VBOTDA系统相位解调算法设计与实验验证-论文
基于ＳＶＤ_的ＢＯＴＤＡ_测温系统的解调算法研究
收稿日期：２０２２－１０－１９基金项目：国防科工局项目（ＪＳＺＬ２０１６２０３Ｃ００２）引用格式：谢良康，马国轩，李炜，等．基于ＳＶＤ的ＢＯＴＤＡ测温系统的解调算法研究［Ｊ］．测控技术，２０２３，４２（１１）：１３－１７．ＸＩＥＬＫ，ＭＡＧＸ，ＬＩＷ，ｅｔａｌ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＢＯＴＤＡＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＳＶＤ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２３，４２（１１）：１３－１７．基于ＳＶＤ的ＢＯＴＤＡ测温系统的解调算法研究谢良康１，马国轩１，李 炜１，康希锐１，程养民２（１．陕西电器研究所，陕西西安 ７１００２５；２．西安航天动力技术研究所，陕西西安 ７１００２５）摘要：基于布里渊光时域分析（ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＡｎａｌｙｓｉｓ，ＢＯＴＤＡ）的分布式光纤传感器具有测量范围远、精度高、可测温和测应变等优势，目前在大范围、长距离传感领域中广泛应用，如桥梁、建筑、道路等。
然而目前大部分布里渊散射信号都是运用洛伦兹拟合算法进行寻峰解调，解调精度受噪声影响较大。
提出一种基于奇异值分解（ＳｉｎｇｕｌａｒＶａｌｕｅＤｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＳＶＤ）的降噪寻峰算法，利用Ｈａｎｋｅｌ矩阵对测温信号进行升维，对ＢＯＴＤＡ测温系统的仿真信号进行分解，并通过实验验证了利用ＳＶＤ对测温信号降噪来提升测温精度的可行性。
关键词：光纤传感；布里渊散射；奇异值分解；Ｈａｎｋｅｌ矩阵；去噪中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－８８２９（２０２３）１１－００１３－０５ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２３．０５．２３０ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＢＯＴＤＡＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＳＶＤＸＩＥＬｉａｎｇｋａｎｇ１牞ＭＡＧｕｏｘｕａｎ１牞ＬＩＷｅｉ１牞ＫＡＮＧＸｉｒｕｉ１牞ＣＨＥＮＧＹａｎｇｍｉｎ２牗１．ＳｈａａｎｘｉＥｌｅｃｔｒｉｃＡｐｐｌｉａｎｃｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ牞Ｘｉ ａｎ７１００２５牞Ｃｈｉｎａ牷２．Ｘｉ ａｎＡｅｒｏｓｐａｃｅＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ牞Ｘｉ ａｎ７１００２５牞Ｃｈｉｎａ牘Ａｂｓｔｒａｃｔ牶ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒｓｂａｓｅｄｏｎＢｒｉｌｌｏｕｉｎｏｐｔｉｃａｌｔｉｍｅｄｏｍａｉｎａｎａｌｙｓｉｓ牗ＢＯＴＤＡ牘ｈａｖｅｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｌｏｎｇｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒａｎｇｅ牞ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ牞ｃａｐａｂｌｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｓｔｒａｉｎｍｅａｓｕｒｅ ｍｅｎｔ牞ｅｔｃ．牞ａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ牞ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄｓ牞ｓｕｃｈａｓｂｒｉｄｇｅｓ牞ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ牞ｒｏａｄｓ牞ｅｔｃ．Ｈｏｗｅｖｅｒ牞ｍｏｓｔｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔＢｒｉｌｌｏｕｉｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｓｉｇｎａｌｓａｒｅｕｓｉｎｇＬｏｒｅｎｔｚｆｉｔｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｐｅａｋｆｉｎｄｉｎｇｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ牞ａｎｄｔｈｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｉｓｇｒｅａｔｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｎｏｉｓｅ．Ａｎｏｉｓｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｐｅａｋｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｇｕｌａｒｖａｌｕｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ牗ＳＶＤ牘ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｇｎａｌｉｓｒａｉｓｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＨａｎｋｅｌｍａｔｒｉｘ牞ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｏｆｔｈｅＢＯＴＤＡｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅ ｃｏｍｐｏｓｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｕｓｉｎｇＳＶＤｔｏｒｅｄｕｓｅｔｈｅｎｏｉｓｅｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｇｎａｌｔｏｉｍ ｐｒｏｖｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｉｎｇ牷Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ牷ＳＶＤ牷Ｈａｎｋｅｌｍａｔｒｉｘ牷ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ与传统的电学传感器相比，分布式光纤传感器可以把信息传感和传输结合在一起，有着传感距离长、抗电磁干扰、测量精度高、成本低等优势。
《2024年BOTDR分布式光纤传感系统解调技术的研究》范文
《BOTDR分布式光纤传感系统解调技术的研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，光纤传感技术已成为现代工业、军事、医疗等多个领域的重要应用技术。
其中，BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，布里渊光时域反射仪）分布式光纤传感系统因其高灵敏度、高空间分辨率和长距离监测能力而备受关注。
然而，解调技术作为BOTDR系统的核心，其性能直接决定了系统的测量精度和稳定性。
因此，对BOTDR分布式光纤传感系统解调技术的研究具有重要的理论和实践意义。
二、BOTDR分布式光纤传感系统概述BOTDR分布式光纤传感系统是一种基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术。
它通过分析光在光纤中传播时的散射信号，实现对光纤沿线温度、应变等物理量的测量。
其核心原理是利用布里渊散射的光频移动来推断出沿光纤分布的物理量信息。
三、解调技术原理及研究现状BOTDR系统的解调技术主要涉及光信号的采集、处理和分析。
目前，常用的解调方法包括时域分析法和频域分析法。
时域分析法具有较高的空间分辨率，但信号处理复杂；频域分析法则具有较高的信噪比，但空间分辨率相对较低。
因此，研究者们不断探索新的解调技术，以提高系统的性能。
四、解调技术的研究内容（一）信号采集与预处理信号采集是BOTDR系统的第一步，它直接影响到后续的处理和分析。
为了提高信号的质量，需要采用高灵敏度的光电探测器对光纤中的散射光进行采集。
同时，为了消除噪声干扰，还需要对采集到的信号进行预处理，如滤波、放大等。
（二）时域与频域分析方法研究时域分析法和频域分析法是BOTDR系统解调技术的两种主要方法。
在时域分析方面，研究者们通过改进算法，提高空间分辨率和测量精度。
在频域分析方面，则着重于提高信噪比，以实现对光纤沿线物理量的精确测量。
此外，还有一些新的解调方法，如基于机器学习的解调方法，通过训练模型来提高解调速度和精度。
（三）解调技术的优化与改进为了进一步提高BOTDR系统的性能，研究者们不断对解调技术进行优化与改进。
《2024年BOTDR分布式光纤传感系统解调技术的研究》范文
《BOTDR分布式光纤传感系统解调技术的研究》篇一摘要：本文主要针对BOTDR（基于光时域反射技术的分布式光纤传感系统）的解调技术进行深入研究。
首先，介绍了BOTDR系统的基本原理和特点；其次，详细分析了当前解调技术的研究现状及存在的问题；最后，提出了新的解调方法，并通过实验验证了其有效性和可靠性。
一、引言随着光纤传感技术的不断发展，BOTDR分布式光纤传感系统因其高灵敏度、长距离监测等优势，在电力、石油、交通、航空航天等领域得到了广泛应用。
然而，解调技术作为BOTDR系统的关键技术之一，其性能直接影响到系统的测量精度和稳定性。
因此，对BOTDR分布式光纤传感系统解调技术的研究具有重要意义。
二、BOTDR分布式光纤传感系统基本原理及特点BOTDR系统通过向光纤中注入光脉冲，利用光时域反射技术（OTDR）测量光纤中后向散射光信号的传播时间及幅度变化，从而推算出外界物理量的变化。
其基本原理包括光的传输、后向散射效应及信号处理等过程。
BOTDR系统的特点包括长距离监测、高灵敏度、抗电磁干扰等。
三、BOTDR解调技术的研究现状及存在的问题目前，BOTDR解调技术的研究主要集中在提高解调速度、提高测量精度及降低系统成本等方面。
然而，现有解调技术仍存在一些问题，如信号噪声干扰、解调算法复杂度高、动态范围受限等。
这些问题限制了BOTDR系统的性能和应用范围。
四、新的解调方法研究针对上述问题，本文提出了一种新的解调方法。
该方法通过优化信号处理算法，降低噪声干扰，提高解调速度和精度。
具体包括以下几个方面：1. 优化信号采集与预处理：在信号采集阶段，采用高精度、高采样率的采样设备，以获取更多的光纤后向散射信息。
在预处理阶段，通过数字滤波技术，去除信号中的噪声和干扰。
2. 改进解调算法：采用基于最小二乘法的拟合算法，对光纤后向散射信号进行拟合处理，以降低解调算法的复杂度，提高解调速度和精度。
3. 动态范围扩展：通过优化信号处理流程，采用分段线性化处理方法，有效扩展了系统的动态范围，提高了系统对不同强度信号的测量能力。
基于Labview的光纤传感器相位解调技术
基于Labview的光纤传感器相位解调技术摘要:本文先容了相位调制型光纤传感器解调原理以及当前常用的解调方法,具体论述了基于3×3耦合器的无源零差对称解调原理及基于Labview软件开发平台的相位解调方法。
实验结果显示该方法可实现对相位调制信号的正确解调。
与传统硬件解调方法相比,该方法具有易于开发、便于实现微机处理等突出特点.关键词:光纤传感器;相位调制;解调;无源零差法; Labview随着对光纤性质研究的逐步深进,发现外界信号可对光纤中传播的光波进行调制,由此诞生了光纤传感技术1目前光纤传感器已经广泛应用于很多领域, 在地震检测、温度报警等方面广泛应用。
各种类型的光纤传感器各有其明显的特点。
