【文章內(nèi)容簡介】 的某些特征參量，比如相伴，振幅，頻率等，將會隨著調(diào)制信號的變化而變化。頻譜遷移測量法中的光學調(diào)制正是采用光學參量調(diào)制中的直接頻率調(diào)制的方法，采用調(diào)制電路來 直接產(chǎn)生調(diào)制交流光信號。 法拉第直流光學測量系統(tǒng)的設計 針對光電檢測器的信噪重疊現(xiàn)象，根據(jù)本文所提出頻譜遷移測量法，在前人設計的基礎上，本文設計了一種基于頻譜遷移測量的法拉第直流光學測量系統(tǒng)。依據(jù)頻譜遷移測量的基本原理，法拉第直流光學測量系統(tǒng)可以分為三大部分：光學調(diào)制部分、光路系統(tǒng)和信號解調(diào)部分。法拉第直流光學電流測量系統(tǒng)的原理框圖如下： 圖 28 法拉第直流光學電流測量系統(tǒng)原理圖 其中，光學調(diào)制部分的主要功能是對光學信號進行調(diào)制。因為光信號不能直接進行調(diào)制，因此這一功能是通過對光源進行調(diào)制而實現(xiàn) 的。在本設計中，通過采用交流調(diào)制信號源來實現(xiàn)對光源的調(diào)制，從而輸出交流調(diào)制光信號。 由光學調(diào)制部分所產(chǎn)生的調(diào)制光信號，經(jīng)光纖傳輸，接入到光路系統(tǒng)中。光路系統(tǒng)是一個狹義上的法拉第光學電流互感器。其主要利用法拉第磁光效應，將待測電流信息轉換為光信號信息，并通過光電轉換將其最終轉變?yōu)殡妷盒盘栠M行輸出。 本設計中的光路系統(tǒng)所采用的光路結構為自適應光學電流互感器的螺旋管聚磁光路結構。其是由通過行測電流的導線環(huán)繞磁光材料構成的。螺旋管聚磁光華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 路的基本原理為：將被測電流通往到螺旋管中，會產(chǎn)生聚磁作用，使得電流的磁場集中于平 等于螺旋管軸線方向。其會對偏振光的光路產(chǎn)生影響，從而使偏振光光路為一直線。 圖 29 螺線管聚磁光路結構 螺旋管聚磁光路由于只有一個光學元件，并且沒有保偏棱鏡，因此，減少了折射所造成的誤差，消除了光傳感中的靜態(tài)工作點為零現(xiàn)象，降低了溫度對光學件的干擾，提高了測量靈敏度及搞電磁干擾能力。 由光路系統(tǒng)的光電檢測器輸出的電壓信號經(jīng)導線連接，輸入到信號解調(diào)部分由頻譜遷移測量法的原理可知，解調(diào)部分主要是對信號實現(xiàn)濾波和解調(diào)處理。這些處理可以采用硬件或軟件的方法進行實現(xiàn)，本設計主要采用編程的方法對其進行實現(xiàn)。通過解 調(diào)處理，可以得到法拉第直流光學電流測量系統(tǒng)的測量方程，即輸出量與電流值的關系。 本章小結 （ 1）分析了直流光學電流互感器中光電檢測器的噪聲主要成為為暗電流噪聲， 進一步明確了影響互感器測量的主要為低頻暗電流噪聲，及其對測量的影響。 （ 2）介紹了光學電流互感器的基本原理，針對直流光學電流互感器中所存在的低頻信噪重疊現(xiàn)象，提出了頻譜遷移測量法，并對該方法具體原理進行了詳細說明，給出具體公式及原理圖。 （ 3） 設計了法拉第直流光學電流測量系統(tǒng)，并給出了其原理框圖，將該系統(tǒng)進行了劃分，并對其各部分組成及功能進行 了說明，為其各部分的具體功能實現(xiàn)提供了原理依據(jù)。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 信號檢測方法研究 方法研究 經(jīng)過多年的研究和實踐，信號檢測技術主要包括鎖定放大、取樣積分、相關檢測、自適應噪聲抵消、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、小波變換、混沌理論、 Duffing 振子、調(diào)制隨機共振、自適應隨機共振、二維相干技術、希爾伯特黃等。 調(diào)制隨機共振 基于隨機共振的微弱信號檢測技術是新近發(fā)展起來的一種新的信號處理技術，與各種抑噪方法相比，它不是消除噪聲，而是充分利用噪聲來增強弱信號，以提高信噪比達到識別弱信號，其過程框圖如圖 31所示 解 調(diào)被 測 信號 S ( t )噪 聲N ( t )調(diào) 制非 線 性 雙 穩(wěn) 系統(tǒng)輸 出信 號載 波 信 號 V ( t )載 波 振 蕩 器圖 31 調(diào)制隨機共振過程框圖 這種方法能有效降低信號檢測下限，且易于硬件實現(xiàn)，可大幅度降低檢測成本，因而具有巨大的應用潛力。 