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大容量光纤光栅传感解调及定位方法研究

大容量光纤光栅传感解调及定位方法研究

作者：路天麒长春工业大学

学位级别：硕士

当今社会,光纤技术已经应用在人们生活中的各个方面。光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg Grating,FBG)具有体积小、响应速度快、抗电磁场强、易组网复用等优势,在土木建造、工业工程、航空航天等领域都得到了广泛的应用。本课题面对大... 详细信息

当今社会,光纤技术已经应用在人们生活中的各个方面。光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg Grating,FBG)具有体积小、响应速度快、抗电磁场强、易组网复用等优势,在土木建造、工业工程、航空航天等领域都得到了广泛的应用。本课题面对大型工程的需求,对大容量光纤光栅传感系统解调及定位方法进行了研究。本文对光纤光栅传感基础理论、传感特性和复用技术进行介绍,通过以上三个方面作为理论基础,对当前光纤传感经典解调技术进行了对比与分析。根据实际工程需求及光纤光栅传感特性,确定了一种相移脉冲的解调方案。本文研究的主要内容包括:(1)针对大容量FBG传感系统串扰严重问题,通过对外部噪声和内部串扰两个方面展开研究:首先提出了一种改进模态分解结合阈值的信号去噪方法抑制外部噪声;其次采用一种基于逐层补偿的时分复用技术抑制内部串扰。分析结果表明以上两种方法可以减少外界因素对光谱的影响,提高光谱解调的精确度。(2)针对传统高斯拟合算法受光谱类型影响严重的缺陷,光谱的波长定位采用一种希尔伯特变换结合高斯拟合的寻峰算法,该方法在处理不对称光谱和多峰光谱都能够保证良好的测量精度。FBG寻址技术是一种基于时延的空间定位方法,能够在1s内扫描数千个光纤光栅传感器。(3)设计并搭建了光纤传感解调系统的实验平台,针对实际工程对定位监测的需求,以光纤传感、信号解调、数据处理三个核心部分为基础,在不同冲击板材质和不同冲击荷载的初始条件下做了4组定位监测实验。实验结果表明,理想情况下系统平均定位误差在3cm以内,达到了预期效果。

关键词：光纤布拉格光栅解调技术模态分解阈值去噪波长定位

数字化相位载波解调方案在光纤水听器系统中的实现

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应用声学 2004年第6期23卷 5-11页

作者：倪明熊水东孟洲张仁和中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100080 国防科技大学光电科学与工程学院长沙410073

本文分析了干涉型光纤水听器内调制相位载波(PGC)调制解调的原理,提出了PGC调制解调的全数字化方案,通过计算机仿真,并在光纤水听器系统中实现了PGC的数字化解调。实验室光纤水听器与标准水听器对比测试以及实际海况试验都证明,数字化PG... 详细信息

本文分析了干涉型光纤水听器内调制相位载波(PGC)调制解调的原理,提出了PGC调制解调的全数字化方案,通过计算机仿真,并在光纤水听器系统中实现了PGC的数字化解调。实验室光纤水听器与标准水听器对比测试以及实际海况试验都证明,数字化PGC解调技术在光纤水听器系统的实现对水声信号的检测是有效的。

关键词：调制解调相位载波解调技术干涉型光纤水听器数字化对比测试计算机仿真 PGC 系统方案

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利用单正弦频率估计的方法解调FSK信号

北京邮电大学学报 1995年第4期18卷 1-8页

作者：吴文礼田宝玉北京邮电大学信息工程系天津大学电子工程系

提出了用单正弦信号频率估计器对移频键控（ＦＳＫ）倍号进行解调的方法，研究了频率估计器的算法和门限特性，描述了ＦＳＫ解调器在定时信息已知和未知情况下的工作原理并计算了在前种情况下的误码率。计算机模拟和实用结果表明，在信... 详细信息

提出了用单正弦信号频率估计器对移频键控（ＦＳＫ）倍号进行解调的方法，研究了频率估计器的算法和门限特性，描述了ＦＳＫ解调器在定时信息已知和未知情况下的工作原理并计算了在前种情况下的误码率。计算机模拟和实用结果表明，在信噪比较高的条件下，解调移频宽度过小、频率抖动大或频率不确知的ＦＳＫ信号，该方法优于其它常规方法。

关键词：移频键控解调技术频率估计器

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一种齿轮箱信号分析与故障诊断系统

重庆大学学报（自然科学版） 1999年第4期22卷 45-48页

作者：王文利黄世琦谢志江李红宇西安电子科技大学陕西西安710071 重庆大学机械工程学院重庆400044 重庆钢铁(集团)公司重庆400081

介绍了一种齿轮箱信号分析与故障诊断系统，该系统以“三谱二时域”综合诊断法为理论基础，并将共振解调技术应用于齿轮箱故障诊断中。讨论了该系统的原理、硬件结构和软件系统，并运用该系统对一齿轮断齿故障进行了诊断，结果表明该系... 详细信息

