本文關(guān)鍵詞：光纖機械振動傳感器解調(diào)及信號處理研究

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【摘要】：光纖傳感器具有抗電磁干擾、抗腐蝕、抗輻射等優(yōu)點,受到了人們越來越高的重視與研究�；谒_格奈克(Sagnac)的干涉型光纖振動傳感器動態(tài)范圍大,靈敏度高,可進(jìn)行長距離實時監(jiān)測,應(yīng)用前景廣泛。本文研究了基于Sagnac干涉儀原理以及相位載波解調(diào)技術(shù)的光纖振動傳感系統(tǒng)。重點研究了通過本系統(tǒng)實現(xiàn)對外界機械振動等干擾信號的準(zhǔn)確解調(diào),并引入小波去噪和移動平均濾波技術(shù)對解調(diào)后信號進(jìn)行處理,提取振動信號特征,提高解調(diào)精度。本文在Sagnac干涉儀原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計了集數(shù)據(jù)采集、解調(diào)和信號處理于一體的光纖振動傳感系統(tǒng)。首先分析了外界振動信號對傳感光纖中光信號相位調(diào)制機理,給出光纖相位調(diào)制應(yīng)變公式,并分析了系統(tǒng)解調(diào)和定位原理,通過Matlab仿真證明了定位中的陷波點,以及延遲光纖的長度對外界振動引起的陷波點的影響。然后通過理論分析說明相位載波解調(diào)的可行性,并開發(fā)基于Labview軟件平臺的PGC解調(diào)程序,采用三角波、正弦波和矩形波作為三種不同的入侵振動信號進(jìn)行解調(diào)仿真,驗證了該解調(diào)方法的有效性。接下來研究了PIN光電探測器的放大電路,并利用Protues軟件設(shè)計并仿真了前置放大電路、二次放大電路和三階巴特沃斯高通濾波電路,并通過Altium Designer13實現(xiàn)了PCB(Printed Circuit Board)板設(shè)計,電路最終達(dá)到的頻譜寬度為500k Hz,放大倍數(shù)為125000倍。基于Labview編寫了系統(tǒng)中所用的數(shù)據(jù)采集和存儲程序。通過小波閾值去噪和移動平均濾波技術(shù)對解調(diào)信號頻譜進(jìn)行處理,并對去噪時閾值函數(shù)的選擇和閾值方式的確定進(jìn)行了理論分析,通過比較幾種不同閾值量化方式對系統(tǒng)輸出信號去噪效果的影響,得到最佳閾值去噪方法,同時比較了不同平滑數(shù)據(jù)方式下的移動平均濾波效果,得到合適的數(shù)據(jù)平滑移動平均方法。并利用這種相結(jié)合的方法對系統(tǒng)輸出信號進(jìn)行處理,在有效地去除大量噪聲的同時,較好地保留了外界振動信號的原始信息,在頻譜圖上得到清晰的“陷波點”,有利于通過頻陷波點的位置對外界振動信號實現(xiàn)定位。最后,利用ASE光源、光纖環(huán)形器、3×3耦合器、PZT相位調(diào)制器、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和PIN光電探測器等搭建了Sagnac光纖振動傳感實驗平臺,進(jìn)行對外界振動干擾信號的解調(diào)實驗。實驗過程中利用信號發(fā)生器產(chǎn)生高頻載波信號,并通過PZT加載到系統(tǒng)中。利用NI的USB6361采集卡采集PIN中輸出的帶有外界振動信息的干涉信號,并對該信號進(jìn)行解調(diào)、頻譜變換以及去噪處理,從而提高系統(tǒng)信噪比。此外,系統(tǒng)中通過使用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡消除了偏振態(tài)不穩(wěn)定的問題,對載波信號幅值和頻率的選取方面做了一定的理論分析,通過選擇適當(dāng)?shù)妮d波信號頻率和幅值可以使解調(diào)信號穩(wěn)定性大大提高。
【關(guān)鍵詞】：光纖傳感 Sagnac光纖干涉儀 相位載波解調(diào) 小波去噪 閾值方法
【學(xué)位授予單位】：上海工程技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH744.3;TP212
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 緒論13-23
• 1.1 引言13-14
• 1.2 課題研究背景和意義14
• 1.3 分布式光纖傳感技術(shù)概述14-16
• 1.3.1 分布式光纖傳感技術(shù)14-15
• 1.3.2 分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點15-16
