干涉型光纤水听器PGC数字式零差解调系统的开发

相位生成载波的零差解调技术被频繁用于干涉型光纤水听器的信号解调.然而由于模拟电路的电子元件间存在阻抗不匹配、过载等问题,因此解调系统不能达到最佳性能.为了克服上述问题,在LabVIEW平台下开发了PGC数字零差解调系统,并进行计算机仿真.结果表明,PGC数字零差解调系统具有很好的稳定性和实际可行性.     

光纤环镜在光栅传感解调系统中的应用

为实现高稳定性、高精度的波长干涉解调,研究了保偏光纤环镜在波长解调结构中的应用,设计并搭建了一种基于光纤环镜的新型光纤布拉格光栅传感器解调系统.依据传统的矩阵光学原理建立理论模型,分析采用保偏光纤环镜实现干涉解调的基本原理,研究了其结构参数对解调精度的影响并进行数值仿真验证.在理论指导的基础上,搭建光路模块,并基于LabVIEW软件设计了用于消除系统结构参数误差的测定软件与解调系统监控软件,研制电路模块,构成了完整的传感解调系统.经传感检测验证,该系统在20～90 ℃对温度的分辨率为0.03 ℃,准确度可达±0.1 ℃,实验结果与理论分析相吻合,展示了该系统具有良好的稳定性,较高的检测灵敏度和较强的适用性.     

针对 3×3 耦合器幅相非对称的光纤水听器解调方法

基于3×3耦合器法的光纤水听器解调容易受耦合器分光比非理想对称特性影响,导致水听器解调结果及测量信号不准确。为解决实际中3×3耦合器普遍存在的幅度、相位非对称引入的解调偏差问题,提出基于微分交叉相乘的干涉信号幅度和相位修正解调方法。通过对三路非对称干涉信号进行两两最小二乘椭圆拟合,得到干涉信号的实际幅度和相位参数,经去直流、归一化消除幅度不对称,并将所得包含非对称相位信息的信号两两微分交叉相乘,经三角函数变换解算信号相位及其修正系数,从而实现对光纤水听器输出信号的准确解调。仿真对比了本文方法和仅考虑幅度非对称情况的解调结果,并分析比较了两种处理方法随声信号频率、幅值变化的解调误差,前者得到接近理想信号波形的解调结果和更小的解调误差。依托消声水池开展了光纤水听器解调实验,在5～30 kHz频率范围对解调方法进行了对比验证,证明了本文解调方法的有效性和稳定性。     

利用光纤偏振分束器和保偏光纤的传感解调系统

提出了一种利用光纤偏振分束器(PBS)和保偏光纤(PMF)中偏振模间干涉原理实现光纤布拉格光栅波长解调的方案,以提高光纤光栅传感解调系统的解调精度和稳定性。运用矩阵光学原理建立了数学分析模型,由此给出了系统输出信号与光纤光栅布拉格波长之间的关系。通过仿真分析,研究了保偏光纤长度、输入光相对于保偏光纤主轴的偏振角度和光纤偏振分束器主轴方位对系统输出信号的影响,明确提出了提高系统灵敏度的方法。根据设计方案搭建了实验系统,并进行了实验验证。结果表明:该设计方案可行,系统的波长分辨率1pm,测量精度1pm,温度可测量范围为90℃。该系统测量精度高,其稳定性优于利用M-Z型干涉仪的解调装置。     

基于光纤环镜的光纤光栅传感解调系统

提出了一种新型的基于保偏光纤环镜的光纤布拉格光栅传感器解调方案。建立了理论分析模型,研究了保偏光纤环镜结构参数对解调精度影响的特性并进行了数值仿真。搭建了光路系统,设计了能够消除系统结构参数误差影响的基于LabVIEW的参数测定软件、解调系统监控软件和电路模块,进行了传感检测实验,其结果与理论分析相吻合。该系统稳定性好,检测灵敏度高,适用性强,在光纤光栅传感器的应用方面具有重要意义。     

光纤Bragg光栅传声器设计

在详细分析光纤Bragg光栅(FBG)振动传感原理的基础上,设计了基于悬臂梁结构的光纤光栅传声器.系统采用结构简单、解调速度快的线性斜边滤波解调方法,选用1 531 nm/1 551 nm的CWDM作为滤波器件,其边带斜率为13 dB/nm.分别进行了单频信号(300 Hz和4 kHz)测试实验及声音信号测试实验,表明该传声器具有良好的频率检测性能和较高的信噪比,可以无失真地传递人的声音.而且,该系统可以实现光源复用,降低系统成本.     