光相位调制型传感器因其灵敏度高、便于实现全光纤传感等优点而在近年来得到了深进的研究.1 相位调制型传感器调制基本原理与干涉解调结构相位调制是指当传感光纤受到外界机械或温度场的作用时,外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化,从而导致光纤中的光相位变化,以实现对光相位的调制.在光纤中传播常数为的光波通过长度为l的光纤, 会产生相位延迟：则式(2)中Δl为纤长l的变化;Δα为纤芯半径α的变化;Δn为纤芯折射率n的变化;所得即为光相位的变化。
图1 基于2 ×2和3 ×3耦合器的马赫—泽德(Mach - Zehnder)干涉仪图1为基于2 ×2和3 ×3耦合器的马赫—泽德(Mach - Zehnder)干涉仪。
其中激光器发出的相干光经3dB耦合器C1分成光强比1∶1的两束光分别进进信号臂和参考臂光纤,再经3×3对称耦合器C2汇合相干形成调制的干涉条纹,在终端采用光电探测器D检测干涉光强的变化,在光纤参量基本恒定的条件下,信号臂与参考臂之间的位相差变化正比于外界信号。
由于目前的光探测器不能直接探测或读出光的相位差值,故通常采用干涉法将光的相位差信号转换成为相应的干涉条纹光强变化1由光束干涉原理可知,干涉仪产生的干涉光强I可记为:式(3)中I0为干涉场的固定直流分量, K0为干涉引起的变化峰值(幅度) , p ( t)为外界信号的作用规律,而Φ则为光纤干涉臂不等长引起的固定相位差(通常计进p( t)中) .干涉过程是一种非线性调谐作用,因此随着信号峰值及频率的不同干涉波形会产生很大的变化。
VBOTDA
S TUD Y ON O P T I C A LC OMMUN I C AT I ON S
光 通 信Leabharlann 研 究2 0 1 5. 1 0 ( ) S u m. N o . 1 9 1
: / d o i 1 0. 1 3 7 5 6 . t x . 2 0 1 5. 0 5. 0 0 2 j g y j
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光通信系统与网络技术
V B OT D A 系统相位解调算法设计与实验验证
李永倩 , 李 攀, 安 琪, 李晓娟
( ) 华北电力大学 电子与通信工程系 , 河北 保定 0 7 1 0 0 3
摘要 : 深入研究了 V 矢量布里渊光时域分析 ) 系统的原理 , 该系统在传统 B 布里渊光时 域 分 析 ) 系统的基础上 B OT D A( O T D A( 采用外差方案 , 可提高系统信噪比并获得布里渊相移信息 。 文 章 提 出 了 一 种 将 叠 加 平 均 去 噪 算 法 与 F 快 速 傅 里 叶 变 换) F T( — — 频谱算法 , 分析法相结合的相位解调方法 — 进行了理论分析并搭建实 验 平 台 验 证 了 该 算 法 的 可 行 性 和 有 效 性 。 结 果 表 明 , 该算法对不同信噪比下的信号均有较好的解调效果 ; 对幅值为 0. 采 用 10 3V 且噪声 标 准 偏 差 为 0. 5V 的信号, 0 0次叠加平 均的频谱算法 , 相位相对测量误差可降至 0. 7 1% 。 关键词 : 受激布里渊散射 ; 相位解调 ; 频谱算法 V B O T D A 系统 ; ( ) 中图分类号 : 文献标志码 : 文章编号 : T N 2 4 7 A 1 0 0 5 8 7 8 8 2 0 1 5 0 5 0 0 0 4 0 4
一种相位调制的微波移相实现新设计
一种相位调制的微波移相实现新设计摘要相位调制有多种实现方法。
常见的是正交调制。
文中提出了一种采用微波移相技术实现相位调制的新设计，通过与正交调制方法进行对比，实现了2，8，16，32和64相的相位调制。
实测表明，文中设计的移相误差<1.2°，误码率达到了常见的正交相位调制实现技术的误码水平。
此外新设计无需常见的正交相位调制实现技术所必须的数模转换器、正交调制器和混频器，使系统得以简化，且成本有所降低。
相位调制有多种实现方法，既有模拟方法，也有数字方法。
近年来，随着数字技术和软件无线电技术的发展，数字通信逐渐成为主流。
相位调制技术研究也主要集中在数字方法方面。
文献提出基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字相位调制的实现方法，并采用直接频率合成技术和查找表技术，在一片FPGA芯片上实现适用于卫星通信的相位调制技术。
但由于其对数字处理芯片的处理速度要求较高，所以其应用仅限于专业研究领域。
文献介绍了数字通信系统中相位调制的多种实现方法，包括模拟相位选择方法、键控相位选择法和正交调制法。
模拟相位选择方法和键控相位选择法是早期基于模拟相位调制的实现方法，目前已很少使用。
而正交调制法适应了数字技术的发展需要，能实现绝对调相和相对调相，也可实现多进制调相，是目前最常用的相位实现方法。
但正交调制法需要与数模转换器件及正交调制器联合使用，有时还需上变频器，因此成本较高。
当前，微波移相技术得到了广泛研究。
而简单、低成本的移相实现技术一直是研究的热点，文献设计了一种新型的适用于相控天线阵的Radant透镜式移相器，但对其在相位调制系统中的应用未作研究。
文献提出一种基于微波移相系统的PSK调制技术，但对设计的测试结果缺乏深入的对比和分析，本文结合相位调制和微波移相技术提出了采用正交调制和微波移相两种方法实现相位调制的新设计。
实现了2，4，8，16，32和64相的相位调制，同时对其进行了对比。
实际测试表明，采用该技术制作的无线发射系统进行通信，误码率达到了常用正交调制器的误码水平，结构简化、成本更低。
Matlab中的相位解调与解调器设计技巧
Matlab中的相位解调与解调器设计技巧相位解调是一种常用的通信技术，用于从调幅信号中恢复出原始的基带信号。
在通信系统中，常见的调幅信号包括正交振幅调制（QAM）和二进制相移键控（BPSK）信号。
Matlab是一个功能强大的工具，提供了灵活且有效的相位解调算法和解调器设计技巧。
本文将深入探讨Matlab中的相位解调方法和一些实用的解调器设计技巧。
一、相位解调基础1.1 调幅信号的相位解调调幅信号的相位解调是从调幅信号中恢复出原始的基带信号，该过程用于在通信系统中传输数据。
相位解调常用于解调正交振幅调制（QAM）和二进制相移键控（BPSK）信号。
在Matlab中，可以使用信号处理工具箱中的相位解调函数来实现。
1.2 相位解调的基本原理相位解调的基本原理是通过提取调幅信号的相位来还原基带信号。
