HiFi – DAS hifi-das

HiFi-DAS 的 介 绍

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· HiFi-DAS系统基于相干瑞利散射原理，利用光纤对声音（振动）敏感的特性，当外界振动作用于传感光纤时，由于弹光效应，光纤的折射率、长度将产生微小变化，导致光纤内传输信号的相位变化，从而使得光强发生变化。当管道发生泄漏（振动）导致相位发生变化时会使得该点的信号强度发生变化，通过检测振动前后信号的强度变化（差分信号），即可实现振动事件的探测。

· 本项目采用的DAS系统，是在由上海交通大学光纤传感研究团队提出的TGD-OFDR型光反射仪技术基础上，利用创新技术攻克空间分辨率、相干衰落噪声等问题，所实现的一种高性能DAS系统。

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| 显著特点之一是：整个传感光纤长度内都具有低噪声、高保真度的特性，因而被命名为High-Fidelity DAS (HiFi-DAS 高精度分布式光纤声音传感)。

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· 该系统的原理框图如上图所示。系统由激光器、光调制器、光放大器、相干接收以及数据采集和处理等部分构成。激光器产生的光经过调制，变成宽带扫频的光脉冲信号进入传感光纤，并以相干检测方式探测该光脉冲的背向瑞利散射光信号，经过数据处理，得到振动的位置和波形信息。

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HiFi-DAS 的 系 统 指 标

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HiFi-DAS 的 四 项 指 标 的 全 面 提 升

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1）基于Φ-OTDR 的分布式光纤声音传感系统存在的问题:

· Φ-OTDR 的空间分辨率由探测光脉冲的脉宽决定，脉宽越短则空间分辨率越高，反之亦然。但是在探测光脉冲的峰值功率受限的情况下，脉宽越短则平均功率越小，这又会影响其他三个指标，原因是Φ-OTDR 中通过解调瑞利背向散射信号(Rayleigh Backscattering，RBS)的相位来获取外界的振动信号的，因此相位项的信噪比直接决定了应变灵敏度和传感距离。而相位项是从RBS 的强度项计算得到，相位的检测精度由强度项信噪比决定。RBS 强度项信噪比又是由探测光脉冲的能量决定。因此在Φ-OTDR 中，提高空间分辨率的同时，就一定会降低应变灵敏度和传感距离。

· 根据奈奎斯特采样定理，响应带宽由探测光脉冲的有效发射频率决定。因为Φ-OTDR 的 RBS 强度项信噪比很差，需要通过多次发射探测光脉冲再求平均的方法来提高信噪比，这样就会成倍地降低有效发射频率，进而降低系统的响应带宽。所以Φ-OTDR 的空间分辨率和响应带宽也是矛盾的。

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2）基于TGD-OFDR的分布式光纤声音传感系统的技术提升:

· TGD-OFDR的探测光脉冲是宽带扫频光脉冲，即光脉冲的光频率随时间线性变化的，在提取RBS相位项之前，首先用匹配滤波算法对RBS信号压缩成一个单频脉冲信号，且该单频脉冲信号的脉宽取决于扫频信号的扫频范围。所以TGD-OFDR的空间分辨率和探测光脉冲的脉宽无关，通过发射扫频范围大、持续时间长的探测光脉冲，就可以同时获得高的空间分辨率、应变灵敏度、响应带宽以及长的传感距离，四项重要指标得到全面提升。

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消 除 测 量 “死区”，提 高 系 统 可 靠 性

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·  “死区”—因为光的干涉效应和偏振效应，传感光纤上某些区域的RBS信号的强度信噪比会非常差，从而严重影响到这些区域的应变灵敏度，甚至失去了传感能力，这些区域被称为“死区”。我们提出的脉冲频分法和相位旋转平均法，再结合偏振分集接收器，有效解决了由光的干涉效应和偏振效应导致的传感“死区”问题，使传感光纤任意位置均能够实现高灵敏度、低噪声的振动与声波的检测。

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