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传输系数

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传输系数

3耦合器的传输系数Nmn 3耦合器从m端到n端的琼斯矩阵。因此 按图5

  3耦合器的传输系数Nmn 3耦合器从m端到n端的琼斯矩阵。因此 按图5 2所示可得到干涉型传感器的三个输出的传感信号的电场强度为 2exp exp 10exp exp 01insinkJNSsRRinENJEjNJEjttfjjcjEφφαφαφ 422e

  3耦合器的传输系数Nmn 3耦合器从m端到n端的琼斯矩阵。因此 按图5 2所示可得到干涉型传感器的三个输出的传感信号的电场强度为 2exp exp 10exp exp 01insinkJNSsRRinENJEjNJEjttfjjcjEφφαφαφ 422exp exp 10exp exp 01insinkJNSsRRinENJEjNJEjttcjjcjEφφαφαφ 422exp exp 10exp exp 01insinkJNSsRRinENJEjNJEjttcjjfjEφφαφαφ 20其中 2Sα和2Rα分别是考虑到信号臂和参考臂的能量损失的传输系数 sφ和Rφ分别是信号臂和参考臂的相位延迟 Ein是激光器输出光的电场强度。考虑到cos31 2CkL 221 3cf 这三个干涉信号的输出光强度为 12cos 120 9JNSRSRsRinttIEEIααααφφ 022cos 9JNSRSRsRinttIEEIααααφφ cos 120 9JNSRSRsRinttIEEIααααφφ 23其中 inininIEE 是输入光的光强 从公式 23可以得到这三个输出光强的相位差互为1200 传感器的相位信号为 sRφφ 。在Mach Zehnder干涉仪中 3耦合器的输出端安置特性完全相同的APD光电探测器在任何时刻彼此之间探测的干涉光强信号都具有120 的相位差 68 在传感器实验中为计算简单起见我们取外界信号为正弦波信号 所以上面三式可以简化为 2cos 2456 其中 sinsRptCtωφφ 不同振幅的正弦波信号干涉光强的输出波形由于传感器对于不同振幅的正弦波信号 输出的干涉光强的波形并不相同 如图5 3所示 图中 5π时候的输出波形。在实验中我们选取C 3π的正弦波。 4所示详细介绍了3 3耦合器解调系统的过程说明 为消除直流量A并解出余弦函数内的有效信号p 3耦合器解调系统过程说明57式 24为三路光电探测器探测到的干涉光强的表达式 我们将探测到的三路干涉信号求和后除以3 即可以得到三路信号中的直流分量A 再用三路干涉信号分别减去我们得到的这个直流分量A的值 即可以将三路干涉信号中的直流分量A消除 得到三个信号的表达式为 1I 262I 273I 28如图5 5中所示 三个信号波形 28表示的三路信号分别经过微分处理 分别得到各路信号随时间的导数 sindIdptBptdtdt 31如图5 6中所示 三个信号波形分别表示1dIdt dIdt的输出波形。58 信号dIk’dt的输出波形 31表示的三路求导后的信号按顺序两两相减 并将差值与另一路信号相乘 23122IdI dt dI dt Bcos dtSin dtSin 32根据积化和差三角函数公式 Sin 33可将上式 32简化为 2231222I dI dt dI dt 2Bdp 34根据同样道理以及方法 我们可以得到如下两式 22123I dI dt dI dt 3522231I dI dt dI dt 36如图5 9所示分别表示式 36的输出波形。 59 信号I3’dI1‘ dt dI2’ dt 的波形图 信号I1’dI2‘ dt dI3’ dt 的波形图 信号I2’dI3‘ dt dI1’ dt 的波形图 60利用公式 1022 37可将式 36三路求和 并化简 可以得到 122123 332kBdptdtcosptkBdptdtπ 38再次利用公式 37我们可以求得信号I1’、I2’和I3’的平方和 2222123 38式信号除以 39式比试点信号 就可以消去幅值B2。 我们再对最后将得到的微分信号值进行积分处理 从而可以解调还原出初始外界振动信号p 耦合器的输出端解调出被测物理量需要经复杂的运算 才能提取出干涉信号的相位。要实现上述解调过程 可以通过软件解调和硬件解调两种方法 硬件解调需要设计精密电路。要求三个电路中的路低通滤波器、微分器、积分器以及乘法器完全对称 要求电路中对应环节的幅频特性、相频特性都相同时 并且最大限度地降低噪声 才可能使解调出来的信号不失真 且幅度稳定。这在实际调试中是比较困难的 对电路的设计和调试提出了很高的要求。并且 用模拟电路来实现运算 所需电路规模较大、繁杂 且模拟运算的误差较大。 随着近几年计算机硬件技术的进步 用软件来实时实现这些运算已经成为可能。软件解调方法是指不完全依靠电路或光路来实现解调的方法。除去光电探测转换部分必须采用的电路和光路之外 信号的处理主要由微机或单片机处理实现。和硬件解调方法相比较 软件方法可以更方便的对信号进行各种处理 省去了一般电路分析、绘制、制版、焊接与调试等步骤 不含有微分、相乘等易于引入噪声的相关电路 开发周期短 易于调试 便于移植 成本较低。硬件解调相比 软件方法更加灵活 成本较低 开发周期较短 易于调试。 61本文用软件来模拟实现了信号的解调 不仅省去了繁杂的模拟运算电路 而且达到了极高的解调精度 尤其重要的是 通过软件解调运算 我们可得到运算中间各过程的波形图 也可以分析出各种误差和产生误差的原因 并对硬件解调电路的设计有指导意义。 Labview是美国NI National Instruments 公司开发的一种专门用于数据采集、分析与仪器控制的图形化软件。