对于正交振幅调制（QAM）信号，可以使用估计方法如最大似然估计（ML）或最小均方误差（MMSE）来估计信号的相位。
对于二进制相移键控（BPSK）信号，可以简单地通过判断信号的相位是否在特定区域内，来确定相位为0或π。
二、Matlab中的相位解调方法2.1 频率锁定环（PLL）解调技术频率锁定环（PLL）是一种常用于相位解调的技术。
PLL通过不断地调整局部振荡器的频率和相位，使其与输入信号的相位保持一致。
在Matlab中，可以使用信号处理工具箱中的PLL函数来实现频率锁定环解调。
2.2 Costas环解调技术Costas环是一种广泛应用于二进制相移键控（BPSK）信号解调的技术。
Costas 环通过两个混频器和两个低通滤波器来提取信号的相位信息，并使用相位差锁定环（PLL）来实现相位解调。
在Matlab中，可以使用信号处理工具箱中的Costas环函数来实现Costas环解调。
2.3 似然比解调技术似然比解调是一种常用于正交振幅调制（QAM）信号解调的技术。
似然比解调通过计算接收到的信号的似然比，来确定信号的相位和幅度。
一种相位编码脉冲压缩V波段脉冲多普勒引信设计
一种相位编码脉冲压缩V波段脉冲多普勒引信设计一、脉冲多普勒引信的概念脉冲多普勒引信是一种用于识别目标速度和位置的雷达引信。
它可以通过频率调制的方式来获取目标的速度信息，同时也可以通过脉冲压缩技术来获取目标的距离信息。
脉冲多普勒引信在现代军事中扮演着非常重要的角色。
二、V波段脉冲多普勒引信的设计原理V波段是一种工作在30~300GHz频段的电磁波。
由于V波段的高频特性，使得其在雷达引信中具有更高的精度和分辨率。
相位编码是一种常用的信号处理技术，通过改变波形的相位来实现信息的编码和解码。
基于V波段的脉冲多普勒引信设计中，可以采用相位编码的方式来实现信号的编码和解码。
三、相位编码脉冲压缩V波段脉冲多普勒引信的设计方案在设计过程中，首先需要确定V波段脉冲多普勒引信的工作频率范围和参数要求。
然后，可以采用相位编码技术来实现脉冲多普勒引信的信号编码。
具体来说，可以通过改变脉冲的相位来实现信号的编码和解码。
在此基础上，可以结合脉冲压缩技术来实现对目标的高分辨率距离测量。
还可以通过频率调制的方式来获取目标的速度信息。
最终，可以实现对目标的速度和位置信息的准确获取。
四、V波段脉冲多普勒引信的应用V波段脉冲多普勒引信在军事领域具有广泛的应用前景。
在导弹导航系统中，可以利用V波段脉冲多普勒引信来实现对目标的高精度定位和跟踪。
在飞机雷达系统中，也可以利用V波段脉冲多普勒引信来实现对目标的高速度测量。
在军事侦察和情报收集中，V波段脉冲多普勒引信也可以发挥重要作用。
V波段脉冲多普勒引信具有广泛的应用前景和重要的军事意义。
五、结论本文主要介绍了一种基于相位编码的V波段脉冲多普勒引信设计。
通过对V波段脉冲多普勒引信的设计原理和技术方案的分析，可以发现V波段脉冲多普勒引信具有很高的精度和分辨率，具有广泛的应用前景和重要的军事意义。
相信随着科技的不断发展，V波段脉冲多普勒引信技术将会在未来的军事领域发挥更大的作用。
《分布式振动传感系统解调方法研究》范文
《分布式振动传感系统解调方法研究》篇一一、引言分布式振动传感系统在现代工程、物理和安全监控领域扮演着日益重要的角色。
由于振动信息能反映出丰富的动态状态，如机器健康状态、地质结构、声源位置等，所以对其精确测量和快速响应成为了技术进步的标志。
解调作为分布式振动传感系统的重要环节，对于提升信号质量和解析振动信息具有重要意义。
本文将深入探讨分布式振动传感系统的解调方法研究。
二、分布式振动传感系统概述分布式振动传感系统通常利用光纤或无线传感器网络等媒介，实现对空间中振动信号的实时监测和传输。
其核心在于通过高灵敏度的传感器捕捉振动信息，并通过解调技术将原始信号转换为可分析的波形或数据。
其特点在于覆盖面广、高灵敏度和高可靠性。
三、常见的解调方法及问题1. 传统的频域分析解调方法：此类方法主要是对采集到的信号进行傅里叶变换，通过频谱分析得到信号的频率组成。
但这种方法对于非稳态或非周期性信号的处理效果不佳。
2. 时域分析解调方法：包括相关分析、小波变换等，这类方法能够较好地处理非稳态信号，但计算复杂度较高，实时性有待提高。
3. 现有方法的不足：当前解调方法在处理复杂信号时，往往面临准确度与效率之间的平衡问题。
尤其是当面临环境噪声大、信号波动性高时，传统的解调方法很难给出精确的结果。
四、新解调方法的研究为了克服传统方法的不足，本文提出一种基于自适应滤波和深度学习的解调方法。
该方法结合了自适应滤波器对噪声的抑制能力和深度学习对复杂信号的处理能力。
1. 自适应滤波器：通过实时调整滤波器参数，对原始信号进行预处理，以去除或减小环境噪声的干扰。
2. 深度学习模型：采用卷积神经网络（CNN）或循环神经网络（RNN）等深度学习模型，对预处理后的信号进行特征提取和波形重建。
通过训练模型，使其能够适应不同环境和信号条件下的解调需求。
五、实验与结果分析为了验证新解调方法的性能，我们进行了实验室和现场实验。
实验结果表明，新方法在处理复杂振动信号时，具有更高的准确性和稳定性。
VBOTDA 系统相位解调算法设计与实验验证
VBOTDA 系统相位解调算法设计与实验验证李永倩;李攀;安琪;李晓娟【摘要】深入研究了 VBOTDA(矢量布里渊光时域分析)系统的原理，该系统在传统 BOTDA(布里渊光时域分析)系统的基础上采用外差方案，可提高系统信噪比并获得布里渊相移信息。
文章提出了一种将叠加平均去噪算法与 FFT(快速傅里叶变换)分析法相结合的相位解调方法———频谱算法，进行了理论分析并搭建实验平台验证了该算法的可行性和有效性。
结果表明，该算法对不同信噪比下的信号均有较好的解调效果；对幅值为0.3 V 且噪声标准偏差为0.5 V 的信号，采用1000次叠加平均的频谱算法，相位相对测量误差可降至0.71%。