相關檢測法 在電子學系統(tǒng)中，采用低噪聲放大技術，選取適應的濾波器限制系統(tǒng)帶寬，以掏內(nèi)部噪聲和外部干擾，保證系統(tǒng)的信噪比大大改善，當信號較微弱時，也能得到信噪比大于 1的結果。但當信號非常微弱，比噪聲小幾個數(shù)量級甚至完全被噪聲深深淹沒時，上述方法就不會有效。經(jīng)過分析 青蛙，信號和噪聲在時間特性上是有差別的，在統(tǒng)計學中，信 號和噪聲兩種函數(shù)在統(tǒng)計特性上是可以區(qū)分的，從而為把淹沒于噪聲中的信號提取出來提供了基礎。 利用信號在時間上相關這一特性，可以把深埋在噪聲中的周期信號提取出來，這就是相關檢測。從原則上看，用通頻帶很窄的濾波器也可以從噪聲中提取信號，但濾波器的中心頻率必須調(diào)在信號頻率上。對于周期不固定或者不能做到頻率絕對恒定的信號，濾波器的通頻帶不能過窄，因此信噪比不的改善不可能太大。而相關檢測相當于一個跟蹤濾波器，沒有這方面的限制。 信號的相關性用相關函數(shù)來表示，它代表線性相關的試題，是隨機過程在兩個不同時間相關性的一個重要 統(tǒng)計參量。 從本質上說，相關檢測技術是基于信號和噪聲的統(tǒng)計特性進行檢測的，相關華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 函數(shù)是兩個時域信號（有時是空間域）相似性的一種試題。相關檢測是一種利用確定性信號的相關性和噪聲的隨機性這一差異來達到去除噪聲的目的，它分為自相關檢測和互相關檢測，本文主要采用互相關檢測。 如果 1()ft和 2()ft?? 為兩個功率有限信號，則可定義他們的互相關函數(shù) 121( ) l im ( ) ( )2 TTTR f t f t d tT???????? （ 31） 令 11( ) ( ) ( )sf t V t n t??、 21( ) ( ) ( )rf t V t n t? ? ?? ? ? ? ?其中 1()nt和 2()nt分別代表與待測信號 ()sVt及參考信號 ()rVt混在一起的噪聲，則式（ 31）可寫成 ? ?? ?? ?122 1 1 21( ) l i m ( ) ( ) ( ) ( )2( ) ( ) ( ) ( )TsrTTs r s rR V t n t V t n t d tTR t R t R t R t? ? ????? ? ? ? ?? ? ? ??（ 32） 式中 ()srR? 、 2()sR? 、 1()sR? 、 12()R? 分別是參考信號與待測信號、待測信號與噪聲、參考信號與噪聲及噪聲之間的相關函數(shù)。由于噪聲的頻率和相位都是隨機量，可以認為信號和噪聲、噪聲和噪聲之間互相獨立，它們的相關函數(shù)為零，于是式（ 32）可寫為 1( ) l im [ ( ) ( ) ] ( )2 T s r s rTTR V t V t d t R tT?????? ? ?? （ 33） 式（ 33）表明，對兩個混有噪聲的 功率有限信號進行相乘和積分處理（相關檢測）后，可將信號從噪聲中檢測出來，噪聲被抑制。 互相關檢測可保留原函數(shù)的部分相位信息，可以獲得一定的互相關增益，能達到較好的檢測效果，在實際應用中常被采用。 小波變換理論采用在二維平面上分析信號，發(fā)現(xiàn)在合適的驚訝下原來是非平衡的跳變信號會呈現(xiàn)出同噪聲截然不同的特性，是一種變分辨率的時域分析方法。它不僅繼承和發(fā)展了窗口傅立葉變換的化思想，而且克服了窗口大小 不隨頻率變化，缺乏離散正交基的缺點。小波變換在分析低頻信號時其時間窗很大，而分析高頻信號時其時間窗較小，這恰符合實際問題中高頻信號持續(xù)時間短，低頻信號持續(xù)時間長的自然規(guī)律。 小波分析能有效地提高輸出信噪比，同時也適用其他非平衡信號的降噪，小波應用于降噪重建與數(shù)據(jù)壓縮、奇異點出降噪等方面在國內(nèi)外研究中已取得一定的 成果。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 希爾伯特黃變換 希爾伯特黃變換（ HHT）是一種新的非平衡信號處理方法，其本質是對非平衡信號進行簡化處理，將信號中不同尺度的波動或趨勢逐級分解開來，然后再進行時頻處理。 對于振動信號的檢測與識別，人們已經(jīng)對基于傅里葉變換的方法進行了許多研究，在穩(wěn)態(tài)信號檢測方面取得了滿意的結果，但在瞬態(tài)突變微弱信號的檢測與識別中卻不理想。希爾伯特黃變換在較高頻率、短時非平穩(wěn)信號的時頻分析處理中優(yōu)于傳統(tǒng)信號處理方法。 