光纤机械振动传感器解调及信号处理研究

发布时间：2017-07-08 05:05

  本文关键词：光纤机械振动传感器解调及信号处理研究

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【摘要】：光纤传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射等优点,受到了人们越来越高的重视与研究。基于萨格奈克(Sagnac)的干涉型光纤振动传感器动态范围大,灵敏度高,可进行长距离实时监测,应用前景广泛。本文研究了基于Sagnac干涉仪原理以及相位载波解调技术的光纤振动传感系统。重点研究了通过本系统实现对外界机械振动等干扰信号的准确解调,并引入小波去噪和移动平均滤波技术对解调后信号进行处理,提取振动信号特征,提高解调精度。本文在Sagnac干涉仪原理的基础上,设计了集数据采集、解调和信号处理于一体的光纤振动传感系统。首先分析了外界振动信号对传感光纤中光信号相位调制机理,给出光纤相位调制应变公式,并分析了系统解调和定位原理,通过Matlab仿真证明了定位中的陷波点,以及延迟光纤的长度对外界振动引起的陷波点的影响。然后通过理论分析说明相位载波解调的可行性,并开发基于Labview软件平台的PGC解调程序,采用三角波、正弦波和矩形波作为三种不同的入侵振动信号进行解调仿真,验证了该解调方法的有效性。接下来研究了PIN光电探测器的放大电路,并利用Protues软件设计并仿真了前置放大电路、二次放大电路和三阶巴特沃斯高通滤波电路,并通过Altium Designer13实现了PCB(Printed Circuit Board)板设计,电路最终达到的频谱宽度为500k Hz,放大倍数为125000倍。基于Labview编写了系统中所用的数据采集和存储程序。通过小波阈值去噪和移动平均滤波技术对解调信号频谱进行处理,并对去噪时阈值函数的选择和阈值方式的确定进行了理论分析,通过比较几种不同阈值量化方式对系统输出信号去噪效果的影响,得到最佳阈值去噪方法,同时比较了不同平滑数据方式下的移动平均滤波效果,得到合适的数据平滑移动平均方法。并利用这种相结合的方法对系统输出信号进行处理,在有效地去除大量噪声的同时,较好地保留了外界振动信号的原始信息,在频谱图上得到清晰的“陷波点”,有利于通过频陷波点的位置对外界振动信号实现定位。最后,利用ASE光源、光纤环形器、3×3耦合器、PZT相位调制器、法拉第旋转镜和PIN光电探测器等搭建了Sagnac光纤振动传感实验平台,进行对外界振动干扰信号的解调实验。实验过程中利用信号发生器产生高频载波信号,并通过PZT加载到系统中。利用NI的USB6361采集卡采集PIN中输出的带有外界振动信息的干涉信号,并对该信号进行解调、频谱变换以及去噪处理,从而提高系统信噪比。此外,系统中通过使用法拉第旋转镜消除了偏振态不稳定的问题,对载波信号幅值和频率的选取方面做了一定的理论分析,通过选择适当的载波信号频率和幅值可以使解调信号稳定性大大提高。
【关键词】：光纤传感 Sagnac光纤干涉仪 相位载波解调 小波去噪 阈值方法
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.3;TP212
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 引言13-14
• 1.2 课题研究背景和意义14
• 1.3 分布式光纤传感技术概述14-16
• 1.3.1 分布式光纤传感技术14-15
• 1.3.2 分布式光纤传感技术的优点15-16
• 1.4 基于OTDR的分布式光纤传感技术16-18
• 1.4.1 基于瑞利散射的OTDR技术16
• 1.4.2 基于拉曼散射的ROTDR技术16-17
• 1.4.3 基于布里渊散射的BOTDR技术17-18
• 1.4.4 基于 φ-OTDR的分布式传感技术18
• 1.5 基于干涉仪原理分布式光纤传感技术18-21
• 1.5.1 光纤Mach-Zehnder干涉仪18-19
• 1.5.2 光纤Michelson干涉仪19-20
• 1.5.3 光纤Sagnac干涉仪20
• 1.5.4 基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤传感研究现状20-21
• 1.6 论文主要研究内容21-23
• 第二章 Sagnac光纤振动传感器技术23-34
• 2.1 Sagnac光纤振动传感结构23
• 2.2 系统原理23-33
• 2.2.1 光纤相位调制原理24-26
• 2.2.2 解调原理26-28
• 2.2.3 定位原理28-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第三章 分布式光纤振动传感器中PGC解调原理和仿真34-48
• 3.1 相位生成载波技术的应用34-41
• 3.1.1 PGC调制原理34
• 3.1.2 PGC解调原理34-36
• 3.1.3 信号频带分析和采样频率选择36-37
• 3.1.4 载波信号幅度和频率的选择37-39
• 3.1.5 混频的频差和相位差对解调的影响39-40
• 3.1.6 低通滤波器和高通滤波器参数40-41
• 3.2 PGC解调仿真实现41-47
• 3.2.1 Labview简介41-42
• 3.2.2 基于Labview的PGC解调仿真实现42-47
• 3.3 本章小结47-48
• 第四章 分布式光纤振动传感器实验系统设计48-71
• 4.1 系统总体结构设计48
• 4.2 系统中主要元器件选型48-52
• 4.2.1 光源49
• 4.2.2 光纤49-50
• 4.2.3 光环形器50
• 4.2.4 光耦合器50
• 4.2.5 光纤相位调制器50-51
• 4.2.6 法拉第旋转镜51-52
• 4.2.7 光电探测器52
• 4.3 光电转换分析及其放大电路设计52-63
• 4.3.1 设计要求53
• 4.3.2 PIN光电二极管选择53-54
• 4.3.3 PIN光电探测器工作模式54-55
• 4.3.4 放大电路设计55-61
• 4.3.5 放大电路性能参数测量61-63
• 4.4 系统软件监测平台63-68
• 4.4.1 数据采集和采集卡原理63-64
• 4.4.2 数据采集模块64-65
• 4.4.3 数据存储和读取模块65-68
• 4.5 实验设计和结果分析68-70
• 4.6 本章小结70-71
• 第五章 分布式光纤振动传感器中信号处理技术71-80
• 5.1 信号处理概述71-72
• 5.2 小波变换的基本理论72-73
• 5.2.1 连续小波变换原理72-73
• 5.2.2 离散小波变换原理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骤73-74
• 5.3.3 小波基函数和阈值方法选择74-75
• 5.3.4 小波去噪的实现以及阈值选择分析75-77
• 5.4 移动平均值滤波方法77-78
• 5.5 两者相结合信号处理技术78-79
• 5.6 本章小结79-80
• 第六 章总结与展望80-82
• 参考文献82-86
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文 及取得的相关科研成果86-87
• 致谢87-88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 何存富;杭利军;吴斌;;用于模拟声发射信号的PZT柱状相位调制器设计[J];北京工业大学学报;2006年08期

