基于EMD的分布式光纤传感振动信号研究
基于EMD的分布式光纤传感振动信号研究
分布式光纤传感技术是20世纪70年代末随着光纤传感技术和光纤通信技术而迅速发展起来的新型传感技术,该技术能够获得被测物理场空间和时间上的连续分布信息，非常适合用于长距离干线的监测。当光纤传感器接收了经过调制解调后的信号后，对信号进行有效的处理和识别对于监测系统来说尤为重要。
本文在分析分布式光纤传感技术的发展及现状的基础上，介绍了基于Sagnac干涉仪的分布式光纤传感器的结构及调制解调原理。重点研究基于经验模态分解（EMD）的分布式光纤传感器的特征提取方法。本文研究的基于Sagnac的分布式光纤传感器获取的振动信号为非平稳信号，通过对所获取的振动信号进行分析，研究了适用于非平稳信号的EMD分解算法，将源信号分解为若干个IMF分量和一个残余量之和，并具体介绍了EMD的原理及实现方法。
最后，利用MATLAB工具对算法进行仿真验证，并将实际振动信号进行EMD分解，运用峭度法进行特征提取以达到对信号分析和处理的目的。仿真和实验结果表明采用经验模态分解的方法对分布式光纤振动传感器的振动信号进行特征提取是有效的。20191110223738
【关键词】分布式光纤传感器；非平稳信号；EMD；IMF；特征提取
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 光纤传感技术发展历程 2
1.3 本文主要研究内容及意义 3
第2章 基于Sagnac干涉仪的分布式光纤振动传感系统研究 5
2.1 系统结构 5
2.2 调制原理 7
2.3 解调原理 12
第3章 基于EMD的分布式光纤传感振动信号特征提取技术 15
3.1 分布式光纤传感系统中的非平稳信号处理技术 15
3.1.1 非平稳信号概念 15
3.1.2 非分平稳信号分析方法 15
3.2 EMD分解方法的基本概念 17
3.2.1 EMD分解的产生背景 17
3.2.2 瞬时频率 19
3.2.3 固有模态函数（IMF） 20
3.2.4 时间特征尺度 21
3.3 EMD基本原理及分解步骤 22
3.3.1 EMD的基本原理 22
3.3.2 EMD分解步骤 23
3.4 基于经验模态分解的检测信号特征提取方法 27
第4章 基于EMD光纤振动信号的仿真及特征提取 28
4.1 仿真信号效果研究 28
4.2 检测信号的特征提取研究 30
第5章 总结与展望 37
5.1 总结 37
5.2 展望 37
参考文献 38
致 谢 40
第1章 绪论
1.1 选题背景
随着社会发展，信息技术发展势头迅猛，传感器技术、通信技术、计算机技术被称为其三大主要支柱，其中传感器技术作为探测与获取外界信息的重要环节被广泛应用于农业、军事及工业等各个领域。
近些年，传感器在朝着灵敏、适应性强、小巧、小精确，智能化等方向发展。在这一过程中，光纤传感器作为这个家族的新成员倍受人们青睐。
基于相位调制原理的干涉型分布式光纤传感定位技术，因其具有高灵敏度的传感特性而得到广泛的关注与重视。该技术可用于长距离传输线路的安全监控，计算机对传感器输入的探测信号进行处理。
进入光纤传感器的信号一般为非平稳信号，Fourier分析技术自提出以来在信号分析中一直扮演着举足轻重的角色，但它属于全局性变换，得到的是信号的整体频谱,因而无法表述信号的时频局部特性,而这种特性正是非平稳信号最根本和最关键的性质。
EMD（经验模态分解）方法是由美国NASA的黄锷博士提出的一种信号分析方法，是依据信号的局部时变特征进行的自适应分解,将信号分解为若干个IMF分量和一个残余量之和,克服了传统方法中利用无意义的谐波分量来表示非平稳、非线性信号的缺陷,因此更适合处理非平稳信号。
基于以上背景，作者产生了这样的思路，当获得振动源经过光纤传感器相位的调制解调后的信号后，我们还可以对这些信号进行EMD分解，对分解后的主要的本征模函数进行分析，从而得出该振动源经光纤传感后的特点，多次采用不同的振动源实验分析，归纳各自特点，进行比较，从而能够看到这些特征向量便可辨别出该振动源的性质。
