【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
一、緒論
1.2 光纖傳感及解調(diào)技術(shù)概述
1.2.1?光纖傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀
光纖傳感器的特點
- 用一根光纖作為感知外界環(huán)境參數(shù)的器件和傳輸信號的器件，配合數(shù)字信號處理技術(shù)，對幾十公里的范圍進行檢測；主要用于感知溫度、應(yīng)變、振動。
分布式傳感器的主要方法：反射法和干涉法；? ?
幾種典型的定位技術(shù)
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1.2.2 相位解調(diào)技術(shù)研究現(xiàn)狀
光纖傳感器的分類：強度檢測型、相位檢測型、波長檢測型；
- 相位檢測型因為其靈敏度高與穩(wěn)定性好的特點備受青睞
- 研宄發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)光波以光纖中的某個正弦波的形式傳播。外力作用會使光纖因長度、折射率等特性的變化導(dǎo)致正弦波相位的變化。
- 但是直接測量相位信號會又會產(chǎn)生隨機的漂移，并且相位信號中常含有直流分量，因此會引入較大的誤差；另外目前設(shè)備很難直接探測到光波的相位變化。
- 光纖干涉儀通過特殊光路的千涉效應(yīng)把相位改變轉(zhuǎn)換成激光強度的變化，并通過光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換，再來完成電信號的采集。
- 而求解光纖信號相位的方法就稱作相位解調(diào)算法。我們需要從檢測信號失真度、測量靈敏度、動態(tài)范圍等方面，考慮選擇不同的解調(diào)算法。
- 如今相對廣泛使用的主要是外差解調(diào)和零差解調(diào)。雖然外差解調(diào)相位靈敏度恒定，并且能夠避免1/f 噪聲影響，但是要用到移頻元件，使得系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，不能與光纖系統(tǒng)很好地耦合，因此現(xiàn)有的干涉光纖傳感技術(shù)大多采用零差解調(diào)
- 零差解調(diào)方法能夠進一步分為無源零差和有源零差。
- 基于３ｘ３耦合器的解調(diào)方法是無源零差解調(diào)的一種，該方法要求３ｘ３耦合器理想均分，如果無法保證任何兩路信號之間有１２０°的相位差，解調(diào)結(jié)果將產(chǎn)生較大的諧波失真。但是該算法無需用到載波調(diào)制，節(jié)省了硬件開支。
- 相位生成載波技術(shù)（Phase Generated Carrier，PGC）屬于有源零差解調(diào)，在Mach-Zehnder光纖干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)中應(yīng)用，完成了對光纖水聽器的相位信息解調(diào)。PGC算法的基本原理是混頻處理測量信號和調(diào)制波信號，然后依次經(jīng)過低通濾波器，三角函數(shù)數(shù)學(xué)計算，通過帶通濾波或高通濾波最后得到被測相位。該算法復(fù)雜度較小，便于硬件電路化。但該方法工作的動態(tài)范圍受制于載波調(diào)制信號。由于該方法實現(xiàn)簡單，實時性強，穩(wěn)定性好等特點，相位生成載波算法在光纖相位傳感器中得到廣泛應(yīng)用。
背景噪聲和信號偏振衰落也是制約信號解調(diào)精度的重要方面。
- 如若背景噪聲足夠強，那么有用信號將淹沒在其中。因而提出有效的抑止或消除的噪聲的方法也是信號解調(diào)的重要前提。減噪方法很多，可采用聲音隔離、恒溫控制等設(shè)備以減少環(huán)境影響，或采用增加硬件來減弱特定傳感結(jié)構(gòu)的固有噪聲；軟件方面能夠采用有數(shù)據(jù)平滑、數(shù)字濾波、時頻變換等措施。
一個關(guān)鍵問題：
