分布式光纤传感数据采集系统设计

基于拉曼散射温度效应和光时域反射技术,设计了100 MHz高速数据采集系统SDLaser_DAQ600,实现对空间环境温度场测量。在数据采集系统中利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA),采用实时累加平均算法对原始光纤传感信号进行累加平均,支持10 km光纤实时采样,空间分辨率达到1 m。实验结果表明,65 536次数据累加平均可以得到平滑的斯托克斯和反斯托克斯曲线,使光纤传感信号的信噪比提高到90 d B以上,能够为分布式温度测量提供良好的数据支持。     

基于生产者-消费者程序结构的振动传感系统

低频振动常伴随自然灾害的发生,低频振动信号的实时准确检测对海底地震监测及海啸预警等领域的灾害探测具有重大意义,光纤振动传感器是实现低频信号检测的有效方式.设计了一类光纤振动信号传感系统的传感光路及相位解调单元,采用基于迈克尔逊干涉仪结构的顺变柱体传感检波器实现对传感系统中振动信号的转换和探测.针对光纤式低频振动信号传感系统的信号处理高实时性和高信噪比的难题,提出在信号解调处理单元引入LabVIEW的生产者-消费者程序结构模式,极大提高程序并行运算速率并有效释放上位机内存压力.经过系统整体联调测试实验验证,系统对0.01～1 Hz的超低频振动信号有高信噪比的输出,同时为光纤振动传感技术在低频频段研究工作提供参考.     

分布式光纤传感中用于快速检测的软硬件设计

针对目前分布式光纤传感系统检测速度慢的缺点，利用可编程逻辑器件(FPGA)芯片为核心设计能快速检测的数据采集系统，将1次全量程检测时间从30 s甚至几分钟缩至10 s以内，使得分布式光纤传感接近实时. 分布式光纤传感技术是光纤传感中最有应用前景的技术之一，其最大的优点是能实现大范围超长距离检测.介绍布里渊和拉曼这两类分布式传感的传感原理以及其重复性、帧结构的传感数据特点. 根据该特点设计基于FPGA内部的多个先入先出（FIFO）的超长环形队列进行数据缓冲和求均算法操作，对信号进行降噪处理，并设计基于USB20协议的CY7C68013A数据传输模块将数据传输到上位机显示和存储. 结果表明，该设计解决了分布式光纤传感中因测量时间长，不能实时检测的问题，实现准实时检测，大大提高分布式光纤传感的性能，可应用于需要准实时监测和大量传感器的场合.     

光子相关系统中的计数器设计

光子相关器设计的关键问题是实现高速实时相关运算,光子计数器作为光子相关器的重要装置,需要实时采集并存储光子计数值.针对其高频特点,提出了基于FPGA技术实现高速实时光子计数采集的方法,在FPGA内部构造双计数器,实现无缝光子计数.     

一种基于FPGA的互相关函数加速器设计

为了实现实时高性能目标识别,设计了一种基于FPGA的互相关函数加速器.通过合理的硬件设计与逻辑复用,使互相关函数计算速度得到提升.实验结果表明,加速器可以高速完成互相关函数计算,满足实时高分辨率图像目标识别系统的需求.     

分布式光纤振动传感信号数据采集系统设计

 针对大型周界安防预警系统,提出了一种分布式光纤振动传感信号采集系统设计,主要基于ARM+FPGA的嵌入式平台实现。根据分布式光纤振动传感信号的特点,数据采集系统以FPGA为主控制器,实现了脉冲波和连续波的双通道并行信号采集。FPGA接收ARM传送控制命令,采集硬件信号控制采样芯片AD9430和AD9203转换的数字信号,并将采集到的数据暂存于利用FPGA的IP核生成的FIFO缓存中,等待传送给ARM处理器。ARM处理器主要负责提供前端FPGA采集的各种参数并接收FPGA发送过来的数据。该数据采集系统中,ARM处理器和现场可编程门阵列FPGA的互联接口的设计是关键,主要是在内核层设计FPGA设备驱动,利用ARM的外部总线接口完成数据的传输。将数据采集系统应用于光纤监控预警安防系统,可以检测到脉冲波和连续波信号,提高系统实时性,为分布式光纤安防预警系统的研究提供了基础。     