%This paper studies in-depth the principle of the Vector Brillouin Optical Time Domain Analysis (VBOTDA)system. This system adopts a heterodyne detection scheme on the basis of the conventional BOTDA system,thereby enhancing the sys-tem Signal-to-Noise Ratio (SNR)and acquiring Brillouin phase-shift information.Then,it proposes a phase demodulation method,i.e.the spectrum algorithm that combines the superimposed average denoising algorithm with the FFT analysis.The-oretical analysis and experimental demonstration verify its feasibility and effectiveness in that it is effective in demodulating sig-nals with different SNR and for signals with 0.3 V amplitude and noise standard deviation of 0.5 V,and the phase relative measuring error can be lowered to 0.71% when the spectrum algorithm superimposed 1 000 times is used.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】4页(P4-7)【关键词】受激布里渊散射;VBOTDA 系统;相位解调;频谱算法【作者】李永倩;李攀;安琪;李晓娟【作者单位】华北电力大学电子与通信工程系，河北保定 071003;华北电力大学电子与通信工程系，河北保定 071003;华北电力大学电子与通信工程系，河北保定 071003;华北电力大学电子与通信工程系，河北保定 071003【正文语种】中文【中图分类】TN247基于SBS(受激布里渊散射)的BOTDA(布里渊光时域分析)系统能够实现温度/应变的长距离、高空间分辨率测量[1-2],在石油管道、电力电缆等的温度/应变监测领域得到了广泛应用。
一种相位编码脉冲压缩V波段脉冲多普勒引信设计
一种相位编码脉冲压缩V波段脉冲多普勒引信设计引言脉冲多普勒雷达系统广泛应用于导航、地质勘探、气象监测等领域。
脉冲多普勒引信作为雷达系统中不可或缺的重要组成部分，其设计与性能对整个雷达系统的稳定性和准确性有着重要影响。
本文旨在探讨一种基于相位编码脉冲压缩技术的V波段脉冲多普勒引信设计方案，为脉冲多普勒雷达系统的研发和实际应用提供参考。
一、引信设计原理二、设计方案1. V波段频率选择V波段的频率范围约为30~300 GHz，其较高的频率特性为脉冲多普勒雷达系统提供了更高的分辨率和灵敏度。
在设计V波段脉冲多普勒引信时，应根据实际需求选取合适的频率范围，并结合天线设计和信号处理技术实现对目标的高精度探测。
2. 相位编码脉冲压缩相位编码脉冲压缩技术将宽脉冲信号进行相位编码，然后在接收端进行解码和压缩，从而实现脉冲的窄化和提高信噪比。
在V波段脉冲多普勒引信设计中，相位编码脉冲压缩技术可以有效提高信号处理性能，实现对高速目标的准确探测和跟踪。
3. 系统稳定性和抗干扰能力在设计V波段脉冲多普勒引信时，应考虑系统的稳定性和抗干扰能力。
通过合理的零点校准和增益控制等手段，提高系统在复杂电磁环境下的信号接收质量，确保雷达系统的长时间稳定运行。
4. 实时参数调节V波段脉冲多普勒引信设计中，应考虑引信参数的实时调节。
通过引入自适应控制和信号处理算法，实现对脉冲特性的实时调节，从而更好地适应不同目标的探测和跟踪需求。
三、性能评估1. 脉冲压缩效果通过仿真和实验验证，评估V波段脉冲多普勒引信的脉冲压缩效果。
主要包括压缩比、信噪比和距离测量分辨率等性能指标。
2. 跟踪精度评估系统对高速目标的跟踪精度和稳定性，包括速度测量误差、角度测量误差等指标，验证系统在实际应用中的性能。
3. 抗干扰能力评估V波段脉冲多普勒引信的抗干扰能力，包括天气干扰、电磁干扰等外部因素对系统的影响。
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d o i :10.13756/j .g t x y j.2015.05.002光通信系统与网络技术V B O T D A 系统相位解调算法设计与实验验证李永倩,李 攀,安 琪,李晓娟(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定 071003)摘要:深入研究了V B O T D A (矢量布里渊光时域分析)系统的原理,该系统在传统B O T D A (布里渊光时域分析)系统的基础上采用外差方案,可提高系统信噪比并获得布里渊相移信息㊂文章提出了一种将叠加平均去噪算法与F F T (快速傅里叶变换)分析法相结合的相位解调方法 频谱算法,进行了理论分析并搭建实验平台验证了该算法的可行性和有效性㊂结果表明,该算法对不同信噪比下的信号均有较好的解调效果;对幅值为0.3V 且噪声标准偏差为0.5V 的信号,采用1000次叠加平均的频谱算法,相位相对测量误差可降至0.71%㊂关键词:受激布里渊散射;V B O T D A 系统;相位解调;频谱算法中图分类号:T N 247 文献标志码:A 文章编号:1005-8788(2015)05-0004-04D e s i g na n d e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o no f p h a s e d e m o d u l a t i o na l go r i t h m i nV B O T D As ys t e m L i Y o n g q i a n ,L i P a n ,A n Q i ,L i X i a o ju a n (D e p t .o fE l e c t r o n i c a n dC o mm u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g ,N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y ,B a o d i n g 071003,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s p a p e r s t u d i e s i n -d e p t h t h e p r i n c i p l e o f t h eV e c t o r B r i l l o u i nO p t i c a l T i m eD o m a i nA n a l y s i s (V B O T D A )s y s t e m.T h i s s y s t e ma d o p t s a h e t e r o d y n e d e t e c t i o n s c h e m e o n t h e b a s i s o f t h e c o n v e n t i o n a l B O T D As y s t e m ,t h e r e b y e n h a n c i n g t h e s y s -t e m S i g n a l -t o -N o i s eR a t i o (S N R )a n da c q u i r i n g B r i l l o u i n p h a s e -s h i f t i n f o r m a t i o n .T h e n ,i t p r o p o s e sa p h a s ed e m o d u l a t i o n m e t h o d ,i .e .t h e s p e c t r u ma l g o r i t h mt h a t c o m b i n e s t h e s u p e r i m p o s e d a v e r a g e d e n o i s i n g a l g o r i t h m w i t h t h e F F Ta n a l y s i s .T h e -o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l d e m o n s t r a t i o n v e r i f y i t s f e a s i b i l i t y a n d e f f e c t i v e n e s s i n t h a t i t i s e f f e c t i v e i n d e m o d u l a t i n g s i g -n a l sw i t hd i f f e r e n t S N Ra n d f o r s i g n a l sw i t h0.3Va m pl i t u d ea n dn o i s es t a n d a r dd e v i a t i o no f 0.5V ,a n dt h e p h a s er e l a t i v e m e a s u r i n g e r r o r c a nb e l o w e r e d t o 0.71%w h e n t h e s p e c t r u ma l g o r i t h ms u p e r i m po s e d1000t i m e s i su s e d .K e y wo r d s :s t i m u l a t e dB r i l l o u i n s c a t t e r i n g ;V B O T D As y s t e m ;p h a s e d e m o d u l a t i o n ;s p e c t r u ma l g o r i t h m 0 引 言基于S B S (受激布里渊散射)的B O T D A (布里渊光时域分析)系统能够实现温度/应变的长距离㊁高空间分辨率测量[1-2],在石油管道㊁电力电缆等的温度/应变监测领域得到了广泛应用㊂B O T D A 系统中泵浦光与探测光发生S B S 作用,产生能量转移,同时探测光的相位也发生了变化,这种相位的改变称为布里渊相移[3-4]㊂传统的B O T D A 系统入射光功率受非线性效应的限制,导致系统性能无法进一步提高,且采用直接检测无法获得布里渊相移㊂针对上述问题,A.Z o r n o z a 等人提出了基于自外差和射频同步解调技术的B O T D A 系统,S N R (信噪比)提高了10.75d B ,实现了布里渊相移的分布式测量[4],有效地减小了非本地效应,提高了测量精度,拓展了传感距离[5]㊂M i c h e lD o s s o u 等人提出V B O T D A (矢量布里渊光时域分析)系统,成功地测量了布里渊相移[6]㊂涂晓波等人在V B O T D A 系统基础上提出用正交解调算法解调系统相位,在1.6k m 单模光纤上测得布里渊增益谱和相移谱[3]㊂本文通过对V B O T D A 系统的原理和组成进行研究,利用L a b v i e w 较强的数据处理能力[7],在P C和L a b v i e w 数据处理平台上,设计了叠加平均去噪算法[8]与F F T (快速傅里叶变换)分析法[9]相结合的频谱算法解调系统相位,并搭建实验平台对频谱算法的可行性和有效性进行了验证㊂1 V B O T D A 系统及相位解调算法设计1.1 V B O T D A 系统原理与传统的B O T D A 系统采用直接检测不同,V B O T D A 系统利用外差检测实现了信号幅度和相位的同时测量,其原理如图1所示㊂图中,E S ㊁E P 和E R 分别为探测光㊁泵浦光和本振光的光场幅度,νS 和νP 分别为探测光和泵浦光的频率,νB 为布里渊频移,f 0为探测光和本振光之间的频差㊂其中,νP >νS ,当两束光发生S B S 作用时,泵浦光向探测收稿日期:2015-05-15基金项目:国家自然科学基金资助项目(61377088);河北省自然科学基金资助项目(E 2012502045,F 2014502098)作者简介:李永倩(1958-),男,河北定州人㊂教授,博士,主要研究方向为光通信与光传感㊂42015年 第5期总第191期光通信研究S T U D Y O N O P T I C A LC OMMU N I C A T I O N S2015.10(S u m.N o .191)光转移能量,探测光被放大,同时探测光相位发生变化;本振光频率νS-f0在泵浦光的布里渊增益谱之外,故其不与泵浦光发生S B S作用㊂携带S B S信息的探测光与本振光外差后的信号经解调,即可获得布里渊增益和相移信息㊂E Rf0E S泵浦光频率淄B淄P淄S-f0淄S 增益本振光探测光E P图1 V B O T D A系统原理1.2V B O T D A系统组成及相位解调算法设计基于频谱算法解调的V B O T D A系统如图2所示,图中虚线框部分为设计的运用频谱算法的相位解调系统㊂激光器发出的连续光经O C(耦合器)后分成两路:上支路信号进入由微波信号源驱动的激光器EOM PSPCAOMPD1PD2Mixer1Mixer2本振DAQcard计算机Labview信号处理312隔离器被测光纤OC2OC1OC环行器1环行器2环行器3FBG2123EDFAFBG1213微波信号源图2基于频谱算法解调的V B O T D A系统E OM(电光调制器)产生移频双边带光信号,经F B G1(光纤布拉格光栅)滤除下边带,经E D F A(掺铒光纤放大器)放大并由F B G2滤除A S E(放大自发辐射)噪声后经P S(扰偏器)作为泵浦光进入传感光纤;下支路信号经O C1分为上下两支路,其中一路光信号经A OM(声光调制器)后产生200MH z 下移频作为本振光,另一路为探测光信号,经P C (偏振控制器)保持两路信号偏振态一致,两路信号经O C2合成后又分为两路,一路信号进入P D2(光电检测器),经混频器(M i x e r2)降频为1MH z,作为数据采集卡(D A Q c a r d)的触发信号和相位解调的参考信号;另一路进入被测试光纤,探测光与相向传输的泵浦光在光纤中发生S B S作用㊂携带S B S信息的探测光和本振光信号通过环行器进入P D1进行外差检测,经M i x e r1降频为1MH z,由数据采集卡送入L a b v i e w软件处理平台进行解调,获得外差信号的相位信息㊂1.3V B O T D A相位解调算法原理V B O T D A外差检测信号为I1(t)=2E S E R(1+ g S B S)c o s(2πf0t+φS B S),式中,g S B S为布里渊增益,且g S B S≪1;φS B S为布里渊相移㊂引入参考信号I2(t)=2E S E R c o s(2πf0t)㊂高速数据采集卡将I1(t)㊁I2(t)经A D C(模/数转换器)转换成离散信号,解调系统利用频谱算法对这两路信号进行叠加平均处理,并利用F F T分析法对其进行频谱分析,计算两路信号在主频处的相位差,获得系统外差信号的相位信息,即布里渊相移㊂假设输入信号为f(t)=I(t)+n(t),式中,I(t)为有用周期信号;n(t)是均值为0㊁方差为σ2的随机白噪声㊂若以t k为时间起点,T为取样周期,则某定点的第i次取样值为f(t k+i T)=I(t k+i T)+n(t k+i T)㊂经过m次采样叠加平均后信号和噪声分别为1mðm i=1I(t k+i T)=I(t k+i T),1mðm i=1n(t k+i T)=n(t)m,式中,n(t)为每次取样噪声有效值的均值㊂由于叠加平均后噪声方差为σ2/m,而有用信号的方差保持不变,故经过m次叠加平均后,S N R提高了m倍㊂经过叠加平均处理后的信号I(t)在任一周期内可以展开成傅里叶级数:I(t)=a02+ð¥n=1[a n c o s(nΩt)+b n s i n(nΩt)]=A0+ð¥n=1A n s i n(nΩt+φn),式中,傅里叶系数a n=2Tʏπ-πI(t)c o s(nΩt)d t,b n= 2Tʏπ-πI(t)s i n(nΩt)d t;φn为n次谐波的初始相位,其中基波的初始相位为φ1=a r c t a n(a1/b1)㊂如果周期函数I1(t)和I2(t)的一个周期内有N 个采样点,则进行叠加平均后它们的基波傅里叶系数和初相位分别如下:a11=2NðN-1k=0I1(k)c o s2πk N,b11=2NðN-1k=0I1(k)s i n2πk N,φ11=a r c t a n a11b11;a21=2NðN-1k=0I2(k)c o s2πk N,5李永倩等: V B O T D A系统相位解调算法设计与实验验证b 21=2N ðN -1k =0I 2(k )s i n 2πk N , φ21=a r c t a n a 21b 21;得到I 1(t )和I 2(t )的基波相位差,即布里渊相移为Δφ=φ11-φ21=a r c t a n (a 11/b 11)-a r c t a n (a 21/b 21)㊂2 相位解调算法实验验证利用信号源㊁高速数据采集卡㊁P C 和L a b v i e w软件处理平台搭建图3所示的实验系统,用于验证频谱算法的可行性和有效性㊂信号源产生C h 1㊁C h 2两路初相可以设置的同频正弦信号来模拟实际系统的信号;设置高速数据采集卡的参数,如采样率㊁采样点数㊁最小记录长度和输入阻抗等,实现C h 1㊁C h 2两路信号的同步采集;通过L a b v i e w 编写解调系统程序,对采集的两路同步信号应用叠加平均处理与F F T 分析相结合的频谱算法进行解调,获得两路信号的相位差,解调系统软件界面如图4所示㊂PC和Labview 高速数据采集卡频谱算法信号源Channel 0Channel 1Ch 1Ch 2图3 解调方法验证实验框图图4 解调系统软件界面2.1 小噪声信号实验设置C h 1㊁C h 2两路正弦波幅值均为0.3V ,频率为1MH z ,且均加有标准偏差为0.04V 的高斯白噪声;设置相位差以5ʎ为步进,从0ʎ到120ʎ变化;设置数据采集卡的C h a n n e l 0㊁C h a n n e l 1两通道采样频率均为100MH z ,采样数为1000,输入阻抗均为50Ω,最小记录长度为1000㊂图5所示为加有0.04V 噪声时去噪前后相位差的测量结果㊂其中频谱算法测量的相位差及其拟合曲线均为100次叠加平均的值㊂由图可知,F F T 分析法测得相位差在标准值附近有较大波动,其拟合曲线与标准曲线有偏差;而采用叠加平均和F F T分析相结合的频谱算法测得的相位差波动较小,其拟合曲线与标准曲线基本重合㊂FFT分析法拟合图5 加有0.04V 噪声时去噪前后相位差的测量值2.2 大噪声信号实验为了进一步验证该解调系统频谱算法的抗噪声性能,设置C