光纤振动传感器信号解调技术研究
光纤振动传感器信号解调技术研究[20191215144128]
摘 要
相位调制型光纤传感技术因为灵敏度高，测量精度高并且连续，因此应用前景广阔。本文针对光纤振动传感器中的信号处理技术，研究了光纤传感信号的调制解调方法，使其变得更为简单和易于实现，适合系统和推广应用。本文具体的工作包含以下几个方面：
(1) 介绍了本课题的选题背景及意义，并在阐明了国内外研究现状和分布式光纤振动传感技术概况的基础上，提出本文的研究内容；
(2) 在研究分布式光纤振动传感系统的组成及光路结构基础上，对系统的调制原理和定位原理做了相应的阐述，并对系统中常用的光器件做了简单说明；
(3) 利用小波去噪的方法对光纤传感振动信号进行去噪处理，基于反正弦解调算法对去噪后的信号进行相位还原，后期再对还原后的信号做加窗处理和越限监测；
通过对系统具体功能的实现和运行效果的分析，本文研究的相位调制型分布式光纤振动传感信号的相位解调算法可利用软件的方法实现，达到了系统要求。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:分布式光纤传感器；相位解调；信号处理；LabVIEW
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2分布式光纤振动传感技术研究现状 2
1.3 论文主要任务及内容安排 6
第2章 分布式光纤振动传感系统结构与原理 8
2.1分布式光纤振动传感系统组成 8
2.2分布式光纤振动传感器原理 8
2.2.1调制原理 9
2.2.2定位原理 11
2.3光纤传感系统中的光器件 12
2.3.1 常用光源 13
2.3.2 光电探测器 15
第3章 分布式光纤振动传感器相位解调 16
3.1相位解调干涉场分布 16
3.2相位解调偏置原理 17
3.3几种常见的解调方法 18
3.3.1零差解调法 18
3.3.2相位生成载波解调法 20
3.3.3反正切函数解调法 21
3.3.4外差解调 22
第4章 相位解调技术研究及实验验证 24
4.1相位解调的信号处理方法 24
4.1.1小波去噪 24
4.1.2相位解调算法 27
4.2相位解调算法验证 29
4.2.1虚拟仪器技术 29
4.2.2实验仿真 30
4.2.3实际信号的相位解调 32
4.3解调后的信号处理 36
4.3.1函数加窗处理 36
4.3.2越限监测 37
第五章 总结与展望 39
5.1全文总结 39
5.2工作展望 40
致 谢 41
参考文献 42
附录 科技文献翻译 44
第1章 绪论
1.1课题研究背景及意义
自上世纪七十年代以来，光导纤维受到了人们的关注和初步应用，后随着光纤的许多优越性，对光纤的开发和利用更是逐步加强，尤其是在计算机通信领域得到了迅速和大范围的推广。在大力增强光纤通讯能力时，人们还发现光纤具有良好的传感特性，进而开发出光导纤维的巨大传感潜力。近年来随着电子信息，半导体工业等电子行业的发展，光电技术和光纤技术已经结下了丰硕的果实，取得了长足的进步，表现了空前巨大的的发展空间。光纤传感器是利用外界扰动对光纤内传输的光参量进行调制，使传输光波的强度、相位、频率或者偏振态等特性发生变化，再通过对被调制的光波信号进行相干检测，从而得出被测量的一种传感器。由于其具有与传统电子传感器相比较的众多优点，如体积小、重量轻、绝缘性能好、耐高温腐蚀、传感速度更快、更敏感，安全可靠、工作频带宽、动态范围大以及良好的抗电磁干扰性能和便于工业安装，因此得到了国内外许多科研机构的重视和研究，并且取得了快速进展，各种原理的分布式光纤传感器被开发研究出来，逐渐从实验研究走向实际应用。
与传统的单点传感技术及准分布式传感技术相比，当前研制推广的全分布式光纤振动传感系统从根本上突破了传统的单点测量限制。由于要获取被测量的空间分布状态，以及随时间变化而变化的动态信息，因此在工业等研究领域发展和推广全分布式光纤振动传感系统成了一项重要的手段。而其中的相位调制型分布式光纤振动传感器由于具有众多优势及特点，比如测量精度较高、响应频带宽、动态范围大、隐蔽性好，因此得到了广泛的应用。这一技术可用于桥梁、大坝、地矿监测，车辆及机械运行监测、火灾报警、管道泄漏报警以及重要区域安防报警。研究分布式光纤传感系统是一个非常有应用前景和实际意义的课题。本课题以前人的研究成果为基础，对于光纤传感系统建立了一种新的算法，并提高了分布式光纤振动传感器的灵敏度和分辨率。希望能够在各个方面体现出分布式光纤传感器的显著优势。
