【正文】 的目的。 小波系數(shù)作軟閾值處理可以幾乎完全去除觀測(cè)數(shù)據(jù)中的噪聲。 S 1CD 2CA 2CD 3CD 3CA 1CA 29 小 波去噪步驟 總結(jié)去噪過(guò)程，可以分成以下三個(gè)步驟： 1)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)作小波分解變化： zWfWyW 000 ??? ? (44) 其中 y表示觀測(cè)數(shù)據(jù)向量 y1， y2， ? y， f是真實(shí)信號(hào)向量 f1， f2， ? fn， z是高斯隨機(jī)向量 z1， z2， ? zn ， 其中用 到了小 波分 解變換是線性變換的性質(zhì)。降質(zhì)信號(hào)的離散逼近部分和離散細(xì)節(jié)部分分別是信號(hào)變換后的離散逼近部分和離散細(xì)節(jié)部分與噪聲變換后的離散逼近部分和離散細(xì)節(jié)部分的和。為了減少系統(tǒng)中各種噪聲對(duì)測(cè)量分辨率的影響，一般采用增加信號(hào)累加次數(shù)的方法來(lái)提高測(cè)量分辨率，這導(dǎo)致系統(tǒng)的溫度測(cè)量周期加長(zhǎng)，影響實(shí)際應(yīng)用。其中三個(gè)算法都是以一個(gè)周期為例分析。它在每一點(diǎn)都相當(dāng)于一個(gè)普通的模擬 RC 濾波器（或 RC 積分電路）的直流充電曲線。 歸一化平均算法 歸一化平均算法的計(jì)算方法是把每一個(gè)掃描后存貯數(shù)據(jù)歸一化： 1111 m kkk k kkIAA I AKK ????? ? ?? (319) 24 式中： kA 為 k 次掃描后的平均值； 1kA? 為 k1 次掃描后的平均值； kI 是第 k次輸入取樣值。? ?k k gI f t iT??是第 k次掃描第 i點(diǎn)取樣值。如果這樣的信號(hào)被噪聲污染，通過(guò)對(duì)多次重復(fù)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字式平均，可以有效地改善 信號(hào)的信噪比。現(xiàn)在常用的概率和統(tǒng)計(jì)描述量主要有概率密度函數(shù)以及數(shù)學(xué)期望、方差、均方值、相關(guān)函數(shù)等特性值。 在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上可以采用硬件電路的設(shè)計(jì) 方法，也可以用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成。則第 i次測(cè)量第 j個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量信號(hào)為 ijx可以表示為 : ( ) ( = ( ) ( )ij i i s ix t x t i j T s s t j T n t j T s? ? ? ? ? ? ? ?） （ 33） 式中， it 是第 i個(gè)取樣周期中開(kāi)始取樣 的時(shí)刻。 數(shù)字式平均的工作過(guò)程為 :由采樣保持器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行取樣，再由 A/D轉(zhuǎn)換器將被測(cè)信號(hào)取樣值變換為數(shù)字量，并將其存儲(chǔ)在寄存器或存儲(chǔ)器中 。因此，基于數(shù)字電子技術(shù)的多點(diǎn)數(shù)字式平均方法獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。觸發(fā)電 18 路根據(jù)參考信號(hào)波形的情況 (例如幅度或上升速率 )形成觸發(fā)脈沖信號(hào)，觸發(fā)脈沖信號(hào)再經(jīng)過(guò)延時(shí)后，生成一定寬度幾的取樣脈沖，控制取樣開(kāi)關(guān) K的開(kāi)閉，完成對(duì)輸入信號(hào) ??tx 的取樣。積分過(guò)程常用模擬電路實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)之為取樣積分 。只有在有效地抑制噪聲的條件下增大微弱信號(hào)的幅度，才能提取出有用信號(hào)。而這些去噪算法的實(shí)現(xiàn)，可以采用硬件電路、 DSP或微機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)。 16 其中，信號(hào)處理模塊主要信號(hào)處理包括放大、 A心轉(zhuǎn)換和去噪聲等功能。提高數(shù)據(jù)處理能力在分布式光纖傳感系統(tǒng)中是一個(gè)很重要的方面。如果測(cè)量光纖為幾十公里，空間定位精度為 l米，為實(shí)時(shí)反映各點(diǎn)的溫度，需要迅速對(duì)大量的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括光、機(jī)、電子和計(jì)算機(jī)軟硬件等多方面的知識(shí)。若反向偏壓超過(guò)器件的擊穿電壓，器件將無(wú)法工作，甚至擊穿燒毀。應(yīng)用中，最佳工作電壓不宜超過(guò)冷，否則會(huì)不穩(wěn)定進(jìn)入擊穿 。