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基于软件解调方法的干涉型光纤传感器信号处理研究
作 者: 陈菽莹
导 师: 李新碗
学 校: 上海交通大学
专 业: 电磁场与微波技术
关键词: 干涉型光纤磁场传感器 信号检测 最小可探测相位 系统噪声 自适应谱线增强器 软件解调 灵敏度
分类号: TP212.14
类 型: 硕士论文
年 份: 2007年
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内容摘要
干涉型光纤磁场传感器涉及光电子学、材料学、信号处理、加工工艺等多个学科领域。由于干涉型光纤磁场传感器具有灵敏度高、动态范围大、抗干扰能力强、成本低等优点,有广泛的应用前景和发展潜力,是当今磁场传感器技术研究领域的一个热门方向。干涉型光纤微弱磁场传感探头的灵敏度很高,因此对信号处理模块提出了相应的要求。一个设计良好的信号处理模块应该能很好地还原传感器探头所探测到的信号,并较少地引入噪声。而通常采用的硬件信号检测方法具有不灵活和局限性,特别是额外的引入了电噪声,所以本文考虑用软件的手段进行信号检测。由于系统噪声对传感器输出光信号会产生相位漂移,所以如何抑制系统噪声是信号检测的关键所在。干涉型光纤磁场传感器的系统噪声包括外界环境引入噪声和光源噪声、光纤热噪声、散弹噪声以及光电探测器噪声等本底噪声。本文详细分析和评估了这些噪声的来源及对输出信号相位影响的机理。其中,光纤热噪声、散射噪声是传感系统中对灵敏度(即最小可测相位)影响最大的起伏噪声,为此,本文提出了基于自适应谱线增强技术的滤波方案,对干涉型磁场传感探头现场获得的差分输出信号进行采样,将采样数据通过自适应谱线增强器滤波,利用波形中的三个相位点确定直流、基波、二次谐波分量等参数,实现被测磁场信号的软件解调。由于自适应谱线增强技术是一个通过时间延迟和多次迭代实现噪声滤除的方法,可以有效滤除光纤热噪声和散弹噪声等系统宽带白噪声。同时,在频域上,它是一个带宽可调的窄带滤波,可以动态跟踪光纤传感器谐振工作点,克服了硬件实现中带通滤波器中心频率受限的弱点。实验表明,自适应谱线增强器模块对系统本底噪声有很好的抑制作用,与未采用该模块相比,减少了13dB。同时,我们发现,解调线性度优于未经过滤波模块的结果,使光纤传感器灵敏度达到5.22×10 ?3mV nT。信号处理软件化的方法不仅设计参数灵活易调节,而且能抑制系统噪声的影响。本文结合传感网络的趋势,提出将基于软件解调方法的干涉型光纤传感器信号处理系统虚拟仪器化的思想,结合计算机的高性能处理能力,即可将信号处理系统处于远距离的监控中心进行实时测量,此为今后课题研究方向的一个参考。
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全文目录
摘要 3-5 Abstract 5-12 第一章 绪论 12-19 1.1 干涉型光纤磁场传感器 12-17 1.1.1 磁场传感器概述 12-13 1.1.2 干涉型光纤磁场传感器研究现状 13-15 1.1.3 光纤磁场传感器干涉仪结构原理 15-17 1.2 干涉型光纤磁场传感器发展的主要问题 17 1.3 本文的主要工作 17-19 1.3.1 课题研究的目的和意义 17-18 1.3.2 本文主要内容 18-19 第二章 干涉型MICHELSON 微弱磁场传感器信号处理软件解调方案 19-34 2.1 偏振无关干涉仪硬件信号检测方法 19-25 2.1.1 相位产生载波(PGC)零差检测法 21-23 2.1.2 闭环控制工作点法 23-25 2.2 软件信号检测方案 25-29 2.2.1 信号检测软件化的优势 25-26 2.2.2 软件解调原理 26-29 2.3 算法编程实现 29-30 2.4 软件解调实验及结果 30-32 2.5 本章小结 32-34 第三章 影响软件信号处理的系统噪声因素分析 34-44 3.1 干涉型光纤磁场传感器系统噪声来源及特性 34-35 3.2 抑制系统噪声的方法 35-39 3.2.1 精密反射仪控制臂长差减少光源噪声 36-39 3.2.2 PZT 相位调制弱化瑞利散射噪声 39 3.2.3 提高光源输入功率弱化电噪声 39 3.3 对热噪声和散弹噪声的探讨 39-43 3.3.1 热噪声 40-42 3.3.2 散弹噪声 42-43 3.3.3 影响系统最小可探测相位的主要因素 43 3.4 本章小结 43-44 第四章 基于自适应谱线增强器的降噪研究 44-56 4.1 噪声滤除手段 44-45 4.2 自适应谱线增强器降噪方案 45-50 4.2.1 自适应谱线增强器原理 45-47 4.2.2 最小均方算法 47-50 4.3 自适应谱线增强器实现及实验结果 50-55 4.3.1 自适应谱线增强器实现 50-52 4.3.2 实验结果 52-55 4.4 本章小结 55-56 第五章 干涉型光纤弱磁传感器信号处理应用程序 56-63 5.1 信号处理应用程序界面设计 56-60 5.1.1 Matlab 下的GUI 开发环境 56-57 5.1.2 信号处理应用程序所能实现的功能 57-58 5.1.3 信号处理应用程序界面 58-60 5.2 信号处理系统虚拟仪器化 60-62 5.2.1 虚拟仪器优点 60-61 5.2.2 虚拟仪器组成及研究工作 61-62 5.3 本章小结 62-63 第六章 总结与展望 63-65 参考文献 65-68 致谢 68-69 攻读硕士学位期间发表或录用学术论文 69-71
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器 > 物理传感器 > 光传感器
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