1.2分布式光纤振动传感技术研究现状
自从上世纪 80 年代初提出分布式光纤振动传感技术原理以来，由于其能对被测量进行实时测量，能获得被测量在空间和时间上的连续分布，加之光纤作为传感元件所具有的诸多优点，使其迅速成为光纤传感技术中极其引人注目的一项新技术，分布式光纤传感技术得到了快速的发展和广泛的应用。在全球范围内，分布式光纤振动传感器引起了高度的重视。因此各国都进行开发研究，竞争激烈。国际上把大量人力和物力投入到光纤振动传感器的研制与开发中。其中由于相位调制型振动传感器信号处理技术非常关键。国内外许多研究单位都在对相关信号处理技术做研究工作，并取得了一定的研究成果。
在众多研究光纤传感器的国家中，美国起步最早、水平最高。在许多领域如军事和民用的应用方面，其发展都十分迅速。自1990年以后，市场上就出现了少数的光纤传感器。由于竞争的关系和市场潜力的鼓动，其他各国也都积极开发和研究光纤传感器。比如西欧的一些国家也参与到了光纤传感器的研发中。其中有英国的标准电讯公司，德国的西门子公司等知名企业。日本的多家公司和研究机构也研制出了多种光纤传感器。其中有的都达到了世界领先水平。
在国内，从上个世纪七十年代末就有少数单位进行光纤传感器的研究。至今已有上百个单位在这一领域开展工作，研究工作主要集中在大学和研究所。研究内容覆盖面也较广，包括用于测量应变、振动、电流、电压、磁场、温度、水声、转动等许多物理量的光纤传感器，以及利用光纤传感系统对材料和结构的健康状况进行监测。其中在温度传感器、压力计、流量计、液位计等方面进行了大量的研究，有的在相关领域己达到世界先进水平。与发达国家相比，我国的科研水平的差距不小。其中很多都还处于实验室研究阶段。在市场方面也没有进行批量生产。光纤传感器的市场销售额占我国传感器销售额的比例很小。在商品化、产业化方面，远远满足不了市场需求。
一般地，分布式光纤振动传感技术都有如下特征：
(1) 分布式光纤振动传感系统中的传感元件仅为光纤；
(2) 一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，若将光纤架设成光栅状，还可以测定被测量的二维和三维分布情况；
(3) 系统的空间分辨率一般在米的数量级，因此对被测量在更窄范围内的变化一般只能观测其平均值；
(4) 系统的测量精度与空间分辨率一般存在相互制约关系；
(5) 由于检测到的信号较微弱，信号噪声对信号的提取有较大影响。因此要求信号处理系统具有较高的信噪比；
(6) 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。
光纤传感器一般由以下几部分组成。光源、入射出射光纤、光探测器、光调制器及解调器。光纤传感技术以传输光为载体，光纤作为传感元件，以实现探测和传输外界信号的传感技术。其基本原理是根据外界信号的变化规律，使得光纤中光波的特征参量发生变化。其中物理特征参量可以是光强度、频率、相位、偏振态等。光纤传感实际包括调制（Modulation）和解调（Demodulation）两方面的技术。调制是指用外界振动信号（待测量）来调制光纤中的光波参量。解调是指从已被调制的光波中提取出外界振动信号（待测量）。
光纤传感器一般有三种分类方法。（1）按光纤与光的作用机理，可分为传感型（功能型）和传光型（非功能型）。在传光型光纤传感器中，光纤只作为光的传输媒质。对被测信号的感应则通过另外的敏感元件来完成。在这类传感器中，出射光纤和入射光纤并不连续。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用，将信号的“感”和“传”?合而为一。因此这类传感器中的光纤是连续的。（2）按光纤内传输的模式数量，可分为单模传感器和多模传感器。单模传感器的纤芯很细，并且不存在模式色散，因此在很大程度上能对信号进行保真。多模传感器与单模传感器相比尽管能传输更多的光，但由于其存在模式色散，因此信号失真比较严重。（3）按信号在光纤中被调制方式的不同，光纤传感器又可被分为强度调制型、相位调制型、波长调制型、频率调制型和偏振态调制型。其中强度调制型和相位调制型的研究最多，应用也最广泛。本文中提出的系统即属于相位调制型光纤传感器范畴。因此下面就相位调制型加以重点介绍。
