留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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

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
    下载: 导出CSV
  • [1] ZHOU D W, DONG Y K, WANG B ZH, et al. Single-shot BOTDA based on an optical chirp chain probe wave for distributed ultrafast measurement[J]. Light:Science &Applications, 2018, 7: 32.
    [2] QU SH, QIN Z G, XU Y P, et al. Distributed sparse signal sensing based on compressive sensing OFDR[J]. Optics Letters, 2020, 12(45): 3288-3291.
    [3] WANG B ZH, FAN B H, ZHOU D W, et al. High-performance optical chirp chain BOTDA by using a pattern recognition algorithm and the differential pulse-width pair technique[J]. Photonics Research, 2019, 7(6): 652-658. doi: 10.1364/PRJ.7.000652
    [4] 高旭, 李舒航, 马庆林, 等. 光栅精密位移测量技术发展综述[J]. 中国光学,2019,12(4):741-752. doi: 10.3788/co.20191204.0741

    GAO X, LI SH H, MA Q L, et al. Development of grating-based precise displacement measurement technology[J]. Chinese Optics, 2019, 12(4): 741-752. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20191204.0741
    [5] 吴妮珊, 夏历. 基于微波光子学的准分布式光纤传感解调技术[J]. 中国光学,2021,14(2):245-263. doi: 10.37188/CO.2020-0121

    WU N SH, XIA L. Interrogation technology for quasi-distributed optical fiber sensing systems based on microwave photonics[J]. Chinese Optics, 2021, 14(2): 245-263. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2020-0121
    [6] 徐国权, 熊代余. 光纤光栅传感技术在工程中的应用[J]. 中国光学,2013,6(3):306-317.

    XU G Q, XIONG D Y. Applications of fiber Bragg grating sensing technology in engineering[J]. Chinese Optics, 2013, 6(3): 306-317. (in Chinese)
    [7] CHEN Q N, LIU T G, LIU K, et al. An improved positioning algorithm with high precision for dual Mach–Zehnder interferometry disturbance sensing system[J]. Journal of Lightwave Technology, 2015, 33(10): 1954-1960. doi: 10.1109/JLT.2015.2394494
    [8] 陈伟民, 吴俊, 谭靖, 等. 双马赫-曾德尔分布式光纤传感系统定位技术[J]. 光学学报,2007,27(12):2128-2132. doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.2007.12.005

    CHEN W M, WU J, TAN J, et al. Locating technology for twin Mach-Zehnder distributed optical fiber sensing system[J]. Acta Optica Sinica, 2007, 27(12): 2128-2132. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.2007.12.005
    [9] LIU K, MA P F, AN J CH, et al. Endpoint detection of distributed fiber sensing systems based on STFT algorithm[J]. Optics &Laser Technology, 2019, 114: 122-126.
    [10] 刘琨, 何畅, 刘铁根, 等. 一种用于光纤周界安防系统的端点检测方法[J]. 光电子·激光,2014,25(11):2136-2140.

    LIU K, HE CH, LIU T G, et al. An endpoint detection method for fiber perimeter security system[J]. Journal of Optoelectronics · Laser, 2014, 25(11): 2136-2140. (in Chinese)
    [11] 吴红艳, 贾波, 卞庞. 光纤周界安防系统端点检测技术的研究[J]. 仪器仪表学报,2013,34(4):743-748. doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2013.04.004

    WU H Y, JIA B, BIAN P. Study on endpoint detection technology based on fiber perimeter security system[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2013, 34(4): 743-748. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2013.04.004
    [12] MA CH Y, LIU T G, LIU K, et al. A continuous wavelet transform based time delay estimation method for long range fiber interferometric vibration sensor[J]. Journal of Lightwave Technology, 2016, 34(16): 3785-3789. doi: 10.1109/JLT.2016.2583938
    [13] 谢尚然, 邹琪琳, 屠亦军, 等. 长距离双M-Z干涉型振动传感器实时定位算法研究[J]. 光电子·激光,2009,20(8):1020-1024. doi: 10.3321/j.issn:1005-0086.2009.08.009

    XIE SH R, ZOU Q L, TU Y J, et al. A study on real-time location method for long distance dual M-Z interferometric vibration sensor[J]. Journal of Optoelectronics · Laser, 2009, 20(8): 1020-1024. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1005-0086.2009.08.009
    [14] YAN R Q, GAO R X. Hilbert-Huang transform-based vibration signal analysis for machine health monitoring[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2006, 55(6): 2320-2329. doi: 10.1109/TIM.2006.887042
    [15] 赵亮, 刘海, 徐世昌, 等. HHT和CWT用于光纤振动信号分析的对比研究[J]. 激光技术,2017,41(2):260-264. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.02.023

    ZHAO L, LIU H, XU SH CH, et al. Comparison study of optical fiber vibration signals using HHT and CWT[J]. Laser Technology, 2017, 41(2): 260-264. (in Chinese) doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.02.023
    [16] 宋宇, 游海龙, 翁新武, 等. 基于希尔伯特-黄变换的信号处理方法[J]. 长春工业大学学报,2015,36(4):374-378.

    SONG Y, YOU H L, WENG X W, et al. Research on dignal processing method based on Hilbert-Huang transform[J]. Journal of Changchun University of Technology, 2015, 36(4): 374-378. (in Chinese)
    [17] 贺龙周, 孙捷. 基于分布式传感光纤的模式识别及定位技术[J]. 计算机系统应用,2019,28(6):95-99.

    HE L ZH, SUN J. Pattern recognition and position technology based on distributed sensing fiber[J]. Computer Systems & Applications, 2019, 28(6): 95-99. (in Chinese)
    [18] 苏鹏, 陈彦江, 闫维明. 基于HHT方法的桥梁振动时频分析[J]. 工程抗震与加固改造,2019,41(4):160-166.

    SU P, CHEN Y J, YAN W M. Time-frequency analysis of bridge vibration based on HHT method[J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting, 2019, 41(4): 160-166. (in Chinese)
  • 加载中
图(5) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  1350
  • HTML全文浏览量:  541
  • PDF下载量:  122
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回