双马赫-曾德尔分布式光纤扰动监测系统设计

为解决扰动监测系统定位精度低的问题, 基于对光纤马赫-曾德尔干涉的研究, 设计了改进型双马赫- 曾德尔分布式光纤扰动监测系统。 利用双马赫-曾德尔光纤传感系统光程差定位原理, 通过互相关算法估算光 程差导致的时间差确定扰动点。 淹没于高频噪声的扰动信号经自主设计的信号预处理电路, 采用低通巴特沃 斯滤波器滤除 3. 3 kHz 以上高频噪声, 通过嵌入式采集与处理模块对得到的数据进行平滑滤波, 提高了扰动信 号的相关性, 有效减小了定位误差。 通过多次重复测试和数据分析结果表明, 系统定位误差约为10 m, 可用于 扰动实时监测。     

矿井下分布式光纤定位精度及感测距离研究

煤矿井下分布式光纤定位系统通常采用双Mach-Zehnder 干涉仪分布式光纤振动传感技术,针对该技术存在感测距离短、系统空间分辨率低等问题,采用两个分布反馈( DFB: Distributed Feedback) 激光束和密集波分复用( DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing) 的非对称双Mach-Zehnder 干涉仪的分布式光纤振动传感技术,通过奇异值分解( SVD: Singular Value Decomposition) 算法进行降噪处理,并提出基于SVD 的互相关时延算法。实验证明,该算法能有效提高定位精度和感测距离,当感测距离为61 km 时,定位误差为51． 2 m。当矿井灾难发生时,能对被困人员精准定位,保障了有效救援时间。     

基于相关光谱和差分检测的气体传感系统

基于相关光谱和差分检测技术提出了一种新型的光纤气体传感系统,实现了对微量气体的高灵敏度、高准确度、实时在线检测.首先对该系统进行了详尽的理论分析,然后在合理选择实验器件的基础上搭建了一个光纤气体传感系统,测量乙炔气体的体积分数.该系统不仅消除了光强波动及待测气体中杂质气体的干扰,而且也避免了周围环境中噪声和杂散光的影响.实验结果表明,系统的分辨力可达0.5‰,测量灵敏度为6.62μV,最大绝对误差为0.15‰,相对误差为7.5%,稳定性为2.27%,重复性误差为0.817%.     

光纤布拉格光栅传感复用模式发展方向

系统分析讨论光纤布拉格光栅传感复用模式,通过研究波分复用、时分复用及空分复用模式的发展历史和现状,抽象出典型结构,建立数学模型,并总结出工程应用概况;通过分析波分复用、时分复用及空分复用模式的技术瓶颈,找出复用模式的改进方式,即3种经典复用模式的联合复用和复用结构系统的改进。最后,通过总结光纤光栅传感复用模式的发展,构建复用设计的体系结构。提出基于光纤布拉格光栅传感器实时数据提取的数字设计工程将是数字制造的一个重大科学前沿,提出光纤光栅传感复用模式的发展方向,即实现分布式传感系统、构建大规模传感网络和建立统一机理模型。     

基于互相关算法的单丝取向度测量方法

为保证单丝生产的品质,针对单丝取向度进行测量,提出基于互相关算法的单丝取向度测量方法。该方法采用声速法测量单丝取向度,选用STM32 作为微处理器,并设计了激励脉冲放大电路与接收信号处理电路。微处理器产生的单脉冲经激励脉冲放大电路后传递至发送端压电陶瓷传感器使其产生振动,接收信号处理电路对接收端的信号波形进行滤波、放大等操作后送至微处理器进行AD( Analog-to-Digital) 采集与存储。 根据相关性原理,计算传感器在不同位置的接收时间差,已知传感器移动距离,即可计算声音信号在单丝中的 声速,进而可通过公式计算得到取向度,经实验验证结果表明,测量精密度优于1%。     