- 由于保偏光纖和保偏器件過于昂貴，傳感光纖通常選擇價格低廉的單模光纖。單模光纖的雙折射效應(yīng)使輸出干涉條紋可見度隨機衰減，可能引起信號解調(diào)失真或者根本無法探測到信號１％。一般有兩種方法來減弱偏振衰落：
- 第一種是利用偏振控制器實時調(diào)節(jié)，使兩相干光偏振態(tài)盡可能一致，但控制算法通常十分復(fù)雜，況且長距離傳輸中的環(huán)境因素誘發(fā)的雙折射愈加復(fù)雜，由此限制了該方法的可靠性和實時性；
- 還有一種是利用Faraday旋轉(zhuǎn)鏡來雙折射補償，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了硬件開支，而且不能絕對消除信號衰落，又可能導(dǎo)致干涉對比度下降進而對信號探測造成不良影響。
- 綜上，選擇合適的信號濾波算法和偏振處理方法是課題解決的關(guān)鍵問題。
1.3?研究目的和主要內(nèi)容
通過對光纖傳感干涉儀的結(jié)構(gòu)分析及其去噪、解調(diào)算法的研宄，實現(xiàn)了光纖系統(tǒng)對振動信號的精確解調(diào)。
二、干涉型光纖傳感結(jié)構(gòu)的選擇
分布式光纖干涉儀是目前應(yīng)用最廣泛的光纖傳感結(jié)構(gòu)。
2.1 Michelson干涉型光纖傳感器
結(jié)構(gòu)：
2.2?Sagnac干涉型光纖傳感器
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2.3 Mach-Zehnder干涉型光纖傳感器（重點）
其核心是兩個稱合器。
僅僅一個Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)是不能利用相關(guān)運算來求取兩路信號時間差值的，所以也就無法實現(xiàn)振動信號的定位。但是通過構(gòu)建雙Mach-Zehnder能夠彌補這一缺陷：
雙Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)在遠距離測量時，靈敏度高，光纖信號衰減較少。
三、Mach-Zehnder光纖傳感系統(tǒng)特性研究
3.1 系統(tǒng)噪聲特性分析
3.1.1 光源噪聲的分析及抑制
1、光源的選擇：
- 光源的噪聲在很大程度上影響了光纖干涉?zhèn)鞲衅鞯男阅堋９庠吹脑肼曋饕枪庠聪辔辉?/strong>聲。在對于光程差較大光源線寬很大的千涉型結(jié)構(gòu)中，干涉測量系統(tǒng)是通過將傳輸光相位轉(zhuǎn)化為光強信號的變化，進而來解調(diào)的。因為光源的相位噪聲嚴(yán)重限制了能夠探測到的最小信號相位。故此光源一般要求線寬越窄越好，頻率越單一越好。因此光源線寬是選擇激光器的重要參考因素。
2、光源線寬的選擇：
3、激光器的選擇：
- 使用相干特性較好的激光器能夠很好的減弱光源相位噪聲。需要重點考慮激光器線寬、頻率穩(wěn)定性和設(shè)計成本等方面。本論文中所采用的光源是萬碩公司生產(chǎn)的型號為ＷＳ－ＬＴ３０００－Ｉ直調(diào)光發(fā)射機，這是一種的超窄線寬DFB激光器，中心波長為1550nm，傳輸距離為40ｋｍ，它的線寬小于10ｋＨｚ，大大降低了光源相位噪聲對系統(tǒng)分辨率的影響。它的工作電流為40ｍＡ，激光器內(nèi)部集成了制冷控制電路，能夠降低器件發(fā)熱對光源的影響。
3.1.2 電路噪聲分析及抑制
電路噪聲的來源：
- 由于干涉型光纖傳感器的一般采用光電探測器將光強信號轉(zhuǎn)換成電流信號，然后才能通過采樣得到原始數(shù)據(jù)，因此電路噪聲也是系統(tǒng)噪聲的重要來源。
光電探測器的噪聲能夠分為熱噪聲、散粒噪聲兩類：
由于導(dǎo)體中載流子的無規(guī)則熱運動導(dǎo)致了電流偏離平均值變化，進而導(dǎo)致電阻上的電壓的變化，最終形成熱噪聲。任何電阻性元件中都存在一定程度的熱噪聲，由于它含有各種頻率成分，因此也可視為白噪聲。由于該系統(tǒng)中使用的光源ＷＳ－ＬＴ３０００－Ｉ直接調(diào)諧光發(fā)射器集成了激光器內(nèi)部的冷卻控制電路。工作電流為４０ｍＡ，能夠降低器件發(fā)熱對光源的影響。