基于3×3耦合器光纤水听器的数字化解调方案

3×3耦合器方案是光纤水听器的实现形式之一.模拟电路实现的3×3耦合器解调方案往往会由于模拟器件的原因带来难以克服的不便以及性能缺陷.本文论述了3×3耦合器方式的光纤水听器解调方案,讨论了该方案由原理到实现过程中需考虑的具体问题,建立了基于NI公司动态数据采集平台的数字化解调系统,对系统性能进行了综合分析,并与模拟解调结果进行了对比.结果表明,数字系统可以解决模拟系统的若干问题,用数字方法实现解调功能可显著提高系统的性能.     

光纤光栅微弱信号检测的解调电路

为了在光纤光栅匹配解调系统中实现对光纤光栅微弱信号的检测与处理,在应用微弱光电信号检测原理的基础上设计一种高信噪比、高检测精度的解调电路,该解调电路采用低噪声电路元件参数选取原则和前置放大器设计的一般方法,在雪崩光电二极管与信号数模转换之间采用互阻放大器、巴特沃斯滤波电路和多级放大电路,实现了电路的最佳噪声匹配,有效地抑制了电路的噪声和干扰。该解调电路在光纤光栅匹配解调系统中具有很高的信噪比和测量精度,且具有很好的灵敏度,在测量低频率振动信号试验中具有优异的性能。实验表明:该电路解调系统在25～200 Hz正弦激励振动信号下具有很好的低噪声性能,精确的测试出振动信号,同时该电路所采用的方法与措施对其他测量系统也有借鉴意义。     

模型驱动的光纤光栅波长解调系统性能分析

为了揭示波长扫描方法中影响光纤光栅波长解调性能的因素,并为该方法的进一步发展提供必要的理论依据,开展了波长解调系统建模、仿真与实验研究工作。首先,根据信号的传输路径,建立了波长解调系统模型,并对波长解调原理进行了深入分析;接着,通过仿真计算详细研究了系统中光滤波器带宽、扫描范围与扫描范围内的有效采样点数、压电位移器的迟滞性与非线性对波长分辨率、误差等的影响;最后,搭建了光纤光栅波长解调系统,并进行了实验分析。实验中,通过改变系统参数得到了与仿真分析中相同的结论,当解调频率为10 Hz时,光纤光栅波长分辨率达到0.25 pm,当解调频率为100 Hz时,光纤光栅波长分辨率达到2.5 pm,实验结果验证了系统模型的有效性。     

便携式水听器测试仪的研究与实现

水声声压是声学测量中应用最广泛的参数,声学计量检定系统中对水听器声压灵敏度的校准有多种方法.传统的水声测试系统使用工业计算机及水声水池,体积相对庞大.伴随着新型器件、新材料和数据采集器的应用,利用比较法校准原理及声波导管理论,以嵌入式系统为核心,设计一种能够在普通密闭腔体内完成测试的便携式水听器测试仪.可以进行直流电阻、交流阻抗、灵敏度、极性测量,且具有扫频及自动校准功能,软件界面友好.对密闭声场的仿真及实测结果表明,该仪器测量以密闭声场代替水声水池,电压测量精度为0.5 mV,电压灵敏度级的测量精度高于0.8 dB,满足产品生产测试要求,应用前景良好.     