h 1㊁C h 2两路正弦波幅值均为0.3V ,且均加有标准偏差为0.5V 的高斯白噪声;设置相位差为90ʎ,改变不同的叠加平均次数,分别进行9次测量,其结果如表1所示㊂表1不同叠加平均次数测得的相位差普通F F T 分析法/ʎ相对测量误差(%)100次平均频谱算法/ʎ相对测量误差(%)500次平均频谱算法/ʎ相对测量误差(%)1000次平均频谱算法/ʎ相对测量误差(%)56.158137.60284.00606.66089.20270.88689.42050.64482.89617.89384.91805.64791.11851.24390.38640.429107.511019.45797.13362.58490.52410.58290.12240.136155.006072.22985.30955.21290.53130.59090.12980.14443.437151.73791.80942.01089.31140.76590.63930.710126.205040.22896.46307.18190.74620.82990.38090.42363.285929.68289.02321.08589.51530.63990.17370.193136.126051.25188.20351.99689.22890.85789.96980.036143.624058.88987.25463.05089.26370.81889.63710.403从表1可知,用F F T 分析法测得的相位差误差很大,而经过不同次数叠加平均的频谱算法解调的相位相对测量误差较小;随着叠加平均次数的增加,相对测量误差不断减小,100次平均频谱算法的相对测量误差为7.181%,而500次和1000次平均频谱算法的相对测量误差分别为1.243%㊁0.71%㊂6光通信研究2015年 第5期 总第191期不改变其他设置,仅将相位差以5ʎ步进从0ʎ变到120ʎ,对该信号采用500次叠加平均频谱算法解调,解调后的相位差与普通F F T 分析法测量的相位差如图6所示㊂由图可知,F F T 分析法测量的相位差与设置的标准值偏差很大,无法应用;频谱算法解调的相位差与设置的标准值相差不大,其拟合曲线与标准值曲线基本重合㊂相位差测量值/°140120100806040200理论值/°120100806040200FFT分析法拟合图6 加有0.5V 噪声时去噪前后相位差的测量值3 实验结果分析分析实验结果可知,本文提出的相位解调算法能够解调系统相位,对小噪声信号和大噪声信号均有较好的解调效果,且可通过增设平均次数来提高测量精度,此方法可有效地应用于V B O T D A 系统的相位解调㊂但是由于实验中数据采集卡的A D C 采样位数为8位,模拟输入范围为ʃ25m V~ʃ25V ,分辨率约为0.195m V ,精度不够高,使得采集信号的幅值与理论值之间存在误差,对解调出的相位信息有一定的影响㊂此外,F F T 分析法在对连续信号采样时,时域无限长的信号数据序列需要截断,相当于原函数乘以矩形窗,窗外时域信息全部损失,从而导致时域频谱丢失(即泄漏)[9]㊂不同长度的窗函数,泄漏的情况也不同,为了防止泄漏引入的误差,应使窗长等于信号周期的整数倍㊂4 结束语本文研究了V B O T D A 系统的原理,在深入研究叠加平均去噪算法与F F T 分析法原理的基础上,设计了叠加平均去噪与F F T 分析相结合的频谱算法,用以解调V B O T D A 系统的相位信息;编写解调程序并搭建了软/硬件实验平台,验证了该解调算法的可行性和有效性㊂结果表明,该方法可以解调不同S N R 下的信号相位,且其测量精度较高㊂低S N R 情况下,采用1000次平均频谱算法的相对测量误差可降至0.71%,可有效地应用于V B O T D A 系统的相位解调㊂参考文献:[1] S o t oM A ,T a k iM ,B o l o g n i n i G ,e t a l .S i m p l e x -c o d e d B O T D A s e n s o ro v e r120-k m S M F w i t h 1-m s pa t i a l r e s o l u t i o na s s i s t e db y o p t i m i z e d b i d i r ec t i o n a lR a m a n a m pl i f i c a t i o n [J ].I E E E P h o t o n i c s T e c h n o l L e t t ,2012,24(20):1823-1826.[2] A n g u l o -V i n u e s aX ,M a r t i n -L o p e zS ,C o r r e d e r aP ,e t a l .R a m a n -a s s i s t e dB r i l l o u i no p t i c a l t i m e -d o m a i na n a l -y s i sw i t hs u b -m e t e r r e s o l u t i o no v e r100k m [J ].O p t E x pr e s s ,2012,20(11):12147-12154.[3] T uX i a o b o ,S u nQ i a o ,C h e n W e n ,e t a l .V e c t o rB r i l -l o u i no p t i c a l t i m e -d o m a i na n a l y s i sw i t hh e t e r o d y n ed e -t e c t i o na n d I Q d e m o d u l a t i o n A l g o r i t h m [J ].I E E E P h o t o n i c s J ,2014,6(2):1-8.[4] Z o r n o z aA ,S a g u e sM ,L o a y s s aA.S e l f -he t e r o d y n e d e t e c t i o nf o r S N Ri m p r o v 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