1.2 光纤传感技术发展历程
伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而出现的光纤传感器,由于光纤传感器是以光波为载体，以光纤为介质的新型传感器，所以具有一系列独特的优点。首先，其传感灵敏度要比传统传感器高许多倍。能在蚀性等很多特殊环境下正常工作。最后，其可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。
自上世纪70年代美国开始研究光纤传感器以来，光纤传感器的品种已有近百种之多，同时还有相当数量的光纤传感器正在研制当中。近年来，光纤传感器作为一种新兴的应用技术，在许多领域都已显示出强大的生命力，并得到大力发展。由于光纤不仅可作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移等）的作用而直接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感器组件来探测各种待测量。
1976年，Barnoskim和Jensen提出基于瑞利散射的光时域反射技术(OTDR)，在八十年代初得到了广泛的发展，实现了对目标信号的空间定位。然而该技术灵敏度较低、测量精度低，传感距离较短，限制了其在实际传感应用中的推广。拉曼散射与光时域反射技术结合用于分布式温度传感是目前相对较为成熟的分布式传感技术，系统测温误差在℃内，空间分辨力达到lm，但是由于拉曼散射工作波段衰减大，可传感距离短以及对应变不敏感的特点，使其应用范围受到限制。日本NTT的Horiguchi提出采用受激布里渊实现分布式温度应变传感。由于在温度、应变测量上所能达到的测量精度、传感长度和空间分辨率较高，得到广泛的关注与研究。美国MicronOPticS公司最新研制的光纤布里渊分析仪实现分布式光纤温度/应变监测，温度精度达1℃，应变精度达0.002%，空间分辨率达lm，测量范围可达30km。但是，受限于测量低功率短光脉冲反向传输时间的计时要求（大多数基于时域反射计，即OTDR技术），多数技术只能进行静态或参数变化很少的监控，系统应用范围狭窄，缺乏实用性。而对于干线安全监测系统来说，必须获得实时的、半静态或动态的监测信息及其发生位置，特别是OTDR技术无法检测的瞬间事件。
同时，干涉型分布式光纤传感系统的研究也在迅速展开，特别是在管道、隧道、围栏等应力检测、破坏性行为监测方向得到广泛关注。为了从携带相位信息的干涉结果中提取信号作用的位置，目前的干涉型分布式传感系统多采用复合干涉结构。南非Spammer等于1997年提出了Sagnac/Michelson干涉型分布式光纤传感系统、1997年南非chtcherbakov等采用的Sagnac/Mach-Zehnder干涉型分布式光纤传感系统以及英国Russell等于1999年采用的双波长Sagnac干涉型分布式光纤传感系统均利用两路干涉结果解调相位在时域上的比值实现定位。采用这种时域相位比值的定位方法对绝对相位的解调准确性要求较高，难以消除沿线叠加的相位干扰引起的定位偏差。2004年美国Hoffman等采用的Sagnac干涉型光纤分布式传感系统以及2007年复旦大学采用的Fox-smith干涉型光纤分布式传感系统均根据信号频谱变换的陷波点实现对宽频信号定位。受原理上的限制，这种定位方法依赖于外界信号的频率特性，仅适用于特定信号的定位，因此实际使用也受到一定的限制。2007年重庆大学采用双向Mach-Zehnder干涉型光纤分布式传感系统，利用双向干涉结果的相对相位，通过互相关的方法获得时延差进行定位。但是研究表明直接采用MZI进行分布式双向定位，特别是在长距离应用中，由于使用激光器光源产生了大量噪声引起的相位扰动会使信号湮没，相关性大大减弱。
1.3 本文主要研究内容及意义
通过短时傅里叶变换(STFT),可对采集到的信号进行时频分析。小波分析作为信号处理的一种工具,在复合材料损伤监测领域也得到了广泛运用,利用小波变换可以提取到损伤识别中所需要的特征因子,或者直接提取对识别损伤有用的信息。
