Копия Выпускная работа Звержховского (1089124), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

(6)

Таким образом, на выходах симметричного разветвителя 3 х 3 регистрируются равные по амплитуде (интенсивности) сигналы, смещенные относительно друг друга на постоянную разность фаз . Более подробно получение системы (6) рассмотрено в Приложении 1.

Эти сигналы регистрируются фотодиодами и преобразуются в электрические сигналы:

(7)

Такой вид сигналов прост для дальнейшей математической обработки. Более того, для выделения временного изменения фазы без серьезного ухудшения качества достаточно анализировать систему из двух сигналов, смещенных относительно друг друга на 120°.

2.3. Алгоритм выделения временного изменения фазовой задержки из интерференционного сигнала.

Для анализа двух и более оптических сигналов, имеющих между собой фазовую задержку, применяется схема фотоприёмника на дифференциальном усилителе переменной составляющей интерференционного сигнала. Рассмотрим такую схему для двух сигналов:

Рис. 14. Схема фотоприёмника на дифференциальном усилителе переменной составляющей интерференционного сигнала.

На входы схемы приходят два сигнала с фотодиодов вида: (8)

Находятся суммарный и разностный сигналы:

Они дифференцируются по времени, после чего находится их перекрестное произведение:

(9)

(10)

Подробно все проведенные выше действия описаны в Приложении 2.

Теперь удалим постоянную составляющую из зарегистрированных сигналов. Тогда на входах схемы будут следующие сигналы:

(11)

Проводя те же действия, что и выше получим:

(12)

Таким образом, мы видим, что при применении этой схемы, на ее выходе получится сигнал, прямо пропорциональный временному изменению фазы. Поскольку создается лабораторный стенд, использование этой схемы в виде микросхемы, подключаемой к фотодиодам нерационально. В процессе работы может потребоваться вносить дополнительные действия, варьировать временные интервалы дифференцирования и интегрирования. Потому рациональнее записать оцифрованные интерференционные сигналы на персональный компьютер и продолжить работу с ними в математических пакетах Scilab и Mathlab, смоделировав действия, совершаемые микросхемой.

2.4. Лабораторный стенд

Лабораторный стенд был собран по схеме:

Рис. 15. Схема лабораторного стенда.

1 – Лазер

2 – Эрбиевый волоконный усилитель

3 – Разветвитель 1 х 2

4 – Измерительное плечо

5 – Подаваемое внешнее воздействие

6 – Опорное плечо

7 – Разветвитель 3 х 3

8 – Неиспользуемый выход разветвителя

9, 10 – фотодиоды

11 – Аналогово – цифровой преобразователь

12 – Персональный компьютер

Все элементы схемы соединены между собой патчкордами с коннекторами на концах, что обеспечивает возможность быстрого внесения в схему изменений. В установке используется полупроводниковый лазер, излучающий на длине волны 1.55 мкм с шириной полосы 10кГц. Излучение от лазера заводится на вход эрбиевого волоконного усилителя. Усилитель в схеме дает возможность поддерживать постоянной мощность света, поступающего в интерферометр, а также изменять ее в широких пределах. Далее, с помощью разветвителя, интенсивность лазерного излучения поровну распределяется между опорным и измерительным плечом. Опорное плечо представляет собой короткий патчкорд длиной около 0.5 метра. Измерительное плечо использовалось двух видов в зависимости от рода проводимого эксперимента. В первой серии экспериментов использовалась бухта одномодового оптического волокна длиной 40 метров диаметром около 20см. Бухта закреплялась около музыкальной колонки, на которую подавался звук с компьютера. Во второй серии экспериментов измерительное плечо представляло собой 1 метр одномодового оптического волокна, намотанного на пьезокерамический цилиндрический модулятор. На модулятор сигнал подавался с акустического усилителя, на который он заводился либо с персонального компьютера, либо с генератора импульсов специальной формы. Опорное и измерительное плечи интерферометра подключаются к двум из трех входам разветвителя 3 х 3. Сигнал с выходов разветвителя регистрируется двумя одинаковыми фотодиодами. С фотодиодов сигнал попадает на аналогово – цифровой преобразователь (АЦП). В качестве АЦП используется звуковая карта компьютера с частотой дискретизации – 50 кГц. В лабораторном стенде используются только два выхода с разветвителя 3 х 3. Это связано с двумя причинами: достаточностью регистрации двух сигналов для получения полной информации о воздействии и наличии у используемого АЦП только двух входов.

Сигналы записываются на персональный компьютер с помощью Matlab в виде csv файла, содержащего две строки, соответствующих сигналам с фотодиодов. Интерференционные сигналы записываются в виде тридцати секундных отрезков. Дальнейшая обработка производится в средах Scilab и Mathlab.