降低電路系統(tǒng)的噪聲的手段主要有選用品質(zhì)優(yōu)良的電學(xué)器件、優(yōu)化ＰＣＢ電路板的線路布置等
散粒噪聲也常見于電子和光電器件。二極管、晶體管和電子管中的電流能夠看做是其中載流子的電流脈沖的疊加。散粒噪聲產(chǎn)生的原因在于載流子隨性地相互獨立地通過勢壘。通常激光器和光電探測器的散粒噪聲都較小，并且功率譜密度與頻率沒有數(shù)學(xué)關(guān)系，所以都能夠認為是白噪聲。
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兩類噪聲服從高斯分布：
- 本文系統(tǒng)使用雙Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉結(jié)構(gòu)。在沒有施加外界擾動的情況下，得到的原始信號的信息特征如下圖３－１到圖３－３所示，從圖中能夠看出，噪聲數(shù)據(jù)的概率密度分布近似于高斯分布，其相關(guān)性非常微弱，對噪聲做ＦＦＴ變化后能夠看到其頻譜非常平坦。所以熱噪聲和散粒噪聲都能夠被視為是一種高斯白噪聲。后續(xù)本文提出形態(tài)學(xué)濾波的方法去除白噪聲對信號解調(diào)的影響。
3.2 系統(tǒng)光路穩(wěn)定性研究
單模光纖維持偏振態(tài)存在問題：
- 由光波干涉原理可知，當(dāng)兩束光頻率相同，相位差保持穩(wěn)定，并且振動方向相同吋，才能發(fā)生干涉。對于單一光源的光纖干涉系統(tǒng)，只有在兩路干涉光的偏振方向一致時，才能夠發(fā)生干涉現(xiàn)象。
- 目前常用的光纖信號解調(diào)算法基本都是假設(shè)兩路相干光為同向偏振光的前提下得出的。在分布式傳感系統(tǒng)中，通常傳感光纖長達數(shù)十千米。保偏光纖和其他保偏器件在一定程度上能夠減弱光纖的偏振變化，但由于硬件成本太高，不適合廣泛應(yīng)用，因而大多數(shù)傳感系統(tǒng)一般采用普通單模光纖作為傳感光纖。
- 實際應(yīng)用中，線偏振光在單模光纖中傳輸時，因為光纖彎折等隨機因素很容易引起光波偏振狀態(tài)的改變。光波的偏振退化將會使干涉條紋的可見度降低，探測到的光波信號的幅度會變小，如果兩束光的偏振態(tài)恰恰正交，那么干涉條紋消失不見，相位信息的解調(diào)也就無從談起。
- 因此，本文將重點分析單模光纖偏振特性對信號解調(diào)系統(tǒng)的影響
3.2.1?單模光纖的偏振特性
單模光纖的雙折射效應(yīng)：
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?偏振光的不同狀態(tài)：
綜上闡述，雙折射特性導(dǎo)致激光偏振態(tài)改變，并且難以預(yù)測，因此有必要采用合適的方法分析單模光纖偏振對整個光纖傳感系統(tǒng)的影響。
3.2.2 系統(tǒng)光傳輸?shù)暮喕Ｐ?/strong>
? ? ? ? 本文采用瓊斯矩陣法來分析系統(tǒng)的偏振情況。出于模型簡化的需要，本文假設(shè)光纖為無雙折射的理想均勻光纖，從而將分布在光纖全長上的雙折射效應(yīng)等效為雙折射元件Ｂ。由于馬赫增德爾２條干涉光纖長度相等，它們相當(dāng)于雙折射元件B1和B2表示。那么該系統(tǒng)的偏振光路能夠表示成如圖3-6所示。
3.3.3?系統(tǒng)偏振衰落的分析和仿真
- 在單模光纖中傳輸較長距離后，由光源發(fā)出的線偏光及會退偏為橢圓偏振
- 光偏振態(tài)退化使得干涉輸出可見度和理想線偏光干涉輸出可見度的振幅不一致
- 馬赫增德爾干涉儀輸出的含噪聲干涉信號：
- 采樣頻率設(shè)置為２０ｋＨｚ，設(shè)置采樣點數(shù)為４００００：
- 偏振幅度衰落程度越深，交變信號幅值越小，再疊加相位噪聲電路噪聲的影響，得到上述信號波形。經(jīng)過與實際采樣數(shù)據(jù)圖３－１２對比可知，偏振衰落對信號的影響符合本文把偏振衰落當(dāng)做噪聲處理的假設(shè)。
