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标题: 光纤传感器振动系统信号解调技术研究 [打印本页]
作者: vguangxian01    时间: 2021-1-1 15:09
标题: 光纤传感器振动系统信号解调技术研究
                                        【学习笔记】《光纤传感器振动系统信号解调技术研究--华北电力--控制工程--张**》重点笔记            
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                                                        一、绪论 1.2 光纤传感及解调技术概述 1.2.1 光纤传感技术研究现状 光纤传感器的特点
分布式传感器的主要方法：反射法和干涉法；   

几种典型的定位技术
1.2.2 相位解调技术研究现状 光纤传感器的分类：强度检测型、相位检测型、波长检测型；
背景噪声和信号偏振衰落也是制约信号解调精度的重要方面。
一个关键问题：
1.3 研究目的和主要内容 通过对光纤传感干涉仪的结构分析及其去噪、解调算法的研宄，实现了光纤系统对振动信号的精确解调。
二、干涉型光纤传感结构的选择 分布式光纤干涉仪是目前应用最广泛的光纤传感结构。
2.1 Michelson干涉型光纤传感器 结构：
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2.2 Sagnac干涉型光纤传感器 (, 下载次数: 300) (, 下载次数: 140)
2.3 Mach-Zehnder干涉型光纤传感器（重点） 其核心是两个稱合器。
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仅仅一个Mach-Zehnder干涉结构是不能利用相关运算来求取两路信号时间差值的，所以也就无法实现振动信号的定位。但是通过构建双Mach-Zehnder能够弥补这一缺陷：
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双Mach-Zehnder干涉结构在远距离测量时，灵敏度高，光纤信号衰减较少。
三、Mach-Zehnder光纤传感系统特性研究 3.1 系统噪声特性分析 3.1.1 光源噪声的分析及抑制 1、光源的选择：
2、光源线宽的选择：
3、激光器的选择：
3.1.2 电路噪声分析及抑制 电路噪声的来源：
光电探测器的噪声能够分为热噪声、散粒噪声两类：
两类噪声服从高斯分布：
3.2 系统光路稳定性研究 单模光纤维持偏振态存在问题：
3.2.1 单模光纤的偏振特性 单模光纤的双折射效应：
偏振光的不同状态：
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综上阐述，双折射特性导致激光偏振态改变，并且难以预测，因此有必要采用合适的方法分析单模光纤偏振对整个光纤传感系统的影响。
3.2.2 系统光传输的简化模型 本文采用琼斯矩阵法来分析系统的偏振情况。出于模型简化的需要，本文假设光纤为无双折射的理想均匀光纤，从而将分布在光纤全长上的双折射效应等效为双折射元件Ｂ。由于马赫增德尔２条干涉光纤长度相等，它们相当于双折射元件B1和B2表示。那么该系统的偏振光路能够表示成如图3-6所示。
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(, 下载次数: 141) 3.3.3 系统偏振衰落的分析和仿真 四、光纤干涉仪相位解调技术研究 信号解调技术的必要性：干涉仪输出的光强信号与外部振动信号引起的相位差是非线性的关系。所以不能够直接由探测器的探测信号获取振动信号的相位变化，而是需要采用信号解调技术还原出扰动信号的相位信息，从而获取引起相位变化的振动信号。
几种相位解调算法：
4.1 外差解调法 4.2 零差解调技术 分类：主动零差法和被动零差法。
4.2.1 相位生成载波法 4.2.1.1 微分交叉相乘算法
微分交叉相乘算法是最为广泛使用的相位生成载波解调方法。其结构原理图如图４－１所示。首先干涉信号在传感器一臂被加载载波进行调制后，其次分别和调制载波的基频、二倍频进行混频，之后执行低通滤波、微分交叉相乘，然后积分、高通滤波，最终完成信号解调。