虽然利用信号处理的方法在实际应用有着不错的效果,但也存在不少问题,短时傅里叶变换在分析时变的非平稳信号时,难以选取时间窗函数,并且分辨率固定。小波分析需要选取固定的基函数,一旦选定,在整个分析过程中都无法更换,不能根据信号的变化特点重新选择,这就导致了小波分析缺乏很好的自适应性,并且在变换的过程中,还存在能量泄漏的问题。
EMD方法依据信号的局部时变特征进行的自适应分解,将信号分解为若干个IMF分量和一个残余量之和,克服了传统方法中利用无意义的谐波分量来表示非平稳、非线性信号的缺陷,因此更适合处理非平稳信号。
故本文主要研究采用EMD分解技术对光纤振动信号的特征提取。
本文主要安排内容如下：
第一章主要论述了该课题产生的背景及研究该课题的意义，以及目前与该课题相关的研究光纤传感技术的状况。
第二章论述了分布式传感振动技术及其改进的干涉型传感振动技术的特征，并重点介绍了Sagnac光纤干涉仪传感原理。
第三章主要是EMD算法的研究，也是本文的重点。
首先给大家介绍了非平稳信号的概念，而一般的傅里叶变换是针对平稳信号的，但实际振动信号产生的都是非平稳信号，EMD分解方法适用于所有信号，这也就阐明了本文研究的意义，获得更加确切的信号数据特征。
之后介绍了EMD分解里涉及到的本征模函数，时间特征尺度，瞬时频率等基本概念，以便更加深刻理解EMD分解的原理。
最后，阐述了EMD分解的具体步骤及流程图。
第四章是实验部分，首先输入仿真信号，进行EMD分解将得到的数据图形与小波分解进行比较，在验证程序的正确性的同时，表现出EMD分解的优越性。
接下来是将实际测得的几组振动信号数据带进去进行EMD分解，并输出得到的各个固有模态函数的频谱图，同时绘出各个固有模态函数对输入信号的能量贡献的特征向量的直方图，从而进行对比分析，归纳总结出不同振动源振动信号的特征。
第五章，总结与展望，做本次研究的总结，并对该技术的运用发展前景进行展望。
分布式光纤传感技术是20世纪70年代末随着光纤传感技术和光纤通信技术而迅速发展起来的新型传感技术,该技术能够获得被测物理场空间和时间上的连续分布信息，非常适合用于长距离干线的监测。当光纤传感器接收了经过调制解调后的信号后，对信号进行有效的处理和识别对于监测系统来说尤为重要。
本文在分析分布式光纤传感技术的发展及现状的基础上，介绍了基于Sagnac干涉仪的分布式光纤传感器的结构及调制解调原理。重点研究基于经验模态分解（EMD）的分布式光纤传感器的特征提取方法。本文研究的基于Sagnac的分布式光纤传感器获取的振动信号为非平稳信号，通过对所获取的振动信号进行分析，研究了适用于非平稳信号的EMD分解算法，将源信号分解为若干个IMF分量和一个残余量之和，并具体介绍了EMD的原理及实现方法。
最后，利用MATLAB工具对算法进行仿真验证，并将实际振动信号进行EMD分解，运用峭度法进行特征提取以达到对信号分析和处理的目的。仿真和实验结果表明采用经验模态分解的方法对分布式光纤振动传感器的振动信号进行特征提取是有效的。20191110223738
【关键词】分布式光纤传感器；非平稳信号；EMD；IMF；特征提取
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 光纤传感技术发展历程 2
1.3 本文主要研究内容及意义 3
第2章 基于Sagnac干涉仪的分布式光纤振动传感系统研究 5
2.1 系统结构 5
2.2 调制原理 7
2.3 解调原理 12
第3章 基于EMD的分布式光纤传感振动信号特征提取技术 15
3.1 分布式光纤传感系统中的非平稳信号处理技术 15
3.1.1 非平稳信号概念 15
3.1.2 非分平稳信号分析方法 15
3.2 EMD分解方法的基本概念 17
3.2.1 EMD分解的产生背景 17
3.2.2 瞬时频率 19
3.2.3 固有模态函数（IMF） 20
3.2.4 时间特征尺度 21
3.3 EMD基本原理及分解步骤 22