2.5. Алгоритм обработки интерференционных сигналов на ПК

Для обработки сигналов используется программа, производящая фильтрацию сигнала, удаление низкочастотных и постоянной составляющих интерференционного сигнала, а затем дублирующая действия, описанные в части 2.3. Интегрирование сигнала (9) происходит по временному интервалу 0,06 мс с помощью встроенной функции нахождения определенного интеграла. Идентичные программы для обработки сигналов были разработаны в средах Scilab и Mathlab. В принципе, функционал обоих математических пакетов практически идентичен, но есть ряд особенностей, с которыми и связано дублирование программ. Scilab удобен для работы с графиками, для быстрой отладки программы, для экспериментов с параметрами фильтрации сигнала. Основное преимущество среды Mathlab – возможность непосредственного подключения к звуковой карте и возможность сразу после записи csv - файла приступать к обработке сигналов. Программа для обработки выполняет следующие действия:

• Фильтрация сигнала

• Нахождение суммарных и разностных сигналов

• Дальнейшая обработка, выделение искомого воздействия

• Отображение в графических окнах этапов демодуляции сигнала

• Запись сигнала в виде csv или аудио файла

Загрузка данных из csv файлов производится с помощью специальной встроенной функции чтения csv «readcsv». Фильтрация в программах может быть осуществлена двумя способами:

1. Использование одного из стандартных фильтров

2. Прямая фильтрация с помощью Фурье – преобразования.

Первый способ позволяет производить быструю обработку в автоматическом режиме. Для фильтрации в программе я использую фильтр высоких частот и фильтр Баттерворта (рис. 16) . Итоговая полоса пропускания фильтров лежит в диапазоне от 60 Гц (для ВЧ фильтра) и до 10кГц (для фильтра Баттерворта). Нижняя граница выбрана из-за необходимости удаления низкочастотных и постоянных составляющих, а также наводки от электросети частотой 50 Гц. Верхняя граница выбрана с запасом, так чтобы в нее попали все гармоники интерференционного сигнала, но были отфильтрованы шумы фотоприемника.

Рис. 16. Спектр интерференционного сигнала с нанесенными фильтрами

1 – фильтр высоких частот

2 – фильтр Баттерворта

Второй способ фильтрации добавляет в программу несколько дополнительных действий: Фурье – преобразование сигналов, отображение в графическом окне их спектров, выбор с помощью мыши верхней и нижней границ фильтрации, зануление гармоник, лежащих вне выбранной полосы (Рис. 8), обратное Фурье – преобразование. Эти дополнительные действия позволяют производить более качественную обработку интерференционных сигналов за счет точной подстройки полосы пропускания под конкретный сигнал и, как следствие, уменьшения количества шумов. Все дальнейшие действия с сигналом производятся с помощью стандартных функций Scilab или Matlab, предназначенных для работы со строками и массивами. Демодулированный сигнал акустического воздействия после получения может быть записан на жесткий диск в виде csv или аудио файла, проанализирован в средах Scilab и Matlab, а также воспроизведен после сохранения в аудио - файле через любой плеер на компьютере.

Рис. 17. Спектры интерференционного сигнала с выбранными верхней и нижней частотами зануления гармоник.

1 – нижняя частота, f_min=150 Гц

2 – верхняя частота, f_max = 1670 Гц

Глава 3. Регистрация различных акустических воздействий на оптическое волокно

3.1 Проведенные эксперименты

Процесс выполнения практической части выпускного проекта можно разделить на два этапа:

• Моделирование работы интерферометра в средах matlab и Scilab, написание программы для обработки интерференционного сигнала, ее отладка сперва на модельных сигналах.

• Реализация схемы интерферометра, получение реальных интерференционных сигналов и их последующая обработка.

О действиях, совершаемых программами, было рассказано в части 2.5, теперь о схеме и проведенных экспериментах. В ходе выполнения работы были проведены две серии экспериментов. В первой из них воздействие на измерительное плечо интерферометра осуществлялось через воздух, во второй – с помощью пьезокерамического цилиндрического модулятора.

Первая серия экспериментов моделирует регистрацию акустических воздействий в охранных линиях с воздушной прокладкой оптоволоконного кабеля, используемого для регистрации нарушения периметра (сенсорного кабеля). Примером такого охранного периметра может служить бетонная ограда с натянутой по верху колючей проволокой (или режущей лентой). Сенсорный кабель в таком периметре может быть закреплен по верху ограды вместе с проволокой (лентой).

Во второй серии моделировался другой случай проложения сенсорного кабеля – в плотной среде. Кабель может быть заложен в стену, под штукатурку, закопан на небольшую глубину вдоль всего периметра под землю, плотно прикреплен к металлической ограде.

Для обеих серий экспериментов были произведены два основных опыта с целью определения дальнейшей применимости метода к записи звука:

• Регистрация синусоидального акустического воздействия одной частоты

• Регистрация сигнала специальной формы (пилообразные, прямо-угольные импульсы)

В первой серии экспериментов измерительное плечо представляет собой бухту одномодового оптического волокна длиной 40 метров. Бухта подвешивается напротив музыкальной колонки, на которую подается звук с компьютера. Тестовый звуковой сигнал (синусоида или сигнал специальной формы – периодические импульсы пилообразной формы) создается в среде Matlab (Scilab), после чего записывается в качестве аудио файла, который, в дальнейшем, воспроизводится с помощью динамиков. После этого производится запись интерференционных сигналов и дальнейшая обработка на компьютере.

Характеристики

Список файлов ВКР