полный текст диплома_last (1089127), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

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.

Ниже приведены примеры регистрации воздействий на волокно и спектры этих воздействий. Хотелось бы сразу дать несколько пояснений к рисункам 18 - 25 (приведены ниже):

• Сигналы в Scilab генерировались с амплитудой равной единице.

• При записи сигнала со звуковой карты автоматически происходит удаление постоянной составляющей и нормирование сигнала, потому на всех рисунках сигналы изменяются в диапазоне от -1 до 1.

• Все спектры представлены в нормированном на значение амплитуды максимальной гармоники виде.

Для всех рисунков используются следующие обозначения: а – исходный сигнал из аудиофайла, сгенерированный в среде Scilab или его спектр, б – один из интерференционных сигналов, записанных на компьютер или его спектр, в – выделенное акустическое воздействие или его спектр

Рис. 18. Регистрация синусоидального акустического воздействия (109 Гц), передаваемого через воздух.

Рис. 19. Спектры зарегистрированного и обработанного синусоидального акустического воздействия (109 Гц), передаваемого по воздуху.

Рис. 20. Регистрация пилообразного сигнала, передаваемого через воздух (частота повторения 120 Гц)

Рис. 21. Спектры зарегистрированного и обработанного акустического воздействия (120 Гц)

Во второй серии экспериментов измерительное плечо представляло собой 1 метр одномодового оптического волокна, намотанного на пьезокерамический цилиндрический модулятор. На модулятор подавался сигнал с компьютера, прошедший через акустический усилитель.

Рис. 22. Регистрация синусоидального аукстического воздействия частотой 100 Гц, подаваемого на модулятор.

Рис. 23. Спектры зарегистрированного и обработанного синусоидального акустического воздействия пьезокерамического модулятора

Рис. 24. Регистрация пилообразного воздействия частотой 230 Гц с пьезокерамического модулятора

Рис. 25. Спектры зарегистрированного и обработанного акустического воздействия (пилообразные импульсы частотой повторения 230 Гц)

На вышеприведенных рисунках видно, что уровень шумов и искажения, вносимые в исходное воздействие (а), при обработке воздействия, переданного по воздуху намного больше, чем при внесении воздействия с помощью пьезокерамического модулятора. Кроме того, при регистрации акустических волн, передаваемых по воздуху, наблюдается уширение спектра регистрируемого воздействия. Но, несмотря на это, зарегистрированные воздействия пригодны для частотного анализа. Таким образом, при применении этой схемы лабораторной установки в реально действующем охранном периметре при установке сигнального волокна для регистрации звуков распространяющихся по воздуху возможно разделение нарушителей по категориям (например: техника, человек или животное).

Но при использовании пьезокерамического цилиндрического модулятора, моделирующего плотную упругую среду, качество регистрации воздействий существенно возрастает, это видно из рисунков 13 – 16. С помощью модулятора была произведена запись нескольких музыкальных фрагментов (и чисто инструментальной и с вокалом), качество воспроизводимого звука получилось удовлетворительным.

3.2. Факторы, ухудшающие качество регистрации воздействия и методы борьбы с ними.

В созданном лабораторном стенде присутствует ряд факторов, мешающих качественной регистрации акустических воздействий. Вот неполный перечень:

• Шумы фотодиодов

• Шумы и нестабильность интенсивности лазерного излучения

• Наводка от сети электропитания

• Цифровые шумы и параметры АЦП

• Звуковые и вибрационные воздействия

• Недостатки схемы и алгоритма обработки

Дробовый шум фотодиодов и квантовый шум излучения лазера имеют высокие частоты и малую интенсивность относительно сигнала. Они не оказывают сильного влияния на качество регистрации воздействий акустического диапазона и легко удаляются применением фильтров.

Наводка от сети электропитания имеет частоту 50 Гц, т.е. почти на границе слышимого диапазона (от 16 Гц до 20 кГц) и также как и высокочастотные шумы легко убирается с помощью фильтрации.

Цифровые шумы и параметры АЦП оказывают существенное влияние на качество звука. В схеме используется АЦП с частотой дискретизации 50 кГц. Этого достаточно для качественной регистрации сигналов частотой до 3 кГц. Но следует учитывать, что в интерференционном сигнале при больших амплитудах воздействия появляются гармоники высших порядков, потому влияние АЦП начинает сказываться уже на частотах около 400 – 500 Гц для гармонических воздействий и 250 – 300 Гц для пилообразного сигнала. Этот фактор вносит основной вклад в ухудшение качества регистрации сигналов. Проблема имеет очень простое решение: замена АЦП. Но несмотря на эти ограничения, акустические воздействия воспроизводятся с соотношением сигнал – шум в районе 16 дБ для пилообразных периодических импульсов и музыкальных фрагментов. Для синусоидального сигнала соотношение сигнал – шум достигает 17 дБ.

Также существенный вклад в ухудшение качества регистрации акустических воздействий на оптическое волокно вносят звуковые шумы и вибрации. Общий уровень звуковых шумов в помещении естественным образом вызывает повышение количества шумов в зарегистрированном сигнале воздействия. Вибрации, возникающие из-за перемещений людей в помещении и на этаже, работа строительной техники по соседству с корпусом, где находится лабораторный стенд, движения воздуха в помещении также оказывают влияние, ухудшающее качество регистрации воздействия. Во - основном это касается первой серии опытов, где волокно закреплено свободно. Во второй серии опытов эти шумы практически не оказывают никакого влияния по причине того, что тестовые воздействия в обеих схемах вносят примерно одинаковые изменения оптической разности хода между плечами интерферометра, а длина оптического волокна измерительного плеча, «собирающая» паразитные влияния меньше в 40 раз. Также ухудшение качества сигнала вызывается температурными флуктуациями длины оптических волокон, используемых в схеме.

Главный недостаток применяемого алгоритма извлечения сигнала воздействия из интерферограмм заключается в высокой чувствительности алгоритма к наличию или отсутствию в сигнале постоянной или низкочастотной составляющей. При плохом удалении этих составляющих из интерференционных сигналов происходят сильные искажения формы регистрируемого воздействия. Постоянная и низкочастотная составляющая интерференционных сигналов уничтожаются в два этапа. Первый этап происходит на звуковой карте при аналогово – цифровом преобразовании. Второй этап – при фильтрации сигналов. Соответственно для повышения качества регистрации внешнего воздействия на оптическое волокно следует использовать АЦП с лучшими параметрами и лучше подбирать полосу пропускания и конфигурацию фильтров.

Дополнительный выигрыш в качестве регистрации сигнала даст использование трех фотодиодов для регистрации интерференционных сигналов и применение более сложной схемы демодуляции интерференционного сигнала для трех фотоприемников.

Глава 4. Расчет трудозатрат и составление сметы на выполнение дипломной работы

4.1. Планирование выполнения дипломной работы

Заказчиками данной работы являются кафедра ТООЭ МГТУ МИРЭА и НТО «ИРЭ-Полюс». В выполнении данной работы принимали участие руководитель дипломной работы и студент 5 курса МИРЭА. План проведения работ представлен в таблице 1.

Таблица 2. План проведения работ

Характеристики

Список файлов ВКР