它是利用光生載流子在高電場(chǎng)區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電流增益的，具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)閱蝹€(gè)光子能量 =/E hv hc ?? ，所以光子探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)響應(yīng)有閡值特性。最基本的要求是光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，理想情況下這種變換呈線性關(guān)系。當(dāng)測(cè)試距離較長(zhǎng)時(shí)，展寬現(xiàn)象會(huì)比較明顯，這時(shí)應(yīng)減少輸入光脈沖寬度，以保證在測(cè)量范圍內(nèi)的空間分辨率指標(biāo)。激光的窄脈沖特性 (如可發(fā)出小于十億分之一秒持續(xù)期的脈沖 )，尤其適用于光纖飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)或光纖連接間隙測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 23所示。 為保證設(shè)備正常安全工作，需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行的工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對(duì)光纖傳感系統(tǒng)的實(shí)用開(kāi)發(fā)成為整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和關(guān)鍵，但 光纖傳感技術(shù)的原理性研究仍然相當(dāng)重要。但是其好處是可以省去一個(gè)濾光片和一個(gè) ADP，經(jīng)濟(jì)上具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì) 。 8 圖 21單通道溫度測(cè)量系統(tǒng) 二 .雙通道方式 由于單通道測(cè)量系統(tǒng)易受到環(huán)境干擾，給測(cè)量帶來(lái)誤差。 分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)能在整個(gè)連續(xù)的光纖長(zhǎng)度上以距離的連續(xù)函數(shù)形式測(cè)量出沿光纖長(zhǎng)度變化各點(diǎn)的溫度。入射光作為泵浦產(chǎn)生斯托克斯 (stkoes)波的頻移光。但是可以通過(guò)受激布里淵散射加強(qiáng)，并使用高靈敏度的相干接收器進(jìn)行檢測(cè)，使布里淵散射技術(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。 光時(shí)域反射技術(shù)是分布式光纖傳感器的基礎(chǔ)。而有些需要快速的溫度測(cè)量反映時(shí)間，如故障診斷和火災(zāi)報(bào)警等。 （ 3） 基于分布式光纖溫度測(cè)量數(shù)據(jù)處理的小波分解的檢測(cè)方法；提出小波去噪的原理，和去噪方法，可以有效的抑制系統(tǒng)的噪聲，提高信噪比。典型的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，能在整個(gè)連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式，測(cè)量出光纖上各點(diǎn)的溫度值。 3. 采用新的光電器件和技術(shù)，提高系統(tǒng)性能。 因此，只要在一些需要多點(diǎn)測(cè)量溫度、應(yīng)力的場(chǎng)合都可以見(jiàn)到他們的應(yīng)用。分布式光纖溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)沿光纖連續(xù)分布的溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量，測(cè)試用光纖的跨距可達(dá)幾十千米，空間分辨率高，誤差小，與單點(diǎn)或多點(diǎn)準(zhǔn)分布測(cè)量相比具有較高的性能價(jià)格比。分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)為強(qiáng)電磁場(chǎng)、高壓大電流、易燃易爆、復(fù)雜幾何空間等惡劣環(huán)境的溫度場(chǎng)測(cè)量與控制，提供了可行的新手段 。對(duì)功能型光纖傳感器來(lái)說(shuō)，核心問(wèn)題是光纖本身起敏感元件的作用。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì)。在光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)下，分布式光纖傳感技術(shù)迅速發(fā)展，從理論研究走向產(chǎn)品化，解決了很多 使用傳統(tǒng)傳感器難以解決的問(wèn)題，也是傳感領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 由于測(cè)量的反斯托克斯信號(hào)和斯托克斯信號(hào)非常微弱，完全淹沒(méi)在噪聲中。