四、光纖干涉儀相位解調(diào)技術(shù)研究
信號解調(diào)技術(shù)的必要性：干涉儀輸出的光強信號與外部振動信號引起的相位差是非線性的關(guān)系。所以不能夠直接由探測器的探測信號獲取振動信號的相位變化，而是需要采用信號解調(diào)技術(shù)還原出擾動信號的相位信息，從而獲取引起相位變化的振動信號。
幾種相位解調(diào)算法：
4.1 外差解調(diào)法
4.2 零差解調(diào)技術(shù)
分類：主動零差法和被動零差法。
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4.2.1?相位生成載波法
- 定義：相位生成載波法（ＰＧＣ）是引入載波頻率調(diào)制信號以將外界干擾的影響轉(zhuǎn)換為調(diào)制信號的影響。
- 經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)環(huán)境噪聲一般是低頻噪聲，故相位生成載波解調(diào)算法在消除由環(huán)境噪聲導(dǎo)致的信號漂移方面效果顯著。
- 載波信號通常采用外部調(diào)制或光源內(nèi)部調(diào)制來實現(xiàn)。由于系統(tǒng)中的光源頻率不可調(diào)，所以本文主要討論外調(diào)制方式的ＰＧＣ解調(diào)。
- 分類：相位生成載波法主要有微分交叉相乘（ＰＧＣ－ＤＣＭ）和反正切解調(diào)算法（ＰＧＣ－Ａｒｃｔａｎ）兩種實現(xiàn)方式。
- 缺陷：消除光強不穩(wěn)定導(dǎo)致解調(diào)偏差和消除由調(diào)制深度變化導(dǎo)致的諧波失真是亟需解決的兩個關(guān)鍵問題。
4.2.1.1?微分交叉相乘算法
微分交叉相乘算法是最為廣泛使用的相位生成載波解調(diào)方法。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖４－１所示。首先干涉信號在傳感器一臂被加載載波進行調(diào)制后，其次分別和調(diào)制載波的基頻、二倍頻進行混頻，之后執(zhí)行低通濾波、微分交叉相乘，然后積分、高通濾波，最終完成信號解調(diào)。
- ?理論公式推導(dǎo)：
- 使用ＰＧＣ－ＤＣＭ算法來解調(diào)干擾信號
4.2.1.2?反正切解調(diào)算法
- 另一種PGC解調(diào)算法是反正切算法。解調(diào)結(jié)構(gòu)如圖４－５所示，能夠看到ＰＧＣ－Ａｒｃｔａｎ的前部分處理與微分交叉相乘解調(diào)算法如出一轍。后半部分就是將微分交叉相乘計算替換為兩路信號相除再反正切運算，最后同樣通過高通濾波完成信號解調(diào)。相比于ＰＧＣ－ＤＣＭ算法，反正切法計算更為簡化，提高了干涉信號相位解調(diào)的速率。
- 雖然這種ＰＧＣ解調(diào)算法計算簡單，但是與ＰＧＣ微分交叉相乘方法一樣，其解調(diào)精度受到調(diào)制載波深度Ｃ的影響。
4.2.2?3ｘ3光纖耦合器解調(diào)
- 3ｘ3耦合器解調(diào)的特點：是一種無源零差解調(diào)方法，其通過光路配置改變耦合器輸出信號的偏置狀態(tài)。因為其靈敏度是固定不變的，不能調(diào)節(jié)的，所以它又是一種被動解調(diào)方法。由于不需要壓電陶瓷對參考臂信號進行調(diào)制，所以它比ＰＧＣ解調(diào)方法結(jié)構(gòu)簡單。該方法不僅不需要調(diào)節(jié)光源頻率，還降低了光源頻率變化誘發(fā)的相位噪聲，故而光源的相千長度不必要求很長，從光源器件選型上考慮節(jié)省了系統(tǒng)的硬件開支。
- 光纖耦合器的工作特點：是實現(xiàn)光信號功率分配和組合的光器件，能夠?qū)⒓す馐殖啥鄠€光束并通過多個光纖來傳輸。還能夠把多個光束信號耦合在一起。為了使耦合器分光產(chǎn)生的干涉光干涉輸出效果最佳，所以兩個耦合器應(yīng)具有相同的每個端口的輸出功率。
