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

1、在光纖傳感系統(tǒng)中，微弱傳感信號和高頻傳感信號的精確檢測一直是研究的熱點(diǎn)。微弱的光纖傳感信號易受到檢測儀器的本底噪聲或者外界環(huán)境的干擾，經(jīng)常淹沒在噪聲中，此時(shí)無法對微小傳感變量進(jìn)行精確判斷?，F(xiàn)今提高光纖傳感器系統(tǒng)檢測精度的方法大都為對光纖傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或?qū)鞲行盘栠M(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。對傳感信號進(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程比較耗時(shí)，不適合光纖傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求。論文針對差分光譜吸收型的光纖氣體檢測系統(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

3、研究光纖傳感信號和噪聲在頻譜特性、統(tǒng)計(jì)特征等方面的規(guī)律，根據(jù)信號功率譜的特性和幅頻特性對微弱信號和高頻信號進(jìn)行辯識，為檢測和預(yù)測提供了可靠依據(jù)。系統(tǒng)檢測結(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，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，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。具體研究內(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

4、上，提出了吸收光譜頻域標(biāo)定(ASFD)算法。ASFD算法對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技術(shù)需要對光譜進(jìn)行冗繁的波長校準(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偏移對微量氣體檢測帶來的干擾，特別是Window-ASFD算法進(jìn)一步提高了微量氣體檢測的精確度和抗干擾能力，將微量100ppm濃度乙炔氣體檢測的不確定度降低到10.6

5、％，適用于對微量的乙炔氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
　　二、利用頻譜疊加的ASFD算法提高了系統(tǒng)的檢測極限。DOAS技術(shù)的檢測極限主要受到吸收光譜背景噪聲的影響，本文對DOAS檢測系統(tǒng)噪聲的來源以及它們在頻譜上的分布形態(tài)做了深入分析。基于ASFD算法從頻域角度分析吸收光譜，首先去除檢測系統(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)的檢測極限提升了1個(gè)數(shù)量級為50ppm。
　　三、利用平均周期圖法提高光纖

6、Bragg光柵振動(dòng)傳感器的檢測精度。FBG用于微弱振動(dòng)檢測時(shí)，當(dāng)被測振動(dòng)比較微弱時(shí)從時(shí)域采集的數(shù)據(jù)很難直接測得到信號的幅度和頻率信息。本文將傳感器在時(shí)域測量獲得的連續(xù)數(shù)據(jù)分段后，對每段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行快速傅里葉變換獲得其對應(yīng)的功率譜信號，然后將頻域信號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傳感信號在頻域的信噪比提高了15.6 dB，明顯提升了微弱信號的檢測能力。檢測結(jié)果表明該系統(tǒng)對FBG波長變化的檢測

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、被測信號以一定頻率持續(xù)存在的工程應(yīng)用領(lǐng)域，對實(shí)際環(huán)境下微小振動(dòng)的識別與檢測具有較大的意義。
　　四、研究了基于相移光纖Bragg光柵的抗干擾型水聲探測器，采用PS-FBG傳感探頭和高效的頻譜估計(jì)信號處理方法來提高強(qiáng)度調(diào)制型FBG水聲探測器的靈敏度。特別是在考慮噪聲基底的情況下對水下超聲聲場分布強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了校正，使得檢測的不確定度降低到3％以下，提高了水聲探測系統(tǒng)對水下環(huán)

8、境噪聲的適應(yīng)性。這款低成本的FBG水聲探測器具有高靈敏度、在復(fù)雜的水下環(huán)境長期保持穩(wěn)定等優(yōu)勢。
　　五、設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的針對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陣列的波長范圍，可以解調(diào)出超聲波段的高頻應(yīng)變信號。對比現(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陣列的過程