如果能測(cè)出光波參量的變化，就可以知道導(dǎo)致這些光波參量變化的溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量的大小。一種情況是：光轉(zhuǎn)換元件與待測(cè)對(duì)象相互作 用時(shí)，光轉(zhuǎn)換元件自身的性能發(fā)生了變化，由光纖送來(lái)的光波通過(guò)它時(shí)，光波參量發(fā)生了相關(guān)變化，空載波變成了調(diào)制波，攜帶了待測(cè)量信息；另一種情況是：不采用任何光轉(zhuǎn)換元件，僅由光纖的幾何位置排布實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能， 2 結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)水庫(kù)大壩、橋梁、飛機(jī)、輸油氣管線、大型倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、 大型變壓器 和輸電線路等應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布的有效監(jiān)測(cè)有著重要的應(yīng)用價(jià)值。 (3)光纖纖細(xì)柔軟易于安裝 。主要研究包括以下幾方面 : 1. 拓展測(cè)量長(zhǎng)度。依據(jù)信號(hào)性質(zhì)，該類(lèi)傳感技術(shù)可分為 4類(lèi) :①利用后向瑞利散射的傳感技術(shù) 。從光纖返回的散射光有 3種成分 : （ 1）瑞利散射 (Rayleigh scatter) （ 2）布里淵散射 (Bri1louin scatter) （ 3） 拉曼散射 (Raman scatter) 瑞利散射由于是光與物質(zhì)發(fā)生的彈性散射，因而其波長(zhǎng)不發(fā)生變化，對(duì)溫度不敏感。分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個(gè)連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式，測(cè)量出光纖上各點(diǎn)的溫度值。其光強(qiáng)與波長(zhǎng)的 4次方成反比 (1/ 4? )，因而長(zhǎng)波長(zhǎng)會(huì)迅速減小。 光通過(guò)光纖時(shí)，光子和光纖中因自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生自發(fā)布里淵散射。 布里淵頻率偏移隨應(yīng)力和溫度變化線性增長(zhǎng) : ( ) ( 0 ) [1 ]( ) ( ) [1 ( ) ]V b V b C sV b t V b tr C t t tr????? ? ? (22) 其中 ? 是拉伸應(yīng)變， t溫度而 tr是 參考溫度。拉曼散射光子的頻率既可向低處移動(dòng) (斯托克斯頻移 )，產(chǎn)生的斯托克斯散射光比入射光波長(zhǎng)長(zhǎng) :1/ s=1/ v???? ； 也可以向高處移動(dòng) (反斯托克斯頻移 )，產(chǎn)生的反斯托克斯散射光比入射光波長(zhǎng)短 : 1/ 1/ +av????。根據(jù)所需 信號(hào)通道的個(gè)數(shù)，可以分為單通道方式和多通道方式 。系統(tǒng)原理如圖 22所示。其中 ROTDR是現(xiàn)在實(shí)用普遍采用的方法，而 ROFRD在 1998年由 Mostafa Ahangrani Farahani和 Torsten Gogolza提出， 由于可以降低噪聲、獲得高 的信噪比、測(cè)試時(shí)間短，和 ROTRD相比有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前也是LD 雙向耦合器 波分復(fù)用 信號(hào)放大 光電轉(zhuǎn)換 信號(hào)處理 計(jì)算機(jī) 光纖 9 很多人研究的熱點(diǎn)。在皮帶傳輸過(guò)程中，如果支撐皮帶傳輸?shù)耐休伆l(fā)生故障時(shí)，其不隨皮帶傳輸轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致托輥外表面與傳輸皮帶發(fā)生摩擦產(chǎn)生極高的熱量，進(jìn)而引起火災(zāi)，造成重大損失。 本課題利用分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)碼頭的傳輸帶的火災(zāi)情況，同時(shí)也將擴(kuò)展到皮帶傳輸線托輥和主轉(zhuǎn)軸軸溫測(cè)量和驅(qū)動(dòng)裝置的關(guān)鍵部位的溫度測(cè)量。光發(fā)射部 分主要由激光器設(shè)計(jì)及大電流窄脈沖的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等問(wèn)題 。 根據(jù)泵浦光持續(xù)時(shí)間 (激光脈沖寬度 )決定了一個(gè)空間分辨率指標(biāo) (其它如光探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間和 A心轉(zhuǎn)換時(shí)間也影響空間分辨率 )。盡管傳感機(jī)理是光學(xué)式的，但必須把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)以便處理、記錄和顯示。