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《电子科技大学》 2014年
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光纤法珀传感器解调方法的研究

盛龙  
【摘要】:光纤法珀传感器是一类重要的光纤传感器,其信号处理技术是传感器工程应用和技术推广的关键,基于傅立叶变换获取传感器反射信号频率的方法是一类经典方法,但这类方法存在很多缺陷,如插值和补零变换误差大,FFT无法针对某一特定频域做变换,CZT变换频率峰值信噪比不高,检峰难度大等。为了提高基于傅立叶变换的一类解调方法的精度和稳定性,提出了频率可调的MUSIC(Mutiple Signal Classification)解调算法。对该方法进行了如下研究:结合CZT变换原理改进了经典MUSIC算法,做到了可以任意设定变换的频率范围和自定义算法旋转因子,获得尖锐的频率峰值。通过仿真实验,分析了影响MUSIC算法的几个重要因素。通过对同一个法珀传感一段时间的检测,对比了FFT、CZT、经典MUSIC算法和改进的MUSIC算法波动范围,证明了改进算法减小了频率波动,在相同条件下,改进算法的波动范围只有经典MUSIC算法波动范围的一半。对单传感器和并联的多传感器解调,对比了FFT、CZT、经典MUSIC算法和改进的MUSIC算法,改进的MUSIC算法获得了噪声平滑,峰值尖锐的频域信号,证明了改进算法拥有更小的误差和更好的频谱。完成了FFT、CZT、经典MUSIC算法和改进MUSIC算法的MATLAB程序,在C++下完成了解调设备的控制程序。以上研究证明,改进的MUSIC算法能够获得较好的频谱,通过设定变换的频率范围和计算参数(如阵元个数和快拍次数等),能够获得更加稳定、误差更小、噪声平滑且峰值尖锐的频谱,该算法输出频率和腔长有近似于线性的拟合公式。最后对改进算法中仍存在的不足,本文介绍了几个解决思路。为解决MUSIC算法不适用于相关信号的情况,介绍了解相关的空间平滑算法。
【关键词】:光纤法珀传感器 解调 MUSIC算法 空间平滑算法
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TP212
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-9
  • 第一章 绪论9-12
  • 1.1 光纤传感器的优势9
  • 1.2 国内外研究动态9-10
  • 1.3 本文的主要研究内容和结构安排10-11
  • 1.4 本章小结11-12
  • 第二章 光纤法珀传感器基本原理12-23
  • 2.1 基本原理12-15
  • 2.2 传感器分类15
  • 2.3 解调算法15-22
  • 2.3.1 强度解调法15-18
  • 2.3.1.1 单波长强度解调法16-17
  • 2.3.1.2 双波长正交测量法17
  • 2.3.1.3 三波长解调法17-18
  • 2.3.2 相位解调法18-22
  • 2.3.2.1 条纹计数法18-19
  • 2.3.2.2 傅立叶变换法19-21
  • 2.3.2.3 离散腔长变换21-22
  • 2.4 本章小结22-23
  • 第三章 基于频率可调的MUSIC解调算法的研究23-46
  • 3.1 CHIRP-Z变换原理23-28
  • 3.1.1 离散傅立叶变换简述23-24
  • 3.1.2 基 2-FFT算法24-26
  • 3.1.3 CZT变换原理26-28
  • 3.2 MUSIC变换算法28-37
  • 3.2.1 阵列信号模型29
  • 3.2.2 算法原理29-32
  • 3.2.3 算法实现32-37
  • 3.2.3.1 MUSIC算法的影响因素34-37
  • 3.3 基于CZT原理的MUSIC改进算法37-40
  • 3.3.1 基本原理37-39
  • 3.3.2 频率扫描范围缩减率?39-40
  • 3.3.3 采样率对归一化频率的影响40
  • 3.4 空间平滑算法40-45
  • 3.4.1 空间前向平滑算法41-42
  • 3.4.2 空间后向平滑算法42-43
  • 3.4.3 空间前后向平滑算法43
  • 3.4.4 仿真结果43-45
  • 3.5 本章小结45-46
  • 第四章 MUSIC算法软件测试实验46-66
  • 4.1 系统硬件介绍46-48
  • 4.1.1 系统框图46
  • 4.1.2 采集卡46-48
  • 4.2 软件设计48-53
  • 4.2.1 C++与MATLAB联合编程48-52
  • 4.2.2 流程图52
  • 4.2.3 人机交互界面52-53
  • 4.3 实验结果53-65
  • 4.3.1 多项式拟合53-55
  • 4.3.2 频率波动实验55-59
  • 4.3.3 单传感器频率估计59-61
  • 4.3.4 多传感器频率估计61-63
  • 4.3.5 复杂度分析63-65
  • 4.4 本章小结65-66
  • 第五章 结论66-68
  • 致谢68-69
  • 参考文献69-71
  • 攻读硕士学位期间取得的成果71-72

【参考文献】
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