- ２ｘ２耦合器和３ｘ３耦合器：都能夠把光分束成順、逆時針方向相同的兩束。如果光纖某處有外界振動，那么兩個方向的傳輸光就會產(chǎn)生相位差，再次返回耦合器時，因為光程相等而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。２ｘ２耦合器使這兩束光波間產(chǎn)生１８０。相位差。３ｘ３耦合器使方向相反的這兩束光波間產(chǎn)生１２０°的相位差
- 對稱３ｘ３耦合器解調(diào)示意圖:
- 對稱３ｘ３耦合器解調(diào)的缺點：
從上述原理中能夠看到，３ｘ３耦合器解調(diào)要求外界振動信號達到干涉儀滿幅才可進行直流補償和數(shù)據(jù)歸一化處理。因此該方法對微弱信號不能精確解調(diào)，從而可能引發(fā)對擾動信息的誤判。此外，３ｘ３耦合器很難絕對對稱，也就是說首先就要準(zhǔn)確地計算系統(tǒng)初始相位，增加了算法的復(fù)雜性。
- 模擬３ｘ３耦合器解調(diào)過程：
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4.3 基于橢圓擬合的３ｘ３耦合器解調(diào)
提出了基于橢圓擬合的３ｘ３耦合器解調(diào)算法，分析證明了該方法的實現(xiàn)途徑，相比于ＰＧＣ解調(diào)，不需要壓電陶瓷調(diào)制載波和濾波器，降低丫成本；克服了傳統(tǒng)３Ｘ３耦合器的解調(diào)方案中耦合器分光比不一致導(dǎo)致解調(diào)信號失真的缺點；針對偏振衰落對橢圓擬合結(jié)果進行了仿真，指出橢圓擬合的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確獲取橢圓的外部輪廓。
五、光纖傳感干涉儀信號處理方法
5.1 小波去噪
略（老生常談）
5.2?形態(tài)學(xué)去噪
1、優(yōu)點：
- 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在諸如抑制噪聲，形狀識別和邊緣檢測的圖像處理中效果顯著。因為數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)簡單、運算速度較快，在抑制噪聲和其它無關(guān)干擾更具有針對性，所以在信號實時處理方面相比其他去噪方法有一定優(yōu)勢。因此，多年來，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)也被廣泛應(yīng)用于一維信號中的噪聲處理。
2、大致步驟：
- 慮到Ｌｉｓｓａｊｏｕｓ圖像是二維圖像，故本節(jié)嘗試運州圖形處理屮的邊緣檢測算法先提取橢圓的外輪廓曲線，然后進行數(shù)值估計，再獲得較理想的橢圓系數(shù)，最后相位還原來減弱噪聲導(dǎo)致的信號解調(diào)失真。
5.2.1 形態(tài)學(xué)基本原理
1、定義：使用形態(tài)結(jié)構(gòu)元素處理圖像的數(shù)學(xué)工具被稱為數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，即為了達到圖像分析和圖像識別的目的，采用具有特定形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)元素去比較測量和提取圖像中的對應(yīng)形狀。
2、兩種基本運算：它通常有膨脹、腐蝕兩個基本運算組成，根據(jù)它們的運用順序不同又組成了開啟和閉合兩個不同運算。開運算為先腐蝕，后膨脹。閉運算為先膨脹，后腐蝕。開啟和閉合通常使用同一個結(jié)構(gòu)元素，這兩者在二值圖像處理中擁有不同的優(yōu)勢。選擇正確的運算和結(jié)構(gòu)元素對于特定的圖像處理目的至關(guān)重要。
3、基本概念：
5.2.2 傳統(tǒng)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的偏振處理
5.2.3 基于形態(tài)學(xué)濾波的偏振信號處理
5.3?基于形態(tài)學(xué)濾波的偏振信號處理
-
直方圖去噪的優(yōu)點和大致工作過程：
5.3.1 直方圖去噪?
