning calculation method

    图 4  干涉信号EMD分解图

    Figure 4.  EMD decomposition diagram of interference signal

    图 5  干涉信号的希尔伯特谱图

    Figure 5.  Hilbert spectrum of interference signal

    表  1  不同区域信号定位误差对比

    Table  1.   Comparison of signal positioning errors in different regions

    Regional signal /sLocation error/m
    0.05~0.06−60
    0.06~0.07 40
    0.07~0.08 20
    0.08~0.09 10
    0.09~0.10−30
    0~0.10 30
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-25
  • 修回日期:  2021-04-27
  • 网络出版日期:  2021-06-02
  • 刊出日期:  2021-11-19

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