• 1.4 基于OTDR的分布式光纖傳感技術(shù)16-18
• 1.4.1 基于瑞利散射的OTDR技術(shù)16
• 1.4.2 基于拉曼散射的ROTDR技術(shù)16-17
• 1.4.3 基于布里淵散射的BOTDR技術(shù)17-18
• 1.4.4 基于 φ-OTDR的分布式傳感技術(shù)18
• 1.5 基于干涉儀原理分布式光纖傳感技術(shù)18-21
• 1.5.1 光纖Mach-Zehnder干涉儀18-19
• 1.5.2 光纖Michelson干涉儀19-20
• 1.5.3 光纖Sagnac干涉儀20
• 1.5.4 基于Sagnac干涉儀原理的分布式光纖傳感研究現(xiàn)狀20-21
• 1.6 論文主要研究內(nèi)容21-23
• 第二章 Sagnac光纖振動傳感器技術(shù)23-34
• 2.1 Sagnac光纖振動傳感結(jié)構(gòu)23
• 2.2 系統(tǒng)原理23-33
• 2.2.1 光纖相位調(diào)制原理24-26
• 2.2.2 解調(diào)原理26-28
• 2.2.3 定位原理28-33
• 2.3 本章小結(jié)33-34
• 第三章 分布式光纖振動傳感器中PGC解調(diào)原理和仿真34-48
• 3.1 相位生成載波技術(shù)的應(yīng)用34-41
• 3.1.1 PGC調(diào)制原理34
• 3.1.2 PGC解調(diào)原理34-36
• 3.1.3 信號頻帶分析和采樣頻率選擇36-37
• 3.1.4 載波信號幅度和頻率的選擇37-39
• 3.1.5 混頻的頻差和相位差對解調(diào)的影響39-40
• 3.1.6 低通濾波器和高通濾波器參數(shù)40-41
• 3.2 PGC解調(diào)仿真實現(xiàn)41-47
• 3.2.1 Labview簡介41-42
• 3.2.2 基于Labview的PGC解調(diào)仿真實現(xiàn)42-47
• 3.3 本章小結(jié)47-48
• 第四章 分布式光纖振動傳感器實驗系統(tǒng)設(shè)計48-71
• 4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計48
• 4.2 系統(tǒng)中主要元器件選型48-52
• 4.2.1 光源49
• 4.2.2 光纖49-50
• 4.2.3 光環(huán)形器50
• 4.2.4 光耦合器50
• 4.2.5 光纖相位調(diào)制器50-51
• 4.2.6 法拉第旋轉(zhuǎn)鏡51-52
• 4.2.7 光電探測器52
• 4.3 光電轉(zhuǎn)換分析及其放大電路設(shè)計52-63
• 4.3.1 設(shè)計要求53
• 4.3.2 PIN光電二極管選擇53-54
• 4.3.3 PIN光電探測器工作模式54-55
• 4.3.4 放大電路設(shè)計55-61
• 4.3.5 放大電路性能參數(shù)測量61-63
• 4.4 系統(tǒng)軟件監(jiān)測平臺63-68
• 4.4.1 數(shù)據(jù)采集和采集卡原理63-64
• 4.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊64-65
• 4.4.3 數(shù)據(jù)存儲和讀取模塊65-68
• 4.5 實驗設(shè)計和結(jié)果分析68-70
• 4.6 本章小結(jié)70-71
• 第五章 分布式光纖振動傳感器中信號處理技術(shù)71-80
• 5.1 信號處理概述71-72
• 5.2 小波變換的基本理論72-73
• 5.2.1 連續(xù)小波變換原理72-73
• 5.2.2 離散小波變換原理73
• 5.3 小波去噪分析73-77
• 5.3.1 小波去噪基本原理73
• 5.3.2 小波去噪基本模型和步驟73-74
• 5.3.3 小波基函數(shù)和閾值方法選擇74-75
• 5.3.4 小波去噪的實現(xiàn)以及閾值選擇分析75-77
• 5.4 移動平均值濾波方法77-78
• 5.5 兩者相結(jié)合信號處理技術(shù)78-79
• 5.6 本章小結(jié)79-80
• 第六 章總結(jié)與展望80-82
• 參考文獻(xiàn)82-86
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 及取得的相關(guān)科研成果86-87
• 致謝87-88

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：533089