3.3.1 EMD的基本原理 22
3.3.2 EMD分解步骤 23
3.4 基于经验模态分解的检测信号特征提取方法 27
第4章 基于EMD光纤振动信号的仿真及特征提取 28
4.1 仿真信号效果研究 28
4.2 检测信号的特征提取研究 30
第5章 总结与展望 37
5.1 总结 37
5.2 展望 37
参考文献 38
致 谢 40
第1章 绪论
1.1 选题背景
随着社会发展，信息技术发展势头迅猛，传感器技术、通信技术、计算机技术被称为其三大主要支柱，其中传感器技术作为探测与获取外界信息的重要环节被广泛应用于农业、军事及工业等各个领域。
近些年，传感器在朝着灵敏、适应性强、小巧、小精确，智能化等方向发展。在这一过程中，光纤传感器作为这个家族的新成员倍受人们青睐。
基于相位调制原理的干涉型分布式光纤传感定位技术，因其具有高灵敏度的传感特性而得到广泛的关注与重视。该技术可用于长距离传输线路的安全监控，计算机对传感器输入的探测信号进行处理。
进入光纤传感器的信号一般为非平稳信号，Fourier分析技术自提出以来在信号分析中一直扮演着举足轻重的角色，但它属于全局性变换，得到的是信号的整体频谱,因而无法表述信号的时频局部特性,而这种特性正是非平稳信号最根本和最关键的性质。
EMD（经验模态分解）方法是由美国NASA的黄锷博士提出的一种信号分析方法，是依据信号的局部时变特征进行的自适应分解,将信号分解为若干个IMF分量和一个残余量之和,克服了传统方法中利用无意义的谐波分量来表示非平稳、非线性信号的缺陷,因此更适合处理非平稳信号。
基于以上背景，作者产生了这样的思路，当获得振动源经过光纤传感器相位的调制解调后的信号后，我们还可以对这些信号进行EMD分解，对分解后的主要的本征模函数进行分析，从而得出该振动源经光纤传感后的特点，多次采用不同的振动源实验分析，归纳各自特点，进行比较，从而能够看到这些特征向量便可辨别出该振动源的性质。
1.2 光纤传感技术发展历程
伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而出现的光纤传感器,由于光纤传感器是以光波为载体，以光纤为介质的新型传感器，所以具有一系列独特的优点。首先，其传感灵敏度要比传统传感器高许多倍。能在蚀性等很多特殊环境下正常工作。最后，其可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。
自上世纪70年代美国开始研究光纤传感器以来，光纤传感器的品种已有近百种之多，同时还有相当数量的光纤传感器正在研制当中。近年来，光纤传感器作为一种新兴的应用技术，在许多领域都已显示出强大的生命力，并得到大力发展。由于光纤不仅可作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移等）的作用而直接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感器组件来探测各种待测量。
1976年，Barnoskim和Jensen提出基于瑞利散射的光时域反射技术(OTDR)，在八十年代初得到了广泛的发展，实现了对目标信号的空间定位。然而该技术灵敏度较低、测量精度低，传感距离较短，限制了其在实际传感应用中的推广。拉曼散射与光时域反射技术结合用于分布式温度传感是目前相对较为成熟的分布式传感技术，系统测温误差在℃内，空间分辨力达到lm，但是由于拉曼散射工作波段衰减大，可传感距离短以及对应变不敏感的特点，使其应用范围受到限制。日本NTT的Horiguchi提出采用受激布里渊实现分布式温度应变传感。由于在温度、应变测量上所能达到的测量精度、传感长度和空间分辨率较高，得到广泛的关注与研究。美国MicronOPticS公司最新研制的光纤布里渊分析仪实现分布式光纤温度/应变监测，温度精度达1℃，应变精度达0.002%，空间分辨率达lm，测量范围可达30km。但是，受限于测量低功率短光脉冲反向传输时间的计时要求（大多数基于时域反射计，即OTDR技术），多数技术只能进行静态或参数变化很少的监控，系统应用范围狭窄，缺乏实用性。而对于干线安全监测系统来说，必须获得实时的、半静态或动态的监测信息及其发生位置，特别是OTDR技术无法检测的瞬间事件。