相位调制型光纤传感器的基本传感机理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强度变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光波相位可表示为 。其中 为光在真空中的波数。 为光在传播路径上的折射率。 为光在传播路径上的长度。应力、应变等物理量都能使上述三个参数发生变化。从而使光波的相位发生变化，实现调制。光波的相位也可以由Sagnac效应来决定。由于目前所用的各类光电探测器都不能直接感知光波的相位变化，所以必须采取干涉测量技术。干涉测量技术可以使相位变化转换成强度变化。于是进一步实现对外界物理量的检测。
由外界因素所引起的光纤中光波的相位变化，一般都是由干涉仪来检测。光纤干涉仪是干涉型光纤传感器的核心，它的主要原理是：光源发出的光通常被分为两束或多束，沿着不同的路径传播之后，分开的光束会再次会和，并达到同一探测器。设两束相干光的光强分别为I1和I2。当其中一束光的光波相位受到外界因素的影响，两束光在干涉仪中就会发生干涉。干涉场中的光强可表示为
（1. 1）
式中， 是由于外界因素（或被测量）造成的两束相干光之间的相位差。由式（1.1）可见， 的改变将直接改变干涉光强。反过来，如果检测到干涉仪光强的变化，就可以确定两束光之间的相位变化。从而得出由外界因素所影响的物理量的大小。目前，常用的光纤干涉仪主要有4种。迈克尔逊（Michelson）干涉仪、马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪、萨格纳克（Sagnac）干涉仪和法布里-柏罗（Fabry-Perot）干涉仪。下面依次介绍这4种干涉仪。
（1）迈克尔逊（Michelson）干涉仪的干涉原理如图1.1所示，其中L为光源，C为3×3耦合器，PD为光电探测器，Ml、M2均为反射镜，它们所在的光路分别称为信号臂(SM)和参考臂(RM)。从光源L发出的激光经3×3耦合器，分成了信号光和参考光。信号光经M1反射，参考光经M2反射。当信号臂光纤受到外界扰动信号的作用时，传输的光相位发生变化。但由于参考光并未受到外界环境的扰动，因此其光的相位保持不变。因而在信号光和参考光之间产生了一定的相位差。经相关探测器探测和信号处理后即可解调出该相位差。两束反射光发生干涉，干涉光经光电探测器后生成光电流经光电探测器接收到的光强为：
摘 要
相位调制型光纤传感技术因为灵敏度高，测量精度高并且连续，因此应用前景广阔。本文针对光纤振动传感器中的信号处理技术，研究了光纤传感信号的调制解调方法，使其变得更为简单和易于实现，适合系统和推广应用。本文具体的工作包含以下几个方面：
(1) 介绍了本课题的选题背景及意义，并在阐明了国内外研究现状和分布式光纤振动传感技术概况的基础上，提出本文的研究内容；
(2) 在研究分布式光纤振动传感系统的组成及光路结构基础上，对系统的调制原理和定位原理做了相应的阐述，并对系统中常用的光器件做了简单说明；
(3) 利用小波去噪的方法对光纤传感振动信号进行去噪处理，基于反正弦解调算法对去噪后的信号进行相位还原，后期再对还原后的信号做加窗处理和越限监测；
通过对系统具体功能的实现和运行效果的分析，本文研究的相位调制型分布式光纤振动传感信号的相位解调算法可利用软件的方法实现，达到了系统要求。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:分布式光纤传感器；相位解调；信号处理；LabVIEW
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2分布式光纤振动传感技术研究现状 2
1.3 论文主要任务及内容安排 6
第2章 分布式光纤振动传感系统结构与原理 8
2.1分布式光纤振动传感系统组成 8
2.2分布式光纤振动传感器原理 8
2.2.1调制原理 9
2.2.2定位原理 11
2.3光纤传感系统中的光器件 12
2.3.1 常用光源 13
2.3.2 光电探测器 15
第3章 分布式光纤振动传感器相位解调 16
3.1相位解调干涉场分布 16
3.2相位解调偏置原理 17
3.3几种常见的解调方法 18
3.3.1零差解调法 18
3.3.2相位生成载波解调法 20
3.3.3反正切函数解调法 21
3.3.4外差解调 22
第4章 相位解调技术研究及实验验证 24
4.1相位解调的信号处理方法 24
4.1.1小波去噪 24
4.1.2相位解调算法 27
4.2相位解调算法验证 29
4.2.1虚拟仪器技术 29
4.2.2实验仿真 30
4.2.3实际信号的相位解调 32