介绍了一种齿轮箱信号分析与故障诊断系统，该系统以“三谱二时域”综合诊断法为理论基础，并将共振解调技术应用于齿轮箱故障诊断中。讨论了该系统的原理、硬件结构和软件系统，并运用该系统对一齿轮断齿故障进行了诊断，结果表明该系统是有效的。

关键词：齿轮变速箱信号分析故障诊断解调技术

实用化光纤光栅传感器和微结构光纤光栅传感器的研究

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实用化光纤光栅传感器和微结构光纤光栅传感器的研究

作者：赵健南开大学

学位级别：硕士

本论文是在国家科技部973计划项目和天津市科委重点攻关项目等课题的支持下完成的。本论文的研究重点为:用于分布式光纤光栅传感解调系统中的可实用化的温度和应变传感器、基于FP解调的传感解调系统的研制、微结构光纤光栅和微结构光纤... 详细信息

本论文是在国家科技部973计划项目和天津市科委重点攻关项目等课题的支持下完成的。本论文的研究重点为:用于分布式光纤光栅传感解调系统中的可实用化的温度和应变传感器、基于FP解调的传感解调系统的研制、微结构光纤光栅和微结构光纤光栅传感的研究。本论文的主要研究内容包括: 1、总结了分布式光纤传感技术和准分布式光纤光栅传感技术的研究进展以及分布式传感的优越性并介绍了光纤光栅传感原理。对光纤光栅的分类进行了详细的论述,介绍了微结构光纤的理论分析方法。 2、系统介绍了光纤光栅的理论分析方法,并利用这些方法中的耦合模理论、传输矩阵法和傅立叶变换法对布拉格光栅、长周期光栅、啁啾光栅的光谱特性进行了分析并详细介绍了光纤光栅传感的复用技术和解调技术。 3、设计制作了实用化的光纤光栅温度传感器和应变传感器。对温度、应变传感器的传感原理和封装结构分别做了详细介绍。采用自动控温系统和数据自动采集系统测试传感器,提高了测试数据的准确性。应用差分等数据处理方法对大量数据进行分析,测试数据表明我们研制的温度、应变传感器重复性良好,线性拟和度高,达到了实际应用的要求。 4、应用FP解调技术研制了光纤光栅传感网络系统。该系统以光纤光栅作为传感基元,采用了波分复用(WDM)、空分复用(SDM)相结合的技术,给出了系统的指标,并用于温度场和应变场的测试。实验结果表明,该系统具有很高的测量精度和实际应用潜力。 5、进行了微结构光纤与普通单模光纤的熔接现象和熔接损耗的研究与分析,给出了一组相对理想的熔接参数和一种相对理想的熔接方法,利用全矢量有限单元方法数值模拟了微结构光纤中的低阶和高阶模场,计算了柚子型微结构光纤光栅的耦合波长。并利用微结构光纤光栅进行了温度、应变传感方面的初步实验,取得了一些有价值的实验结果。

关键词：光纤布拉格光栅分布式光纤传感分布式光纤光栅传感微结构光纤复用方法解调技术温度应变微结构光纤长周期光栅微结构光纤布拉格光栅

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移动光相机通信中基于K均值的解调方法研究

移动光相机通信中基于K均值的解调方法研究

作者：喻柯湖南大学

学位级别：硕士

随着万物互联概念的兴起以及智能移动设备的普及,利用图像传感器的光相机通信(Optical Camera Communication,OCC)越来越受到学界的关注。OCC系统采用发光二极管(Light Emitting Diode,LED)光源发送信号,利用互补金属氧化物半导体(Compl... 详细信息