一种非平稳转速下不平衡信号提取方法

针对动平衡测量中实际存在的转速波动问题,提出一种基于经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)和瞬时频率估计的不平衡信号提取方法。与传统的平稳信号分析方法不同,该方法采用3次样条插值法从键相信号中获取转子的瞬时频率,由瞬时频率构造不平衡信号,进而采用最小二乘法(least square method,简称LSM)辨识出不平衡信号的幅值和相位。为提高幅值和相位估计的精度,采用EMD算法对振动信号进行滤波处理后,再从中抽取数据样本。仿真和实验结果表明,该方法能够有效克服转速波动和干扰信号对不平衡信号提取精度的不利影响,提高不平衡量测量精度和稳定性,非常适合于工程应用。     

Energy based signal parameter estimation method and a comparative study of different frequency estimators

The influences of window functions and noise on the performance of the energy-based signal parameter estimation method are investigated, and the appropriate parameters and algorithm are recommended accordingly. The frequency, amplitude and phase estimation variances of the energy based method are deduced and verified by computer simulation. The performances of four frequency estimation methods are compared: the energy based method, the interpolation based method, the phase difference based method and the Fourier transform (FT) continuous zoom based method. For the second and third methods, the Quinn algorithm and the phase difference based method with factor η=0.5 are recommended, respectively. It was found that each method has its own advantages. The energy based method has the best stability compared with others. The interpolated method has the lowest frequency estimation variance when the frequency biasδ is large, while the phase-difference based method does better when δ is low. The change of δ does not influence the maximum frequency estimation error of the FT continuous zoom based method. Comparatively speaking, the phase-difference based method has the least frequency estimation error.     

自适应SA-PSO优化的威布尔混合分布参数估计方法及应用

针对采用传统参数估计方法得到的模型拟合误差较大的问题，建立多重威布尔混合分布参数估计的非线性最小二乘模型，并提出基于模拟退火（SA）思想的自适应粒子群（PSO）算法进行求解。在PSO算法优化过程中，采用自适应方法调整惯性权重和加速因子，加快其收敛速度；引入模拟退火机制，根据Metropolis准则确定最优粒子的取舍，改善其全局搜索能力。将该方法应用到某型柴油机喷油器失效分布的参数估计中，并与图解法、基于Levenberg-Marquardt的非线性最小二乘法、标准PSO算法、自适应PSO算法求解的结果进行比较，分析所提方法的优化性能及精度。结果表明，该方法能够有效提高多重威布尔混合分布模型参数估计的精度和效率。     

基于多普勒调制时移 Laplace 小波的列车轴承故障声 信号瞬态成分快速提取方法

提出了一种基于多普勒调制时移Laplace小波的列车轴承故障声信号瞬态成分快速提取方法,包含“先粗后精”两个步骤：1)瞬态参数粗估计,利用现有的多普勒调制等周期Laplace小波模型粗略估计瞬态参数;2)参数精确估计与瞬态成分提取,构造多普勒调制时移Laplace小波模型,使用逐个匹配的策略进行瞬态参数精确估计和瞬态成分的提取。所提方法具有以下优点：1)更高的精度,使用的多普勒调制时移Laplace小波模型在时域内仅有一个时延参数定位的小波成分,能够解决周期瞬态模型在提取伪周期瞬态成分时匹配误差问题;2)高效率,由于使用了周期瞬态模型粗略估计瞬态成分参数,因此在瞬态成分逐个提取的过程中小波参数的范围可以设的很小,实验对比分析结果显示,与直接提取方式相比效率提高了71.46%。本研究提供了一种从含有多普勒畸变的列车轴承故障声信号中精确地、高效率地提取瞬态成分的方法。     

Profile monitoring in the presence of outliers

The performance of a process or product is usually characterized by a univariate response variable or a vector of response variables. However, in some applications, the performance of a process or product can better be characterized by a relationship between a response variable and one or more explanatory variables. This relationship which is often referred to as profile should be monitored over time to ensure proper performance of the process or product. In phase I or retrospective phase, profile parameters are unknown and should be estimated from a set of historical observations. In phase II or prospective phase, the estimated parameters are used to construct the required monitoring schemes to monitor process or product performance in the future. This paper addresses the issue of outliers in phase I. It should be noted that if these outliers are neglected during parameter estimation procedure, then the designed control charts applied in phase II lack the sufficient effectiveness in detecting shifts. This article proposes two approaches based on M-estimator and Theil–Sen method to obtain robust parameter estimations when outliers are present. A simulation study on a numerical example is executed, and the results show that the performance of the control charts designed by the proposed methods is uniformly better than the case when outlier profiles are present and traditional estimation methods such as maximum likelihood estimation (MLE) are applied. Moreover, it is shown that control charts based on Theil–Sen estimates outperform the ones based on the M-estimator method in terms of average run length (ARL) criterion significantly.     