内置信号采集、测量分析与数据显示功能 将其与一般的数据采集以及仪器设备加以组合 就可以设计出特定的虚拟仪器 从而显著增强用户在标准计算机上配以经济的硬件设备来构建专用仪器系统的能力。基于该软件开发的虚拟仪器就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。 虚拟仪器可通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体 从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量 控制能力结合在一起 大大缩小了仪器硬件的成本和体积 并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。Labview具有革命性的图形化开发环境 采用特有的G语言设计应用程序。其摒弃了传统开发工具的复杂性 为用户提供强大功能的同时还能够充分保证了系统的灵活性 61 根扼上述软件和第二节的理论分析构建解调方法 编写Labview解调程序 实现干涉信号的解调功能。实验中对各种情况下原始信号的解调结果进行了模拟和对比 由波形图可见软件解调可探测到与硬件解调对应位置相同的波形 说明调制信号p 10解调信号与原始信号对比 由于三个光电探测器的光电响应物理特性不尽相同 可能导致光电变换后 62探测电压出现偏差探测电压相差10 以内的时候 通过软件解调 可以基本完整的恢复原始波形。 实际上光纤耦合器的光功率分配比不可能达到理想状态的1 因此也会导致三端输出的相位差不准确通过软件解调 也可以基本完整的恢复原始波形。所以 由于较小的光功率分配不均衡 而对干涉信号解调造成的影响 在软件解调中也可以忽略。 软件解调试验覆盖了实际传感系统中可能存在的非理想情况。从测试结果可以看出 在原始信号叠加有高次谐波、探测器响应度不均衡或耦合器相位差偏离标准值、原始信号频率较高等各种条件下 采用这种软件解调方法恢复的波形虽然出现了一定程度的噪声和波形失真 但仍具有较高的信噪比和基本形状 因此并不影响对原始信号的分析。 总体而言 由Labview编制的基于3 3对称耦合器的软件解调方案 可准确恢复中低频的原始信号。如果结合软件的频谱分析以及阈值报警等函数 还可以进行事件类型的判断以及报警 从而具备一个监测系统的基本功能。利用Labview软件解调 还能够充分应用软件的强大功能 可以灵活地实现量程自动匹配而实现波形的完整复现 可以根据需要加入滤波器滤除信号谱外和以及微分引起的高频噪声 可以将采集的数字波形任意处理而不必如电路一般考虑的阻抗匹配、以及负载过多等多种因素 便于信号多次重复利用。 与目前常用的软件解调系统相比 使用Labview本身具有的多种信号数据处理模块 使得开发专用的波形时域和频域处理软件更为准确、直观、便捷。该系统不仅可以作为硬件解调系统的模拟仿真和有力补充 而且可以独立有效的执行信号处理和解调的全部功能。 本章小结与创新点本章介绍了传统的相位载波零差法 PGC 解调工作原理 对其进行了细致的理论分析 明确了PGC解调的优缺点 并与当前最为前沿的3 3光纤耦合器法解调系统进行了仔细对比 确定了3 3光纤耦合器法的优点。并且详尽阐述了3 3光纤耦合器法解调原理 在理论上对3 3光纤耦合器法解调进行了完善的理论推导 并建立了数 63据模型分析系统。 介绍了Labview技术的基本特点 利用3 3光纤耦合器法解调原理 对干涉型光纤振动传感系统输出信号进行了基于Labview技术的软件解调。并将软件解调结果与原始信号进行了对比 得到良好的实验结果。 本章创新点只要在于 在前人的工作基础上推导出3 3光纤耦合器法解调原理 对解调过程进行了严密而细致的理论推导。 并且建立了基于Matlab技术的解调数据模型。对解调过程中信号的逐级变化进行了理论分析 并对每一环节的信号变化情况给出了详细的波形说明。这样有助于对解调系统进行硬件设计 并对于硬件设计中的电路检测有着重要的作用。 3光纤耦合器法解调进行软件设计以便减小硬件解调中产生的噪声问题 提高系统的工作灵敏度以及检测分辨率 并将软件解调结果与原始信号进行对比 以便进一步完善软件解调。 646 信号处理以及数据采集系统设计 本章首先详细分析了信号模型 以此模型为依据 讨论了低频干扰与高频干扰对信号检测的影响 强调了数据在处理之前进行滤波的必要性。建立适于本系统的滤波器结构。然后 详细讨论了系统的实现方法 给出了以高性能数字信号处理器 DSP 、先入先出存储器 FIFO 、可编程逻辑器件 CPLD 和USB2 0接口为基础的硬件实现框架 并详细介绍了硬件实现的各个组成部分 包括芯片选用、电路连接和软件编程等 最后 以此硬件平台为基础 实现了输出光功率检测子系统的数据处理。给出了系统的性能指标、实际测量结果及其分析。 信号中混入低频干扰在分布式光纤传感器中 噪声的幅度通常比目标信号小 不至于淹没信号。当信号中混入低频噪声时 信号将显现出缓慢变化的包络 如图6 1所示。在低频噪声的干扰下 目标信号的中相位为π 2处有可能不再是所在周期中的极大值点 相位为3π 2处也有可能不再是所在周期中的极小值点。而且 当噪声频率可以与信号频率相比较时 包络的变化速度与信号频率相近 所以要将低频噪声滤除。 当信号中混入高频噪声时 信号包络的变化速度将大大加快 出现锯齿 频率越高 锯齿现象越严重 如图6 2所示。高频的混入 使得目标信号中相位为π 2处不再对应极大值 相位为3π 2处不再对应极小值。但是高频噪声的功率谱处于谱中频率较高的部分 所以在时域的相关时间比较短 可以通过对 d进行求和平均的方法抵消每个周期中的高频干扰 但在求和之前必须对信号滤波 将高频的影响尽可能地减

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