随着万物互联概念的兴起以及智能移动设备的普及,利用图像传感器的光相机通信(Optical Camera Communication,OCC)越来越受到学界的关注。OCC系统采用发光二极管(Light Emitting Diode,LED)光源发送信号,利用互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)相机接收信号。目前,基于卷帘效果模式的OCC系统在接收信号的解调方面存在一些技术挑战,如灰度值波动、“绽放效应”等。此外,为推动OCC系统在实际场景中的应用,需要考虑用户移动的场景。本文针对移动场景下的OCC系统,分析了接收端的解调技术中存在的问题,并提出了相应的解决方案,主要研究工作如下:1.针对移动造成的接收图片中条纹失真的问题,提出了基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)和基于K均值聚类的解调方法,在OCC系统中进行了实验验证,比较了使用K均值和CNN这两种方法的OCC系统的误码率性能,研究了不同移动速度对系统性能的影响。实验平台按照与实际1:10的比例搭建,结果表明,在横向移动场景下,K均值解调方案的误码性能略胜于CNN解调方案,整体的误码率比CNN解调的误码率更低。在实验移动速度为60cm/s时,K均值和CNN解调方法的误码率分别为1.54×10和3.04×10。而在实验纵向移动场景中,K均值解调的误码率比CNN解调方案的误码率高。在实验纵向移动速度为60 cm/s时,K均值和CNN解调方法的误码率分别为6.02×10和3.94×10。2.针对多个LED光源发送信号时存在相互干扰,以及接收端移动时带来的条纹失真问题,提出了一种多列矩阵选择结合K均值的解调方法,在避免信号干扰的同时,缓解接收端移动造成的条纹失真。实验平台按照与实际1:10的比例搭建,研究了不同移动速度以及两个LED之间的不同距离时OCC系统的误码率性能,实验结果表明,提出的方法与其它方法相比,可以显著改善系统的通信性能,降低误码率。在两个LED光源距离为10 cm,CMOS相机的移动速度为20cm/s时,采用提出的方法,OCC系统可以实现的误码率为8.74×10,远低于20%的前向纠错门限(3.8×10)。随着速度的增加,条纹宽度失真增大,所提方法性能下降,因此所提方法更适用于室内低速移动场景。

关键词：光相机通信卷帘效应解调技术列矩阵选择 K均值卷积神经网络

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工程化光纤光栅传感器及其网络解调系统研究

工程化光纤光栅传感器及其网络解调系统研究

作者：罗建花南开大学

学位级别：硕士

光纤光栅作为一种新型的传感器件,从它问世之日起就受到人们的广泛关注,在二十多年中实现了突飞猛进的发展。随着光纤光栅技术的不断完善发展,其在传感器领域的应用研究越来越引起人们的重视。光纤光栅传感器除了具有重量轻、耐腐蚀、... 详细信息

光纤光栅作为一种新型的传感器件,从它问世之日起就受到人们的广泛关注,在二十多年中实现了突飞猛进的发展。随着光纤光栅技术的不断完善发展,其在传感器领域的应用研究越来越引起人们的重视。光纤光栅传感器除了具有重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、结构紧凑等优点外,还有其独特的优越性,如探头尺寸小,其直径与光纤等同;易于与光纤耦合,耦合损耗小;波长调制型,抗干扰能力强;集传感与传输于一体且具有极强的复用能力,易于构成传感网络;测量对象广泛,易于实现多参数传感测量等等。这是基于上述其他传统传感器无可比拟的优点,使得光纤光栅传感器近年来在复合材料及混凝土结构状态检测、电力工业、医学以及能源化工等实际应用领域都取得了长足的进展。本论文是在国家科技部863计划项目、天津市科技重大攻关项目、天津市科委重点基金项目等的支持下完成的,主要研究内容有: 1对传感技术进行了概要叙述,重点介绍了光纤传感技术和光纤光栅传感技术的现状和发展。对光纤光栅的发展、光纤光栅的分类和当前的一些光纤光栅的写入技术以及光纤光栅在光通信领域和传感领域的应用,作了简单介绍。 2介绍了光纤光栅的理论特性分析,并分别利用耦合模理论、传输矩阵法和傅立叶变换法对各类型光纤光栅(布拉格光栅、长周期光栅、啁啾光栅)的光谱特性进行了分析。并详细介绍了光纤光栅传感中的解调技术以及复用技术。 3在研究光纤光栅传感技术的基础上,针对工程化实际应用要求,初步设计制作了适合工程化应用的光纤光栅温度、应变传感器。对温度、应变传感器的传感原理和封装结构及工艺研究分别做了详细介绍。对大量实验数据的分析结果表明,我们所研制的温度、应变传感器基本达到了工程化实用的要求。 4利用光纤光栅作为基本传感元件,设计研制了一种基于轮辐式压力盒装置的光纤光栅压力传感器。我们将两根不同波长的光栅粘贴在传感器同一轮辐的正反面上,提高了测量精度,减少了波长随温度漂移带来的影响。在0～30KN的范围内,其测量线性度达到99.98%,灵敏度达到13.89N,且响应速度快。与其它类型的光纤光栅压力传感器相比,轮辐式光纤光栅压力传感器具有更大的测量范围、更高的稳定性,更好的抗干扰能力。并且由于光纤光栅本身

关键词：布拉格光纤光栅传感技术解调技术复用技术轮辐式温度传感应变传感工程应用封装技术

基于光纤光栅传感的地震检波器解调系统的研究

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基于光纤光栅传感的地震检波器解调系统的研究

作者：贝翠琳燕山大学

学位级别：硕士

地震勘探是以人工地震反射波为被测信号的一种最有效、应用最广泛的地球物理勘探方法，主要用于石油、金属矿藏、煤炭、工程地质、水文地质和地热等的探测。随着光纤光栅技术的日益发展与成熟，光纤Bragg光栅地震检波器开始应用于地震... 详细信息

