基于dsp的光纤传感振动信号处理研究。
基于dsp的光纤传感振动信号处理研究。
北京交通大学硕士学位**。
作者：王乾娟导师：娄淑琴 2013.11
一． 目的（背景意义）
随着社会的发展，安防预警系统的发展越来越受到各方面的关注和重视。
安防预警系统的目的是对防范场所和周边区域进行监控和管理，实时地检测干扰和入侵，传统的传感器探测技术如微波探测和红外对射探测等易受环境的影响，探测范围有限，且人性化程度不够，已经满足不了人们的要求。
在这种情形下，利用光纤传感器的安防预警系统显示出了极大的优势。光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的特殊光纤作为传感元件，将“传”和“感”合为一体，以其卓越的技术性能和良好的物理特性，克服了普通传感器的不足，被广泛地应用在了各个领域，包括飞机场、边境线、核电站、监狱、军事基地、变电站、高级别墅等。因此，光纤传感技术对于我国安防产业的发展起着重要的作用，有着极大的市场潜力和应用前景。
二．光纤传感技术。
光纤不但具有良好的传导特性，而且本身就可用来进行信号传递，具有不受电磁干扰、绝缘性好、安全防暴、损耗低、传输频带宽、容量大、直径细、质量轻、可绕曲和耐腐蚀耐高温等优点[3]，无需任何中间**就能把测量值与光纤内的光特性变化联系起来，可对电磁、振动、温度、化学成分等多种物理量进行精确测量，在解决常规检测技术难以胜任的测量问题上表现出了巨大的优势和实用价值。
光纤式传感基于通过被测量光纤内传输光的调制，即振幅、相位、频率或偏振态等光特性的变化，进行相应的测量。光调制是光纤式传感器的基础，按调制方式的不同，可以分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、波长调制和分布式调制。常用的四种光纤干涉仪是迈克耳逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、萨格纳克干涉仪和法布里-伯**涉仪。
三．光纤振动传感系统。
光纤振动传感系统主要由三部分构成：光收发终端、长程光缆和数据处理终端。基于环形马赫-泽德干涉仪结构的分布式光纤振动传感系统通过光纤耦合器组成的分光单元在干涉仪光路中引入环结构，将直线型干涉仪转化为环形回路，使得一个马赫-泽德干涉仪中相向传输的两路直流光波同时产生相同的相位信号并沿不同的路径传输至接收单元。
系统组成及工作过程。
整个系统的工作过程如下：直流电流驱动窄线宽的dfb-ld，发出光功率恒定的直流高相干激光，经c1 等功率分成两束：其中一束光波经c2 等比例分光后分别输入传感光缆的两根光纤中，沿顺时针方向从光缆的始端a点传输至末端b点，再由c3 汇合，两光纤中的光波在c3 处发生干涉，干涉光强由 pd2 探测；同样的，另一束光波经 c3 输入传感光缆，但是沿逆时针方向从b点传输至a 点，并在c2 处发生干涉，干涉信号由pd1 探测。
因此，c2、传感光缆和c3 组成的马赫-泽德干涉仪在环结构下相当于光波相向传输的两个干涉仪。当外界振动信号作用于与传感光纤时，传输的光信号受到相位调制，表现为输出干涉信号的光强变化，利用两个干涉仪的输出光强和光相位调制型传感的高灵敏度特性，可以探测微弱信号的振动，进而分析振动信号的空间位置和频率、幅度等特性参数。
根据振动点个数不同，对振动定位的研究可分为单点定位和多点定位两种模式。其中，单点振动定位是研究多点振动的前提和基础。
单点振动定位原理。
顺时针光信号的传输路径为p→b→探测器，其传输距离为： l-z
逆时针光信号的传输路径为p→a→探测器，其传输距离为： =z
那么，到达监测终端的两束信号之间的时间差为：t=（
因此，振动点位置即可利用测量δt精确计算出：z=(l- t*c/n)/2
单点振动的信号处理设计。
1) 相关处理。
设s1(t)是cw方向传输的振动信号，s2(t)是ccw方向传输的这栋信号，n1(t)和n2(t)是噪声信号，则探测器的输出信号y1(t)和y2(t)可以表示为：
y1(t)= s1(t)+ n1(t)，y2(t)= s2(t)+ n2(t)
对y1(t)和y2(t)进行互相关处理：
由于振动信号与噪声信号是不相关的，所以积分项后三项随着τ的增大而趋向于零，则。
这样，经过互相关处理，不仅减少了噪声分量，还增强了振动信号特性。