基于FPGA的北斗B3I同步算法的研究与实现

针对BDS-B3I弱信号同步算法运算量大的难题,提出了一种改进算法。该算法先计算累加时长1ms的互相关序列,然后根据信号模型将运算结果扩展为累加时长20ms的互相关序列。基于FPGA技术,将改进算法简化为累加运算节约芯片开销,并设计一种并行+流水线化的电路结构,达到同时搜索多路卫星信号的目的。MATLAB仿真和FPGA验证表明,改进算法的计算量相比原始算法下降了90%,SNR>-34dB且频偏<±30Hz时捕获概率达到100%,流水线和并行化结构进一步加快卫星信号搜索速度,具有较强实用性。     

基于阵列式静电传感器的气固两相流流速检测

流动速度是反应气固两相流流动情况的重要参数之一。为了实现气固两相流流动速度准确而方便的检测,根据静电感应原理,设计了新型阵列式静电传感器,在分析了传感器电荷信号产生机理的基础上,设计并开发了微弱信号处理电路,搭建了用于气固两相流流速检测的重力输送实验装置。通过互相关算法得到了固体颗粒流动平均速度,与其他相关测量装置比较,该装置能够稳定、准确的实现气固两相流流速的检测,同时,更便于现场使用安装。     

Hartley变换在互相关分析中应用研究

在传统的Fourier变换方法的基础上,提出了基于Hartley变换的互相关分析方法,给出了Hartley变换用于互相关分析的明确表达式,并从算法复杂性(运算次数)与实际计算时间两方面与传统方法进行了分析比较,说明了Hartley变换方法在互相关分析技术中的优越性。     

WDA相关法时间延迟估计

相控阵超声检测中,相关法时间延迟估计是实现自适应聚焦的关键技术之一。为了消除噪声、模板窗口大小和缺陷特征等因素对相关法时间延迟估计的影响,结合检测超声回波信号的特点,提出了基于小波变换的相关法时间延迟估计方法。理论仿真和实验均证明该方法能有效抑制上述因素的影响,提高时间延迟估计精度。仿真计算表明:在可信度为0.95的情况下,信噪比提高了3.2dB,最小窗口大小从无穷大变成了3倍于探头中心频率对应周期,模板有效范围扩展了60%。     

基于动力响应互相关的古建筑木结构损伤识别

提出了基于互相关系数和互相关峰值变化率的古建筑木结构损伤识别和定位方法.以随机振动结构的某一测点为参考点,计算其他各测点与参考点的加速度响应之间的互相关函数,将所有的最大值组成互相关峰值向量(Cross-Correlation Peak Vector,CCPV).以两组CCPV之间的互相关系数作为损伤因子对结构进行损伤...     

基于DSP技术及互相关算法的光纤液滴传感器

光纤液滴分析技术是通过反映被测液体的液滴生长过程的光纤液滴指纹图,测量被测液体的物理、化学特性.互相关原理被用来对不同液体的光纤液滴指纹图进行对比分析,分析液体性质或判决2种液体的异同,DSP技术的使用提高了互相关运算的速度.基于DSP技术和互相关原理制作了实验室样机,并进行了样品测试.分别利用互相关函数和互相关系数测试了不同浓度的酒精溶液,测试结果显示,互相关函数峰值可以作为一种测量液体浓度的方法,酒精溶液的测量精度达到3.4%,而互相关系数法可以甄别不同浓度的酒精溶液,最小系数在60%以下.     

沪深300股指期现货市场间相依度测度实证研究

考虑金融市场间非线性、非正态性假设下的交叉相关性特征,基于复杂性理论视角,引入更符合金融市场实际的交叉相关性统计量检验、去趋势交叉相关性分析(DCCA)及多重分形去趋势交叉相关性分析(MF-DCCA)等方法对沪深300股指期现货市场间的相依度测度进行定量研究.研究结果表明:我国沪深300股指期现货市场不但自身具有长记忆性及多重分形特征,且两市场间也存在着显著的交叉相关性和交叉多重分形特征.上述研究结果将为深入研究多市场间非线性依赖关系和复杂特性机理提供有益参考.