地震勘探是以人工地震反射波为被测信号的一种最有效、应用最广泛的地球物理勘探方法，主要用于石油、金属矿藏、煤炭、工程地质、水文地质和地热等的探测。随着光纤光栅技术的日益发展与成熟，光纤Bragg光栅地震检波器开始应用于地震勘探中，它凭借其可靠性高、抗电磁干扰、抗腐蚀、能在复杂的化学环境下工作、易于铺设、波长编码、可分布式测量等独特优势越来越受到人们的重视。本论文主要研究了以下内容：研究了地震勘探理论，对地震检波器的发展动态进行了介绍，分析了传统地震检波器的优缺点，并预测了其以后的发展方向。系统阐述了光纤Bragg光栅及其传感原理;分析了温度和应变以及二者交叉敏感对传感特性的影响;对光纤Bragg光栅传感应用中的各种关键技术做了详细的介绍并分析和比较了各种解调方案的优缺点，重点分析研究了边缘滤波解调方法，并选择该方法做为本系统的解调方法。设计了基于光纤Bragg光栅传感的地震检波器，分析了其动态、静态特性及灵敏度公式;然后对等强度悬臂梁的尺寸参数进行了优化设计，得到了最优的固有频率，并利用ABAQUS仿真软件验证了理论计算的正确性。提出了基于边缘滤波法的解调系统，选择了长周期光纤光栅做为边缘滤波器件，并对其线性区域进行了拟合分析;分析光电探测器的主要性能参数并进行了实验测试;设计了前置放大电路及除法器电路并利用Multisim软件做了仿真验证;采用LabVIEW提供的SignalExpress模块作为数据采集及处理软件建立了工作界面;最后对整个系统进行了实验测试，验证了解调系统的可行性。

关键词：光纤Bragg光栅解调技术边缘滤波地震检波器

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光纤传感网传感特性与信号处理方法研究

光纤传感网传感特性与信号处理方法研究

作者：李冬长春工业大学

学位级别：硕士

光纤光栅传感器是指利用光纤材料的光敏特征所构成的一种高灵敏度、高精度、不易受电磁干扰、光化学特性稳定和小型轻便的无源光电子器件。随着光纤光栅传感器的使用范围逐渐扩大,人们对其检测准确度与稳定性的要求也越来越高。本文从... 详细信息

光纤光栅传感器是指利用光纤材料的光敏特征所构成的一种高灵敏度、高精度、不易受电磁干扰、光化学特性稳定和小型轻便的无源光电子器件。随着光纤光栅传感器的使用范围逐渐扩大,人们对其检测准确度与稳定性的要求也越来越高。本文从光纤光栅传感网络理论模型及原理、混合复用网络的传感信号处理、信号质量评价指标体系、解调系统测试四个环节入手,通过研究信号传感方式及信号处理方法来提升光纤光栅传感系统性能。首先本文在研究光纤光栅传感网络传感特性的基础上,以大容量光纤光栅波分/时分混合复用传感网络作为研究对象,研究噪声来源、噪声类别和传统降噪算法,针对网络中串扰堆积噪声特点,提出LCEEMD-LWT信号处理方法,该方法应用局部补充总体均值经验模分解(LCEEMD)方法进行信号预处理,再利用提升小波变换(LWT)技术进行高频信号细化处理,以达到提升信号质量的目的。仿真结果表明:该方法既克服了传统信号处理方法对于高频信号处理不细致的缺点,又避免了信号处理时间过长的问题,同时还提高了在处理1d B极低信噪比光谱信号的重构精度,对大容量光纤光栅传感信号预处理有良好效果。其次为了弥补大容量光纤光栅传感信号质量评价体系的不足,本文对大容量光纤光栅传感信号非线性非平稳的特点进行分析,提出应用去趋势波动分析(DFA)算法对大容量光纤光栅传感信号进行评估。为了全方位检测处理后信号质量,从信号偏离程度、相似性及降噪后信号完整度进行检验对比。仿真分析表明:本文方法不仅在信噪比(SNR)、均方根误差(RMSE)、相关系数(r)、残差四方面获得较好效果而且分型缩放指数达到最高值2.114。最后设计并搭建大容量光纤光栅温度传感解调系统实验平台,用于验证本文所提信号处理方法的工程可行性。使用本文提出的LCEEMD-LWT方法进行传感信号预处理,并在-20℃至60℃温度测量区域内,进行温度传感实验,测试结果表明:解调系统的温度平均误差由0.2923℃降至0.2357℃,本文方法对工程应用中的大容量光纤光栅传感解调系统的信号处理、传感性能提升具有一定的理论参考价值和技术借鉴意义。

关键词：光纤光栅传感串扰噪声自适应去噪 DFA算法解调技术