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目录
第一章 绪论 1
1.1 背景及意义 1
1.2 分布式光纤传感技术研究现状 2
1.3 本文主要工作和结构安排 5
第二章 分布式光纤振动探测理论基础 7
2.1 光纤中光的散射 7
2.1.1 瑞利散射 8
2.2 光时域反射技术(OTDR)原理 8
2.3 Φ-OTDR技术的基本原理 11
2.4 COTDR分布式传感系统 14
2.5 本章小结 16
第三章 实验系统设计 17
3.1 COTDR分布式传感系统搭建 17
3.2 实验系统主要元器件及参数 17
3.2.1 窄线宽激光器 18
3.2.2 声光调制器 19
3.2.3 光纤放大器 20
3.2.4 光电平衡探测器 22
3.2.5 数据采集卡 23
3.2.6 单模测振光纤 25
3.3 COTDR实验平台 27
3.4 COTDR测振系统的性能指标 28
3.4.1 空间分辨率 28
3.4.2 频率响应范围 29
3.4.3 传感距离 30
3.5 本章小结 30
第四章 数据的采集及处理 31
4.1 数据的采集 31
4.2 信号的调制解调 32
4.2.1 正交解调基本原理 32
4.2.2 相位解卷绕方法 35
4.3 信号的滤波算法 39
4.3.1 直接累加平均法 39
4.3.2 移动平均法 40
4.3.3 小波阈值去噪算法 42
4.3.4 VMD小波阈值去噪算法 47
4.3.5 导向滤波算法 49
4.4 实验验证 50
4.5 本章小结 56
第五章 侵入事件智能识别研究 57
5.1 训练数据集制作 57
5.1.1 时域特征提取 57
5.1.2 频域特征提取 58
5.1.3 时频域特征提取 60
5.1.4 特征筛选 61
5.2 LightGBM算法 64
5.3 bp神经网络 65
5.4 基于BP+LightGBM的扰动识别 69
5.5 本章小结 69
第六章 识别算法验证与监测软件设计 70
6.1 评价指标 70
6.2 扰动实验验证 71
6.3 在线监测软件设计 76
第七章 总结与展望 78
7.1 总结 78
7.2 展望 78
致 谢 80
参考文献 81
第三章 实验系统设计
本章将详细介绍COTDR（Coherent Optical Time Domain Reflectometry）分布式传感系统的搭建过程以及各个组成部分的性能参数。第二章已经了解了光纤中光的散射原理以及光时域反射技术（OTDR）的基本原理，本章将从实验角度出发，展示如何将理论转化为实际可操作的系统。首先描述COTDR分布式传感系统的整体架构，然后详细介绍实验系统中所使用的各个关键元器件。最后，将分析COTDR测振系统的性能指标，如空间分辨率、频率响应范围和传感距离等。
3.1 COTDR分布式传感系统搭建
整个试验平台主要由数采部分和光纤感知部分组成，数据采集系统结构采用以COTDR技术为核心，光纤感知部分主要以围栏为载体。实验整体框图如图3-1所示。

图3-1 实验系统整体框图
为了更准确的监测围栏各部分的入侵情况，测量光纤在围栏上采用S型绕线方式。接下来将对系统的组成元件进行介绍。
3.2 实验系统主要元器件及参数
本次实验系统采用分布式光纤声波传感系统（DAS），分布式光纤传感系统主要分为DAS和DVS，DAS可以区分振动信号的强弱，并能够还原前端光缆附件的声音，DVS则不能还原声音。DAS采用相干探测型，DVS有直接探测和相干探测，实际应用中，DAS比DVS更灵敏，能够对微弱的振动信号产生响应。从DVS使用振幅信息进行解调，DAS使用相位和振幅信息进行解调。
3.2.1 窄线宽激光器
激光器在光纤传感系统中占据核心地位，COTDR技术采用窄线宽激光器，这种激光器发出的激光具有高度相干性，并且频率漂移几乎可以忽略不计，确保了信号的稳定输出。激光器选择大功率的方案，但需注意光纤放大器引入的自发辐射噪声和布里渊现象，可能影响信噪比和系统性能 。激光器的线宽应在3kHz以下，且具有较长相干长度。