2）时间差求解。
s1(t)和s2(t)是由同一激光器分振幅得到，且受到完全相同的振动作用，只是到达监测终端的路径长度不同，在此可以假设他们只存在时间延迟，将s1(t)和s2(t)描述为：
s1(t)=s(t)， s2(t)=s(t-t)
于是，根据相关函数的性质，振动信号s(t)的自相关函数rs(τ)满足如下不等式rs(τ)rs(0)，同理rs1s2(τ)rs1s2(0)
由于光电探测器输出信号要经过数模转换变为离散数字信号才能进行处理，假设a/d 采样周期为ts，那么传感器的两路测量信号经同步采样后相应的时间差可以表示为mts=t，因此，只要测出传感器两路输出信号之间的数字互相关与其中一路信号自相关的峰值对应的序号差m，即可得到待测得时间差。
3）振动定位的空间分辨率。
在信号处理中，a/d 采样率有限，mts只能表达离散的值，时间差的测量值对应ts的整数倍t=mts，所以实际的时间差范围是tt∈[(m-1/2)ts，mts]或者tt∈[mts,(m+1/2)ts]。因此，数据处理中，ts决定了t的测量误差，误差为：
rt=ts/2，,从而，确定振动点位置时的误差即振动定位空间分辨率为：
rz=rt*c/n=
四．基于dsp的光纤振动定位系统信号处理：
在采集到的传感器输入信号中，除了包含振动信号外，必然还有噪音信号，数据处理模块的功能正是从采集到的信号中提取出有效振动信号，再按照一定算法，实现对振动点位置的检测和振动信号的分析。
振动事件的起始判别。
振动信号是瞬时非平稳信号，有效信号出现的时间非常短，具有明显的局域性特征。根据振动信号的随机性和瞬时性特点，对振动事件的检测和振动信号的处理都需要建立在短时分析的基础之上。传感器输出信号中，除了包含振动信号外，还包含了噪声信号，为了避免噪声信号对检测造成干扰，提高后续检测的有效性，有必要对振动事件的起始时间进行有效的判断。
本设计通过比较传感器输入信号的短时能量和平均能量的关系，运用了阈值判决法实现了振动事件起始时间判别，该算法实现简单且所需存储空间小。
短时能量分析是建立在对信号加窗和分帧的基础之上的。分帧可以连续，也可以交叠，用可移动的有限长度窗口进行加权来实现。窗函数的幅频特性类似于低通滤波器，故短时能量分析也可看作是信号平房通过一个单位函数相应为w(n)的线性滤波器的输出。
加窗要考虑窗口的形状和长度两个方面因素：（1）窗口形状选择的标准是：w(n)*x(n)时域内，减小w(n)窗两端的坡度，使其边缘两端不引起急剧的变化而平滑过渡到零，从而减小信号帧的阶段效应；频域要有较宽的3db带宽和较小的边带最大值。
（2）窗口的长度满足的标准是：当采样周期ts=1/fs窗长为n，保证频率分辨率1/（n+ts）较高精度。这里窗口长度 n 的选择对于反映振动信号的幅度变化起着很重要的作用。
如果 n 很大，它等效于很窄的低通滤波器，此时s(n)随时间的变化很小，不能反映振动信号的幅度变化，信号的变化细节就反映不出来；反之，n太小时，滤波器的通带变宽，s(n)随时间有急剧变化，不能得到平滑的能量函数。由于s(n)对高电平的敏感，故在设计中，采用短时平均幅度函数mn来表征一帧信号能量大小，且计算时小取样值与大取样值不会因为取平方而造成较大差异。其定义如下：
mn=本系统设计中，使用如下判决准则实现振动发生的检测：
当2倍短时能量大于平均能量的时候，判别振动发生；当4倍短时能量小于平均能量的时候，判别振动结束。
如果环境噪声和系统输入噪声比较小，能够保证系统信噪比相当高，那么只要计算输入信号的短时能量和短时平均幅度就能把振动信号和噪声背景分开，但是低信噪比情形下，此方法失效。
振动信号频谱分析。
频谱分析在信号处理中应用非常广泛，突出表现是通过频谱分析，可以从受噪声污染的有用信号中鉴别出有用信号，分析信号频率成分，并提取不同频率信号分量。而快速傅立叶变换 fft是离散傅立叶变换dft的快速算法，目的是把信号从时域变换到频域，从而在频域分析处理信息。受噪声污染的正弦波信号时域形式，很难看出正弦波的成分，通过傅立叶变换把时域信号变换到频域，便可以明显看出信号中包含两个频率分量，再借助频谱分析设计滤波器，便可以有效提取各信号分量。
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