混沌檢測是與現(xiàn)在有的各種檢測方法完全不同的信號處理方法，它主要是用于混沌系 統(tǒng)對初值條件的極度敏感性，當將被檢測信號注入混沌系統(tǒng)后，就可以此混沌系統(tǒng)的動力學行為發(fā)生很大變化，根據(jù)這種變化，通過適應信號處理，從而測出被檢信號的各種參數(shù)。目前，常用的檢測微弱信號的混沌模型為間歇混沌模型 —— Duffing 振子。具體來說，間歇性混沌是指系統(tǒng)從有序向混沌或混沌向有序轉化時，在非平衡、非線性條件下，當某些參數(shù)的變化達到某一臨界閾值時，系統(tǒng)的時間行為在周期運動和混濁運動兩者之間振蕩，有關參數(shù)繼續(xù)變化時，整個系統(tǒng)由間歇性混沌發(fā)展成混沌。 二維相干技術 相干技術利用數(shù)學方法突出信號的相似 性，進而檢測微弱信號、反映異常特征的一項新技術。相干技術方法分為三代：第一代算法是基于互相關的一種算法，這種算法在信噪比較高的情況下對信號有較好的分辨能力，但抗噪能力較差，第二代算法是基于相似的算法，與第一代算法相比是計算相干性較好的算法，且分辨率較高，但資料品質對相干處理的效果仍有一定的影響，第三代算法是基于特征結構的一種算法。 對于淹沒在噪聲中的正統(tǒng)信號的幅度和相伴，可以利用鎖定放大器進行檢測，但是如果需要恢復淹沒在噪聲中的脈沖波形，則鎖定放大器是無能為力的。脈沖波形或 脈動小型的快速上升沿和下降沿包含豐富的高次諧波分量，鎖定放大器輸出級的低通濾波器會濾除這些高頻分量，導致脈沖波形的畸變，對于這類信華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 14 號的測量，必須使用其他有效的方法，取樣積分與數(shù)字式平均就是這樣的方法。為了恢復淹沒于噪聲中的快速變化的微弱信號，必須把每個信號周期分成苦干個時間間隔，間隔的大小取決于恢復信號所要求的精度。然后對于這些間隔的信號進行取樣，并 將處于相同位置的取樣進行積分或平均。積分過程常用模擬電路實現(xiàn)，稱之為取樣積分，平均過程常通過計算機以數(shù)字處理的方式實現(xiàn)，稱之為數(shù)字式平均。 鎖定放大器掏噪聲有三個基本出發(fā)點： （ 1）用調(diào)制器將直流或慢變信號的頻譜遷移到調(diào)制頻率處，再進行放大，以避開 1/f 噪聲的不利影響 （ 2）利用相敏檢測器實現(xiàn)調(diào)制信號的解調(diào)過程，可以同時利用頻率和進行檢測，噪聲與信號同頻又同相的概率很低 （ 3）用低通小小器而不是用帶通濾波器來抑制寬帶噪聲，低通濾波器的頻帶可以做得很窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠遠優(yōu)于帶通濾波器。 自適應噪聲抵消屬于自適應信號處理的領域，它是以干擾噪聲為處理對象，利用噪聲與被測信號不相關的特點，自適 應地調(diào)整濾波器的傳輸特性，盡可能的掏和衰減干擾噪聲，以提高信號檢測或信號傳遞的信噪比。 自適應噪聲抵消不需要預告知道干擾噪聲的統(tǒng)計特性，它能在逐次迭代的過程中將自身的工作狀態(tài)自適應地調(diào)整到最佳狀態(tài)，對抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲都有效，因此自適應噪聲抵消在通信、雷達、聲納、生物醫(yī)學工程等領域得到了廣泛的應用。 自應用噪聲抵消的核心是自適應濾波器，自應用濾波過程是用自適應算法調(diào)整數(shù)字濾波器的參數(shù)，以使濾波器輸出逼近傳感器逼近傳感器輸出信號中疊加的噪聲，這樣就可以使抵消器的輸出逼近被測信號。自適應濾波所采用的最優(yōu)準則有最小均方差準則，最小二乘準則，最大信噪比準則，統(tǒng)計檢測 準則以及其他一些最優(yōu)準則，其中應用最廣泛的準則是最小方差準則。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 調(diào)制解調(diào)法 在測控系統(tǒng)中，進入測控電路的除了傳感器輸出的測量信號外，還往往有各種噪聲，而傳感器的輸出信號一般又很微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分離來測控電路的一項重要任務。調(diào)制解調(diào)有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相三種形式，當被測信號與噪聲頻帶重疊時，為了便于區(qū)別信