2 杭利军;何存富;吴斌;蔡栋生;;基于LabVIEW平台的锁相放大器在管道泄漏检测中的应用[J];北京工业大学学报;2008年03期

3 吴红艳;贾波;叶佳;王超;;基于光纤干涉定位系统的信号解调技术[J];传感器与微系统;2007年05期

4 陈志刚;张来斌;王朝晖;梁伟;;基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法[J];传感器与微系统;2007年07期

5 范彦平;巫建东;翟玉锋;刘勇;王安;;分布式光纤Sagnac定位传感技术评述[J];传感器与微系统;2008年11期

6 刘彬,张秋婵;光电检测前置放大电路的设计[J];燕山大学学报;2003年03期

7 刘卫东,刘延冰,刘建国;检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计[J];电测与仪表;1999年04期

8 廖延彪;我国光纤传感技术现状和展望[J];光电子技术与信息;2003年05期

9 夏东明;娄淑琴;温晓栋;李木群;;干涉型光纤传感器相位载波解调技术研究[J];光电技术应用;2011年05期

10 陈德胜;肖灵;崔杰;刘亭亭;孙德兴;;光纤干涉信号的3×3耦合器解调及偏振衰落分析[J];光电子.激光;2007年05期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 许海燕;分布式光纤振动传感器及其定位技术研究[D];复旦大学;2011年

2 吴东方;Sagnac干涉式光纤声传感器及其定位技术研究[D];复旦大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前7条

1 葛思宣;光纤分布式振动传感器研究[D];浙江大学;2012年

2 何毅;分布式相位调制型光纤振动传感器信号处理技术研究[D];华中科技大学;2006年

3 张柳;基于相位载波技术的全光纤分布式传感系统及其稳定性研究[D];复旦大学;2008年

4 张大茂;Sagnac光纤干涉仪的数字闭环检测技术[D];浙江大学;2010年

5 乔波;混合干涉型分布式光纤水下长输气管道泄漏检测系统设计[D];中国计量学院;2012年

6 陈怡;光纤振动传感系统的实时信号处理[D];电子科技大学;2013年

7 李丽;高精度分布式光纤传感及相关信号解调技术的研究[D];东华大学;2014年

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本文编号：533089