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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. 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. 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 dual Mach-Zehnder distributed optical fiber sensor[J]. Chinese Optics. 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 dual Mach-Zehnder distributed optical fiber sensor[J]. Chinese Optics. 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: 教育部联合基金(No. 6141A02022430);山东省自然科学基金(No. ZR2019MF039)
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,2013年获得渥太华大学博士学位,山东大学副教授,硕士生导师,主要从事分布式光纤传感技术研究,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: 212.1

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

Funds: Supported by joint Fund of the Ministry of Education (No. 6141A02022430); Shandong Provincial Natural Science Foundation (No. ZR2019MF039)
More Information
  • 摘要: 双马赫-曾德干涉仪系统以其光路简单、灵敏度高、频率响应宽等独特的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。本论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。本方法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,从而可以清晰直观的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,从而准确的计算振动位置信息。相比于传统的直接互相关计算,本方法可以有效的识别及提取双马赫-曾德干涉仪(M-Z)系统中振动信号引起的特征信息,从而可以有效的降低外界环境噪声对系统的影响,减小定位误差。本论文对所提出的方法进行了相关理论分析,并搭建了双M-Z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,本方法可以有效的减少互相关数据的计算量,同时该方法可以有效的提高对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。因此,本论文所提出对基于双马赫-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分布式光纤传感原理图

    Figure  1.  Schematic diagram of dual M-Z distributed sensing 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?0.0740
    0.07?0.0820
    0.08?0.0910
    0.09?0.10?30
    0?0.1030
    下载: 导出CSV
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