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4.2.1.2 反正切解调算法
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4.2.2 3ｘ3光纤耦合器解调 (, 下载次数: 140)
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从上述原理中能够看到，３ｘ３耦合器解调要求外界振动信号达到干涉仪满幅才可进行直流补偿和数据归一化处理。因此该方法对微弱信号不能精确解调，从而可能引发对扰动信息的误判。此外，３ｘ３耦合器很难绝对对称，也就是说首先就要准确地计算系统初始相位，增加了算法的复杂性。
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4.3 基于椭圆拟合的３ｘ３耦合器解调 提出了基于椭圆拟合的３ｘ３耦合器解调算法，分析证明了该方法的实现途径，相比于ＰＧＣ解调，不需要压电陶瓷调制载波和滤波器，降低丫成本；克服了传统３Ｘ３耦合器的解调方案中耦合器分光比不一致导致解调信号失真的缺点；针对偏振衰落对椭圆拟合结果进行了仿真，指出椭圆拟合的关键是如何准确获取椭圆的外部轮廓。
五、光纤传感干涉仪信号处理方法 5.1 小波去噪 略（老生常谈）
5.2 形态学去噪 1、优点：
2、大致步骤：
5.2.1 形态学基本原理 1、定义：使用形态结构元素处理图像的数学工具被称为数学形态学，即为了达到图像分析和图像识别的目的，采用具有特定形状和尺寸的结构元素去比较测量和提取图像中的对应形状。
2、两种基本运算：它通常有膨胀、腐蚀两个基本运算组成，根据它们的运用顺序不同又组成了开启和闭合两个不同运算。开运算为先腐蚀，后膨胀。闭运算为先膨胀，后腐蚀。开启和闭合通常使用同一个结构元素，这两者在二值图像处理中拥有不同的优势。选择正确的运算和结构元素对于特定的图像处理目的至关重要。
3、基本概念：
5.2.2 传统数学形态学的偏振处理 (, 下载次数: 142)
5.2.3 基于形态学滤波的偏振信号处理
(, 下载次数: 132) 5.3 基于形态学滤波的偏振信号处理 (, 下载次数: 143)
5.3.1 直方图去噪 降采样后的数据处理：由于Lissajous图形是二维图形，而对准确解调有效的数据主要分布在椭圆外部轮廓上。通过将降采样多次设置为１００倍，即采样点数为４０００，得到如图５－１０所示的Lissajous图形，能够看到椭圆内部的点出现频率较低，呈现不连续分布，又因为Lissajous图像是二维图像，所以我们能够把二维图像进行二维栅格化，然后设置统计直方图中像素点的出现频次的阈值，去除数据中出现频次低的像素点，当某像素点出现频次大于３次时，我们认为该像素点为椭圆边缘上的点，得到新的x1、y1，否则，我们认为该像素点为噪声点，并进行去除，从而完成对信号进行初步去噪。
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5.3.2 邻域阈值法去噪 (, 下载次数: 131)
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5.3.3 构建椭圆滤波模板
(, 下载次数: 141) 5.3.4 模板滤波 1、原始数据的选取
2、上、下包络线的求取
3、利用模板滤波
4、反解椭圆系数
5.4 本章小结 本章对文中采用的分布式光纤传感系统的的噪声处理和偏振衰落处理进行了深入的分析，通过对比小波分解重构方法和传统形态学去噪方法，发现了上述方法在偏振衰落处理上的缺陷，提出了基于椭圆插值滤波的形态学偏振处理方法，对这一方法进行了详尽描述，并结合实验数据和图像证明了该方法的有效性。
六、系统信号处理方案设计 6.1 系统结构搭建 6.2 实验设计和分析 因为ＬａｂＶＩＥＷ能强大，编程简单，所以本文使用该软件作为上位机。但ＬａｂＶＩＥＷ不适合实现大量的数据计算。又因为ＭＡＴＬＡＢ软件工具箱函数众多、算法库可靠，所以对于数据处理工作由ＭＡＴＬＡＢ完成。
6.2.1 系统程序总体设计
(, 下载次数: 139) 6.2.2 数据采集 6.2.3 降噪和偏振处理 6.2.4 信号解调
7.2 不足 (, 下载次数: 141)
               








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