4.3解调后的信号处理 36
4.3.1函数加窗处理 36
4.3.2越限监测 37
第五章 总结与展望 39
5.1全文总结 39
5.2工作展望 40
致 谢 41
参考文献 42
附录 科技文献翻译 44
第1章 绪论
1.1课题研究背景及意义
自上世纪七十年代以来，光导纤维受到了人们的关注和初步应用，后随着光纤的许多优越性，对光纤的开发和利用更是逐步加强，尤其是在计算机通信领域得到了迅速和大范围的推广。在大力增强光纤通讯能力时，人们还发现光纤具有良好的传感特性，进而开发出光导纤维的巨大传感潜力。近年来随着电子信息，半导体工业等电子行业的发展，光电技术和光纤技术已经结下了丰硕的果实，取得了长足的进步，表现了空前巨大的的发展空间。光纤传感器是利用外界扰动对光纤内传输的光参量进行调制，使传输光波的强度、相位、频率或者偏振态等特性发生变化，再通过对被调制的光波信号进行相干检测，从而得出被测量的一种传感器。由于其具有与传统电子传感器相比较的众多优点，如体积小、重量轻、绝缘性能好、耐高温腐蚀、传感速度更快、更敏感，安全可靠、工作频带宽、动态范围大以及良好的抗电磁干扰性能和便于工业安装，因此得到了国内外许多科研机构的重视和研究，并且取得了快速进展，各种原理的分布式光纤传感器被开发研究出来，逐渐从实验研究走向实际应用。
与传统的单点传感技术及准分布式传感技术相比，当前研制推广的全分布式光纤振动传感系统从根本上突破了传统的单点测量限制。由于要获取被测量的空间分布状态，以及随时间变化而变化的动态信息，因此在工业等研究领域发展和推广全分布式光纤振动传感系统成了一项重要的手段。而其中的相位调制型分布式光纤振动传感器由于具有众多优势及特点，比如测量精度较高、响应频带宽、动态范围大、隐蔽性好，因此得到了广泛的应用。这一技术可用于桥梁、大坝、地矿监测，车辆及机械运行监测、火灾报警、管道泄漏报警以及重要区域安防报警。研究分布式光纤传感系统是一个非常有应用前景和实际意义的课题。本课题以前人的研究成果为基础，对于光纤传感系统建立了一种新的算法，并提高了分布式光纤振动传感器的灵敏度和分辨率。希望能够在各个方面体现出分布式光纤传感器的显著优势。
1.2分布式光纤振动传感技术研究现状
自从上世纪 80 年代初提出分布式光纤振动传感技术原理以来，由于其能对被测量进行实时测量，能获得被测量在空间和时间上的连续分布，加之光纤作为传感元件所具有的诸多优点，使其迅速成为光纤传感技术中极其引人注目的一项新技术，分布式光纤传感技术得到了快速的发展和广泛的应用。在全球范围内，分布式光纤振动传感器引起了高度的重视。因此各国都进行开发研究，竞争激烈。国际上把大量人力和物力投入到光纤振动传感器的研制与开发中。其中由于相位调制型振动传感器信号处理技术非常关键。国内外许多研究单位都在对相关信号处理技术做研究工作，并取得了一定的研究成果。
在众多研究光纤传感器的国家中，美国起步最早、水平最高。在许多领域如军事和民用的应用方面，其发展都十分迅速。自1990年以后，市场上就出现了少数的光纤传感器。由于竞争的关系和市场潜力的鼓动，其他各国也都积极开发和研究光纤传感器。比如西欧的一些国家也参与到了光纤传感器的研发中。其中有英国的标准电讯公司，德国的西门子公司等知名企业。日本的多家公司和研究机构也研制出了多种光纤传感器。其中有的都达到了世界领先水平。
在国内，从上个世纪七十年代末就有少数单位进行光纤传感器的研究。至今已有上百个单位在这一领域开展工作，研究工作主要集中在大学和研究所。研究内容覆盖面也较广，包括用于测量应变、振动、电流、电压、磁场、温度、水声、转动等许多物理量的光纤传感器，以及利用光纤传感系统对材料和结构的健康状况进行监测。其中在温度传感器、压力计、流量计、液位计等方面进行了大量的研究，有的在相关领域己达到世界先进水平。与发达国家相比，我国的科研水平的差距不小。其中很多都还处于实验室研究阶段。在市场方面也没有进行批量生产。光纤传感器的市场销售额占我国传感器销售额的比例很小。在商品化、产业化方面，远远满足不了市场需求。
一般地，分布式光纤振动传感技术都有如下特征：
(1) 分布式光纤振动传感系统中的传感元件仅为光纤；
(2) 一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，若将光纤架设成光栅状，还可以测定被测量的二维和三维分布情况；
(3) 系统的空间分辨率一般在米的数量级，因此对被测量在更窄范围内的变化一般只能观测其平均值；
(4) 系统的测量精度与空间分辨率一般存在相互制约关系；
