頻譜分析技術在光纖微弱及高頻傳感信號檢測中應用的研究.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。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，經常淹沒在噪聲中，此時無法對微小傳感變量進行精確判斷?，F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構進行改進或對傳感信號進行時域的降噪處理。在結構改進方面可以采用低噪聲高放大倍數的光電轉換電路或在解調系統(tǒng)中引入干涉儀等，但這些方式都會增加的傳感系統(tǒng)的成本及復雜度，特別是干涉儀的引用還會降低系

2、統(tǒng)的抗干擾性。對傳感信號進行降噪處理如采用小波變換，神經網絡和相關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，不適合光纖傳感系統(tǒng)實時監(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陣列的高頻應變解調系統(tǒng)等四個光纖傳感系統(tǒng)在實際應用中遇到的問題，運用頻譜分析技術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)計特征等方面的規(guī)律，根據信號功率譜的特性和幅頻特性對微弱信號和高頻信號進行辯識，為檢測和預測提供了可靠依據。系統(tǒng)檢測結果顯示應用頻譜分析技術的將光譜吸收型氣體傳感系統(tǒng)的精度提升了1個數量級，將光纖Bragg光柵振動傳感器的精度提升了2個數量級，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。具體研究內容分為以下幾個方面:
　　一、將頻譜分析技術運用在氣體吸收光譜的檢測

4、上，提出了吸收光譜頻域標定(ASFD)算法。ASFD算法對乙炔氣體吸收光譜進行傅里葉變換后，在頻域采用氣體吸收特征分量的幅值來標定氣體濃度?；诓罘治展庾V型(DOAS)原理的光纖氣體檢測技術需要對光譜進行冗繁的波長校準和降噪的預處理。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行實時監(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個數量級為50ppm。
　　三、利用平均周期圖法提高光纖

6、Bragg光柵振動傳感器的檢測精度。FBG用于微弱振動檢測時，當被測振動比較微弱時從時域采集的數據很難直接測得到信號的幅度和頻率信息。本文將傳感器在時域測量獲得的連續(xù)數據分段后，對每段數據分別進行快速傅里葉變換獲得其對應的功率譜信號，然后將頻域信號做疊加平均得到新的數據。實驗結果表明，采用這種頻域疊加平均的方法處理后，FBG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)存在的工程應用領域，對實際環(huán)境下微小振動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信號處理方法來提高強度調制型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度參數進行了校正，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、境噪聲的適應性。這款低成本的FBG水聲探測器具有高靈敏度、在復雜的水下環(huán)境長期保持穩(wěn)定等優(yōu)勢。
　　五、設計了一個新穎的針對FBG陣列高頻應變的解調方案?？烧{諧法布里-珀羅濾波器作為多路復用解調器，低頻勻速掃描FBG陣列的波長范圍，可以解調出超聲波段的高頻應變信號。對比現有的基于可調諧法布里-珀羅濾波器的解調FBG陣列技術所需的復雜解調結構和繁冗解調算法，該設計結構簡單，不需要配合溫控系統(tǒng)或者精密驅動裝置。由于解調FBG陣列的過程