頻譜分析技術(shù)在光纖微弱及高頻傳感信號(hào)檢測(cè)中應(yīng)用的研究.pdf

1、在光纖傳感系統(tǒng)中，微弱傳感信號(hào)和高頻傳感信號(hào)的精確檢測(cè)一直是研究的熱點(diǎn)。微弱的光纖傳感信號(hào)易受到檢測(cè)儀器的本底噪聲或者外界環(huán)境的干擾，經(jīng)常淹沒(méi)在噪聲中，此時(shí)無(wú)法對(duì)微小傳感變量進(jìn)行精確判斷。現(xiàn)今提高光纖傳感器系統(tǒng)檢測(cè)精度的方法大都為對(duì)光纖傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或?qū)鞲行盘?hào)進(jìn)行時(shí)域的降噪處理。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面可以采用低噪聲高放大倍數(shù)的光電轉(zhuǎn)換電路或在解調(diào)系統(tǒng)中引入干涉儀等，但這些方式都會(huì)增加的傳感系統(tǒng)的成本及復(fù)雜度，特別是干涉儀的引用還會(huì)降低系

2、統(tǒng)的抗干擾性。對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行降噪處理如采用小波變換，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)檢測(cè)等算法提升系統(tǒng)傳感精度的范圍有限，而且算法繁瑣降噪過(guò)程比較耗時(shí)，不適合光纖傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。論文針對(duì)差分光譜吸收型的光纖氣體檢測(cè)系統(tǒng)、基于FBG的高精度振動(dòng)傳感系統(tǒng)、基于相移光纖Bragg光柵(PS-FBG)的抗干擾型水下超聲檢測(cè)系統(tǒng)和FBG陣列的高頻應(yīng)變解調(diào)系統(tǒng)等四個(gè)光纖傳感系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，運(yùn)用頻譜分析技術(shù)提高了光纖傳感系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。本文通過(guò)

3、研究光纖傳感信號(hào)和噪聲在頻譜特性、統(tǒng)計(jì)特征等方面的規(guī)律，根據(jù)信號(hào)功率譜的特性和幅頻特性對(duì)微弱信號(hào)和高頻信號(hào)進(jìn)行辯識(shí)，為檢測(cè)和預(yù)測(cè)提供了可靠依據(jù)。系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果顯示應(yīng)用頻譜分析技術(shù)的將光譜吸收型氣體傳感系統(tǒng)的精度提升了1個(gè)數(shù)量級(jí)，將光纖Bragg光柵振動(dòng)傳感器的精度提升了2個(gè)數(shù)量級(jí)，特別是頻譜分析中的噪聲基底修正算法大大提升了光纖傳感系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。具體研究?jī)?nèi)容分為以下幾個(gè)方面:
　　一、將頻譜分析技術(shù)運(yùn)用在氣體吸收光譜的檢測(cè)

4、上，提出了吸收光譜頻域標(biāo)定(ASFD)算法。ASFD算法對(duì)乙炔氣體吸收光譜進(jìn)行傅里葉變換后，在頻域采用氣體吸收特征分量的幅值來(lái)標(biāo)定氣體濃度。基于差分吸收光譜型(DOAS)原理的光纖氣體檢測(cè)技術(shù)需要對(duì)光譜進(jìn)行冗繁的波長(zhǎng)校準(zhǔn)和降噪的預(yù)處理。ASFD算法克服了由光譜背景噪聲和波長(zhǎng)偏移對(duì)微量氣體檢測(cè)帶來(lái)的干擾，特別是Window-ASFD算法進(jìn)一步提高了微量氣體檢測(cè)的精確度和抗干擾能力，將微量100ppm濃度乙炔氣體檢測(cè)的不確定度降低到10.6

5、％，適用于對(duì)微量的乙炔氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
　　二、利用頻譜疊加的ASFD算法提高了系統(tǒng)的檢測(cè)極限。DOAS技術(shù)的檢測(cè)極限主要受到吸收光譜背景噪聲的影響，本文對(duì)DOAS檢測(cè)系統(tǒng)噪聲的來(lái)源以及它們?cè)陬l譜上的分布形態(tài)做了深入分析?；贏SFD算法從頻域角度分析吸收光譜，首先去除檢測(cè)系統(tǒng)中的有色噪聲，然后配合頻域疊加的處理可以降低系統(tǒng)白噪聲的影響。該算法將系統(tǒng)的檢測(cè)極限提升了1個(gè)數(shù)量級(jí)為50ppm。
　　三、利用平均周期圖法提高光纖

6、Bragg光柵振動(dòng)傳感器的檢測(cè)精度。FBG用于微弱振動(dòng)檢測(cè)時(shí)，當(dāng)被測(cè)振動(dòng)比較微弱時(shí)從時(shí)域采集的數(shù)據(jù)很難直接測(cè)得到信號(hào)的幅度和頻率信息。本文將傳感器在時(shí)域測(cè)量獲得的連續(xù)數(shù)據(jù)分段后，對(duì)每段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行快速傅里葉變換獲得其對(duì)應(yīng)的功率譜信號(hào)，然后將頻域信號(hào)做疊加平均得到新的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種頻域疊加平均的方法處理后，F(xiàn)BG傳感信號(hào)在頻域的信噪比提高了15.6 dB，明顯提升了微弱信號(hào)的檢測(cè)能力。檢測(cè)結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)FBG波長(zhǎng)變化的檢測(cè)

7、靈敏度可提高到1.5fm。平均周期圖法特別適合噪聲環(huán)境惡劣、被測(cè)信號(hào)以一定頻率持續(xù)存在的工程應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)實(shí)際環(huán)境下微小振動(dòng)的識(shí)別與檢測(cè)具有較大的意義。
　　四、研究了基于相移光纖Bragg光柵的抗干擾型水聲探測(cè)器，采用PS-FBG傳感探頭和高效的頻譜估計(jì)信號(hào)處理方法來(lái)提高強(qiáng)度調(diào)制型FBG水聲探測(cè)器的靈敏度。特別是在考慮噪聲基底的情況下對(duì)水下超聲聲場(chǎng)分布強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了校正，使得檢測(cè)的不確定度降低到3％以下，提高了水聲探測(cè)系統(tǒng)對(duì)水下環(huán)

8、境噪聲的適應(yīng)性。這款低成本的FBG水聲探測(cè)器具有高靈敏度、在復(fù)雜的水下環(huán)境長(zhǎng)期保持穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。
　　五、設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的針對(duì)FBG陣列高頻應(yīng)變的解調(diào)方案?？烧{(diào)諧法布里-珀羅濾波器作為多路復(fù)用解調(diào)器，低頻勻速掃描FBG陣列的波長(zhǎng)范圍，可以解調(diào)出超聲波段的高頻應(yīng)變信號(hào)。對(duì)比現(xiàn)有的基于可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的解調(diào)FBG陣列技術(shù)所需的復(fù)雜解調(diào)結(jié)構(gòu)和繁冗解調(diào)算法，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要配合溫控系統(tǒng)或者精密驅(qū)動(dòng)裝置。由于解調(diào)FBG陣列的過(guò)程