Novel signal processing techniques for fiber optic distributed acoustic sensing

Abstract

Bu tez çalışmasında, fiber optik dağıtık akustik sensör (DAS) sistemlerindeki gürültünün etkilerini azaltmak için iki yeni yaklaşım önerilmiş; önerilen yöntemlerin de geçerliliğini kanıtlamak için gerçek bir faz-duyarlı OTDR sistemi geliştirilmiştir. Birinci yaklaşım, faz-OTDR işaretlerinin zamansal uyarlamalı işlenmesine dayanmaktadır. Bu yöntem uyarlamalı doğrusal bir süzgeç çıkışındaki işaret-gürültü oranının en iyileştirilmesini temel alır ve ilgili titreşim frekansı önceden bilindiğinde uyarlamalı uyumlu süzgeç (AMF) olarak anılır. Tezde sunulan ikinci yaklaşım ise titreşim frekanslarının önceden bilinmesini gerektirmez ve özilinti matrisinin en büyük özdeğerinin hesaplanmasına dayalıdır. Her iki yöntem de ölçümlerin özilişki özelliklerinden yararlanmaktadır. Birincisinde, gürültünün en uygun şekilde ve doğrusal olarak süzülmesi için gereken uyarlamalı bir ağırlık vektörünün hesaplanması için gürültü ilinti matrisi kestirilir. İkincisinde, ilinti matrisinin özdeğerleri hesaplanır ve en büyük özdeğer fiber güzergâhı üzerindeki titreşimlerin algılanması için test istatistiği olarak kullanılır. En büyük özdeğer algılama (MED) yöntemi olarak bilinen bu yöntem, ikili sezim eşiğinin tespiti amacı ile rastlantı matrisi kuramı ile desteklenmektedir.İlk olarak önerilen yöntemlerin etkinliği Monte Carlo benzetimleri ile gösterilmiştir. İkinci aşamada, gerçek veri toplamak, AMF ve MED yöntemlerinin laboratuvar testleri ile kullanılabilirliğini doğrulamak amacı ile gerçek bir faz-OTDR sistemi geliştirilmiştir. Son olarak, önerilen yöntemlerin gerçek koşullarda geçerliliğini test etmek amacı ile, hem zemin altında gömülü hem de çit üzerindeki fiber optik kablolar kullanılarak kapsamlı saha testleri gerçekleştirilmiştir. Test sonuçları, herhangi bir optik kuvvetlendirici donanımı kullanmadan ve sistemin frekans yanıtını bozmadan, 20 dB'den yüksek SNR değerleri elde edilebildiğini göstermektedir.

In this thesis, to reduce the effect of noise in phase-sensitive optical time domainbased (φ-OTDR) distributed acoustic sensing (DAS) systems, two novel approachesare proposed and a real experimental φ-OTDR system is developed for validation.The first approach is the temporal adaptive processing of φ-OTDR signals which isbased on maximizing the signal-to-noise ratio (SNR) at the output of an adaptivelinear filter. When the vibration frequency of interest is known a priori, it is calledthe adaptive matched filter (AMF). The second approach is based on the largesteigenvalue computation of the optical covariance matrix which does not require anyprior information about the vibration frequencies. Both methods utilize the correlationproperties of the measured data. In the first method, the noise covariance matrixis estimated to compute an adaptive weight vector for optimum linear filtering. Inthe second method, the eigenvalues of the covariance matrix are computed and themaximum eigenvalue is used as the test statistic for detecting the vibrations alongthe fiber optic cable route. This so called maximum eigenvalue detection (MED)technique is assisted by the random matrix theory (RMT) to establish the binarydetection threshold.First, the efficacy of the proposed methods was demonstrated with Monte Carlosimulations. In the second phase, a φ-OTDR system was developed in the laboratory togather real data and to verify the AMF and MED techniques with indoor experiments.In the last phase, extensive field tests, with both buried fibers and fibers on fences, werecarried out to validate the proposed techniques in real-world conditions. The resultsshow that more than 20 dB of SNR values can be achieved without any reduction inthe system bandwidth and using any optical amplifier stage in the hardware.