同时，干涉型分布式光纤传感系统的研究也在迅速展开，特别是在管道、隧道、围栏等应力检测、破坏性行为监测方向得到广泛关注。为了从携带相位信息的干涉结果中提取信号作用的位置，目前的干涉型分布式传感系统多采用复合干涉结构。南非Spammer等于1997年提出了Sagnac/Michelson干涉型分布式光纤传感系统、1997年南非chtcherbakov等采用的Sagnac/Mach-Zehnder干涉型分布式光纤传感系统以及英国Russell等于1999年采用的双波长Sagnac干涉型分布式光纤传感系统均利用两路干涉结果解调相位在时域上的比值实现定位。采用这种时域相位比值的定位方法对绝对相位的解调准确性要求较高，难以消除沿线叠加的相位干扰引起的定位偏差。2004年美国Hoffman等采用的Sagnac干涉型光纤分布式传感系统以及2007年复旦大学采用的Fox-smith干涉型光纤分布式传感系统均根据信号频谱变换的陷波点实现对宽频信号定位。受原理上的限制，这种定位方法依赖于外界信号的频率特性，仅适用于特定信号的定位，因此实际使用也受到一定的限制。2007年重庆大学采用双向Mach-Zehnder干涉型光纤分布式传感系统，利用双向干涉结果的相对相位，通过互相关的方法获得时延差进行定位。但是研究表明直接采用MZI进行分布式双向定位，特别是在长距离应用中，由于使用激光器光源产生了大量噪声引起的相位扰动会使信号湮没，相关性大大减弱。
1.3 本文主要研究内容及意义
通过短时傅里叶变换(STFT),可对采集到的信号进行时频分析。小波分析作为信号处理的一种工具,在复合材料损伤监测领域也得到了广泛运用,利用小波变换可以提取到损伤识别中所需要的特征因子,或者直接提取对识别损伤有用的信息。
虽然利用信号处理的方法在实际应用有着不错的效果,但也存在不少问题,短时傅里叶变换在分析时变的非平稳信号时,难以选取时间窗函数,并且分辨率固定。小波分析需要选取固定的基函数,一旦选定,在整个分析过程中都无法更换,不能根据信号的变化特点重新选择,这就导致了小波分析缺乏很好的自适应性,并且在变换的过程中,还存在能量泄漏的问题。
EMD方法依据信号的局部时变特征进行的自适应分解,将信号分解为若干个IMF分量和一个残余量之和,克服了传统方法中利用无意义的谐波分量来表示非平稳、非线性信号的缺陷,因此更适合处理非平稳信号。
故本文主要研究采用EMD分解技术对光纤振动信号的特征提取。
本文主要安排内容如下：
第一章主要论述了该课题产生的背景及研究该课题的意义，以及目前与该课题相关的研究光纤传感技术的状况。
第二章论述了分布式传感振动技术及其改进的干涉型传感振动技术的特征，并重点介绍了Sagnac光纤干涉仪传感原理。
第三章主要是EMD算法的研究，也是本文的重点。
首先给大家介绍了非平稳信号的概念，而一般的傅里叶变换是针对平稳信号的，但实际振动信号产生的都是非平稳信号，EMD分解方法适用于所有信号，这也就阐明了本文研究的意义，获得更加确切的信号数据特征。
之后介绍了EMD分解里涉及到的本征模函数，时间特征尺度，瞬时频率等基本概念，以便更加深刻理解EMD分解的原理。
最后，阐述了EMD分解的具体步骤及流程图。
第四章是实验部分，首先输入仿真信号，进行EMD分解将得到的数据图形与小波分解进行比较，在验证程序的正确性的同时，表现出EMD分解的优越性。
接下来是将实际测得的几组振动信号数据带进去进行EMD分解，并输出得到的各个固有模态函数的频谱图，同时绘出各个固有模态函数对输入信号的能量贡献的特征向量的直方图，从而进行对比分析，归纳总结出不同振动源振动信号的特征。
第五章，总结与展望，做本次研究的总结，并对该技术的运用发展前景进行展望。
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