在熱電探測(cè)器中，光輻射引起探測(cè)器溫度上升，從而使與溫度有關(guān)的電物理量發(fā)生變化，反映的是入射光的能量或功率 與輸出電量的函數(shù)關(guān)系。探測(cè)器和接收器限制了整個(gè)系統(tǒng)的分辨率 。如此循環(huán)，致使載流子數(shù)得到雪崩式增加，從而使輸出光電流得到 M倍增益。當(dāng)溫度升高時(shí)，擊穿電壓會(huì)增大。 14 第 3 章分布式光纖溫度傳感 數(shù)據(jù)處理 技術(shù) 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的同步控制單元控制脈沖驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生一電流脈沖，該脈沖驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光二極管產(chǎn)生光脈沖注入到激光器尾纖中，從激光器尾纖輸出的光脈沖經(jīng)過(guò)光路禍合器再進(jìn)入傳感光纖。 分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)分析 分布式光纖傳感系統(tǒng)可以在一根光纖上同時(shí)監(jiān)測(cè)多點(diǎn)的溫度 (或應(yīng)力等其它物理量 )，并可以利用光時(shí)域反射技術(shù)對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行空間定位。只有在有效地抑制噪聲的條件下放大微弱信號(hào)的幅值，才能提取出有用信號(hào)。測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示、報(bào)警等，以滿足數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的要求。放大器由低噪、寬頻帶放大器實(shí)現(xiàn)，要考慮其噪聲的影響。 從噪聲中提取微弱信號(hào)的方法屬于信號(hào)處理中的綜合技術(shù)和前沿領(lǐng)域，也是研究的熱點(diǎn)。但是如果需要恢復(fù)淹沒(méi)在噪聲中的脈沖波形，則鎖定放大器是無(wú)能為力的。也可以采用小波變換等現(xiàn)代信號(hào)處理方法，改善信號(hào)的處理能力。而多點(diǎn)式取樣在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)取樣多次，并利用多個(gè)積分器對(duì)各點(diǎn)取樣分別進(jìn)行積分。這些特點(diǎn)使得數(shù)字式多點(diǎn)平均得到廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)的普及也為這種推廣應(yīng)用提供了有利條件。為計(jì)算機(jī)處理，由高速數(shù)據(jù)采集處理電路對(duì) APD輸出的電信號(hào)進(jìn)行采集，如果采樣頻率為 fs，則可以確定采樣分辨率 (也可以認(rèn)為是空間測(cè)量點(diǎn)的分辨率 ):這時(shí)的采樣周期 (時(shí)間 )Ts=1/fs；當(dāng)激光脈沖以 v(光纖中的光速 )穿過(guò)長(zhǎng)度為 L的傳感光纖并返回到探測(cè)器時(shí)，所需要的時(shí)間為 t=2L/v，則整條傳感光纖將有 :m=t/Ts=t*fs個(gè)采樣點(diǎn)，即這時(shí)的空間采樣分辨率為 : ss fvft LmLz 2????? （ 31） 由于光在光纖中傳播的光速不變，所以，采樣頻率關(guān)越高，則測(cè)量的空間分辨率越小。對(duì)于單次取樣 (無(wú)累加計(jì)算， ) ij j ijx s n?? ，其有用信號(hào)數(shù)值為 js ，則平均處理之前的信噪比為 : /i j nSNR s ?? （ 37） 進(jìn)行 n次累加計(jì)算，根據(jù)式 (4一 5)和 (4一 6)，則有 : （ 38） 由于 js 為確定性信號(hào)， n次累加后幅度會(huì)增加 n倍。用 DSP也是一個(gè)有效的途徑。例如，只要產(chǎn)生噪聲過(guò)程的條件不變，噪聲功率或給定時(shí)間區(qū)域內(nèi)的幅度平均值是零。如果對(duì)這一取 23 樣值經(jīng) K 次取樣，并加以累積平均（假設(shè)是線性的），則信號(hào)的值將增加 K 倍，即out inS N S?? ，但噪聲是隨機(jī)的，其平均后的輸出值 out inN K N??， 所以其輸出的信噪比為 g ino u t ino u t ing inKSSSKNNKN?? (316) 信噪比改善 SNIR 為 outinSNIR KSNIR ? (317) 上式就是平均效果的 K 法則。線性累加平均對(duì)于白噪聲的信噪改善比為 SNIR m? 。歸一化平均算法總的信噪改善比可近似為 SNIR m? （ m為重復(fù)次數(shù)）。在這里通常取 2np T? ? （為取樣周期）。當(dāng)信噪比減小到 20dB 時(shí)，三個(gè)算法得到的波形與實(shí)際波形大體相似但已經(jīng)不能完全準(zhǔn)確的反映實(shí)際信號(hào)的特性。因?yàn)樵肼???tn 是一個(gè)實(shí)的、方差為。 設(shè)測(cè)量信號(hào)為 : ? ? ? ? ? ?tntstf ?? (41) 其中， s(t)為原始信號(hào)， n(t)是