(5) 由于检测到的信号较微弱，信号噪声对信号的提取有较大影响。因此要求信号处理系统具有较高的信噪比；
(6) 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。
光纤传感器一般由以下几部分组成。光源、入射出射光纤、光探测器、光调制器及解调器。光纤传感技术以传输光为载体，光纤作为传感元件，以实现探测和传输外界信号的传感技术。其基本原理是根据外界信号的变化规律，使得光纤中光波的特征参量发生变化。其中物理特征参量可以是光强度、频率、相位、偏振态等。光纤传感实际包括调制（Modulation）和解调（Demodulation）两方面的技术。调制是指用外界振动信号（待测量）来调制光纤中的光波参量。解调是指从已被调制的光波中提取出外界振动信号（待测量）。
光纤传感器一般有三种分类方法。（1）按光纤与光的作用机理，可分为传感型（功能型）和传光型（非功能型）。在传光型光纤传感器中，光纤只作为光的传输媒质。对被测信号的感应则通过另外的敏感元件来完成。在这类传感器中，出射光纤和入射光纤并不连续。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用，将信号的“感”和“传”?合而为一。因此这类传感器中的光纤是连续的。（2）按光纤内传输的模式数量，可分为单模传感器和多模传感器。单模传感器的纤芯很细，并且不存在模式色散，因此在很大程度上能对信号进行保真。多模传感器与单模传感器相比尽管能传输更多的光，但由于其存在模式色散，因此信号失真比较严重。（3）按信号在光纤中被调制方式的不同，光纤传感器又可被分为强度调制型、相位调制型、波长调制型、频率调制型和偏振态调制型。其中强度调制型和相位调制型的研究最多，应用也最广泛。本文中提出的系统即属于相位调制型光纤传感器范畴。因此下面就相位调制型加以重点介绍。
相位调制型光纤传感器的基本传感机理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强度变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光波相位可表示为 。其中 为光在真空中的波数。 为光在传播路径上的折射率。 为光在传播路径上的长度。应力、应变等物理量都能使上述三个参数发生变化。从而使光波的相位发生变化，实现调制。光波的相位也可以由Sagnac效应来决定。由于目前所用的各类光电探测器都不能直接感知光波的相位变化，所以必须采取干涉测量技术。干涉测量技术可以使相位变化转换成强度变化。于是进一步实现对外界物理量的检测。
由外界因素所引起的光纤中光波的相位变化，一般都是由干涉仪来检测。光纤干涉仪是干涉型光纤传感器的核心，它的主要原理是：光源发出的光通常被分为两束或多束，沿着不同的路径传播之后，分开的光束会再次会和，并达到同一探测器。设两束相干光的光强分别为I1和I2。当其中一束光的光波相位受到外界因素的影响，两束光在干涉仪中就会发生干涉。干涉场中的光强可表示为
（1. 1）
式中， 是由于外界因素（或被测量）造成的两束相干光之间的相位差。由式（1.1）可见， 的改变将直接改变干涉光强。反过来，如果检测到干涉仪光强的变化，就可以确定两束光之间的相位变化。从而得出由外界因素所影响的物理量的大小。目前，常用的光纤干涉仪主要有4种。迈克尔逊（Michelson）干涉仪、马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪、萨格纳克（Sagnac）干涉仪和法布里-柏罗（Fabry-Perot）干涉仪。下面依次介绍这4种干涉仪。
（1）迈克尔逊（Michelson）干涉仪的干涉原理如图1.1所示，其中L为光源，C为3×3耦合器，PD为光电探测器，Ml、M2均为反射镜，它们所在的光路分别称为信号臂(SM)和参考臂(RM)。从光源L发出的激光经3×3耦合器，分成了信号光和参考光。信号光经M1反射，参考光经M2反射。当信号臂光纤受到外界扰动信号的作用时，传输的光相位发生变化。但由于参考光并未受到外界环境的扰动，因此其光的相位保持不变。因而在信号光和参考光之间产生了一定的相位差。经相关探测器探测和信号处理后即可解调出该相位差。两束反射光发生干涉，干涉光经光电探测器后生成光电流经光电探测器接收到的光强为：
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