USING CROSS—CORRELATION THEORY TO EXTRACT MODAL PARAMETERS IN FREQUENCY—DOMAIN

Conventional modal parameter identifications are usually based on frequency response functions, which require measurements of both the input force and the resulting response. However, in many cases, only response data are available while the actual excitations (such as wind/wave load) are not measurable. Modal parameters estimation must base itself on response-only data. Over the past years, many time-domain modal parameter identification techniques from output-only are proposed. A poly-reference frequency-domain modal identification scheme on response-only is presented. It is based on coupling the cross-correlation theory with conventional frequency-domain modal parameter extraction. An experiment using an airplane model is performed to verify the proposed method.     

基于遗传算法的最大似然参数优化估计

用最大似然法进行参数优化估计时，为了避免常规优化算法由于受迭代初值的影响不易收敛到全局最优解的缺点，文中采用遗传算法，不再需要估计优化变量的初始值即可获得全局近似最优解。建立以似然函数为目标，求其极大值点即可确定参数最优解的优化模型。为了更好地确保遗传算法获得全局最优解，在传统遗传算法的基础上采用尺度变换适应度函数、并行操作、保留最优个体等方法，进一步保证方程解的精度。最后以威布尔分布为例进行参数估计，结果表明，改进的遗传算法可以在求解效率和收敛性能上达到较好的平衡，能更好地将优化方法与最大似然估计法相结合。     

基于信息熵融合提取特征的发动机气路分析

针对航空发动机多源信息冗余的健康参数估计问题,提出基于信息熵融合的特征提取方法,将其用于涡轴发动机气路分析中。分别采用近似熵和互信息熵2种方法分析不同故障模式下传感器参数,对特征信息进行融合提取,根据2种信息熵不同特点将每种故障模式下传感器参数分成强、弱2类,利用弱特征信号构建虚拟传感器,最后通过简约强特征信息和虚拟传感器信息解决最小二乘支持向量回归机的样本稀疏性问题,实现健康参数蜕化估计。仿真结果表明采用信息熵融合的特征提取方法有效地减少了输入参数维数,简约了特征样本,从而提高了发动机健康估计能力。     

结合 FastICA 与 EKF 的腹部源胎儿心电信号提取

针对腹部源信号,本文提出一种结合快速独立分量分析(FastICA)与扩展卡尔曼滤波(EKF)的胎儿心电信号提取方法。首先抑制原始母体腹壁混合信号中的基线漂移、工频干扰和脉冲伪迹。然后使用FastICA从母体腹壁混合信号中分离得到母体心电信号估计以及含有残留母体心电成分和其他噪声的胎儿心电信号估计。使用EKF对胎儿心电信号估计进行滤波得到残留的母体心电成分估计,将其抑制后获得含噪声的胎儿心电信号。最后再次使用EKF提取得到清晰的胎儿心电信号。采用临床数据进行实验,本文提出的胎儿心电信号提取方法的灵敏度、阳性预测值和F_1分数分别为99.27%, 94.35%, 96.71%,其基于互相关系数和基于特征值分析的信噪比分别为6.145 4 dB和6.509 6 dB。实验结果表明本文提出的方法在主观视觉效果和客观评价指标上均优于传统的胎儿心电信号提取方法。     

NOISE INFLUENCE ON ESTIMATION OF SIGNAL PARAMETER FROM THE PHASE DIFFERENCE OF DISCRETE FOURIER TRANSFORMS

This paper investigates the noise influence on the performance of the phase-difference-based signal parameter estimation method. The circular nature of the estimators that may be harmful to parameter estimation is explored, and a simple strategy to unwrap the circular estimators is proposed. Analytical expressions of the estimator variances, which allow both the evaluation of the result accuracy and the design of the measurement procedure, are derived, and they indicate that for noisy signals, comparing with the popular interpolation-based method, the phase-difference-based method provides superior accuracy in frequency and phase estimates, and approximately equal accuracy in amplitude estimates. Simulation results confirm the validity of the presented analysis.