- 降采樣：為了實現(xiàn)系統(tǒng)定位，在采集數(shù)據(jù)時通常采樣頻率達到幾ＭＨｚ，采樣點數(shù)為幾百ｋ個數(shù)據(jù)點，由于數(shù)據(jù)量過大，運算速度慢，數(shù)據(jù)運算實時性差，所以在處理數(shù)據(jù)前首先要進行降采樣。又因為我們直方圖去噪的目的在于利用少量的采樣數(shù)據(jù)，制作形態(tài)學(xué)濾波的模板，所以降采樣也有利于提高運行效率。該系統(tǒng)通常將采樣頻率設(shè)置為４ＭＨｚ，采樣點數(shù)為4000000，因此我們將降采樣設(shè)置為100倍。
降采樣后的數(shù)據(jù)處理：由于Lissajous圖形是二維圖形，而對準(zhǔn)確解調(diào)有效的數(shù)據(jù)主要分布在橢圓外部輪廓上。通過將降采樣多次設(shè)置為１００倍，即采樣點數(shù)為４０００，得到如圖５－１０所示的Lissajous圖形，能夠看到橢圓內(nèi)部的點出現(xiàn)頻率較低，呈現(xiàn)不連續(xù)分布，又因為Lissajous圖像是二維圖像，所以我們能夠把二維圖像進行二維柵格化，然后設(shè)置統(tǒng)計直方圖中像素點的出現(xiàn)頻次的閾值，去除數(shù)據(jù)中出現(xiàn)頻次低的像素點，當(dāng)某像素點出現(xiàn)頻次大于３次時，我們認為該像素點為橢圓邊緣上的點，得到新的x1、y1，否則，我們認為該像素點為噪聲點，并進行去除，從而完成對信號進行初步去噪。
5.3.2?鄰域閾值法去噪
?5.3.3 構(gòu)建橢圓濾波模板
5.3.4 模板濾波
1、原始數(shù)據(jù)的選取
2、上、下包絡(luò)線的求取
3、利用模板濾波
4、反解橢圓系數(shù)
5.4 本章小結(jié)
本章對文中采用的分布式光纖傳感系統(tǒng)的的噪聲處理和偏振衰落處理進行了深入的分析，通過對比小波分解重構(gòu)方法和傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)去噪方法，發(fā)現(xiàn)了上述方法在偏振衰落處理上的缺陷，提出了基于橢圓插值濾波的形態(tài)學(xué)偏振處理方法，對這一方法進行了詳盡描述，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和圖像證明了該方法的有效性。
六、系統(tǒng)信號處理方案設(shè)計
6.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建
6.2?實驗設(shè)計和分析
因為ＬａｂＶＩＥＷ能強大，編程簡單，所以本文使用該軟件作為上位機。但ＬａｂＶＩＥＷ不適合實現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)計算。又因為ＭＡＴＬＡＢ軟件工具箱函數(shù)眾多、算法庫可靠，所以對于數(shù)據(jù)處理工作由ＭＡＴＬＡＢ完成。
6.2.1 系統(tǒng)程序總體設(shè)計
6.2.2?數(shù)據(jù)采集
6.2.3?降噪和偏振處理
6.2.4?信號解調(diào)
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7.2 不足
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【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**》重点笔记的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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