【摘 要】
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声波是信息的重要载体,声波传感技术在石油管道泄漏、设备健康监测、医疗诊断等各个领域有巨大的应用需求。传统的声波传感器多为电子式声波传感器,而随着对光纤传感技术研究的深入,各种光纤声波传感器得到了快速发展。同电子式声波传感器相比,光纤声波传感器体积小、重量轻、检测灵敏度高、抗电磁干扰能力强,能够在极端恶劣环境下使用,并且,光纤较小的传输损耗使得光纤声波传感器能够实现高质量的遥测遥感。近年来,各种原理
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声波是信息的重要载体,声波传感技术在石油管道泄漏、设备健康监测、医疗诊断等各个领域有巨大的应用需求。传统的声波传感器多为电子式声波传感器,而随着对光纤传感技术研究的深入,各种光纤声波传感器得到了快速发展。同电子式声波传感器相比,光纤声波传感器体积小、重量轻、检测灵敏度高、抗电磁干扰能力强,能够在极端恶劣环境下使用,并且,光纤较小的传输损耗使得光纤声波传感器能够实现高质量的遥测遥感。近年来,各种原理和结构的光纤声波传感器被陆续报道,其中,光纤法布里-珀罗声波传感器具有结构简单,体积小,灵敏度高并且响应频带宽等优点,在声信号传感检测领域具有广阔的应用前景。目前,光纤法布里-珀罗声波传感器的应用还存在着一定局限性:一方面,光纤法布里-珀罗声波传感器由于复用能力较弱,难以满足多点探测或大规模组网的应用需求;另一方面,光纤声波传感解调系统往往由大量的电学器件和光学器件构成,存在较大的噪声。此外,由于光纤声波传感器的灵敏度较高,其响应的动态范围较小,因此,环境噪声对系统的声波探测效果容易造成干扰,在实际应用中,外界气流扰动还会形成较大的冲击噪声,使得高灵敏度的光纤声波传感器呈现饱和状态,从而极大地影响光纤声波传感器的检测能力,也大大降低了传感器对声音传感和还原的质量。本论文主要针对多点检测的光纤法布里-珀罗声波传感系统在实际应用中面临的不同应用场景下的噪声干扰滤除和有效语音信号提取问题展开研究工作,主要工作内容和成果如下:(1)介绍了光纤法布里-珀罗声波传感器的主要结构和工作原理,包括标准法布里-珀罗腔多光束干涉理论和双光束干涉理论,分析了针对光纤法布里-珀罗声波传感器的传统强度解调方案原理及局限性。同时,介绍了本文研究中所使用的多通道光纤法布里-珀罗声波传感系统的三波长自适应解调方法,该三波长自适应解调法在对光纤法布里-珀罗声波传感器的信号解调中可克服环境变化对传感器工作点的影响,使得传感器具有更好的环境适应性。(2)设计和搭建了多通道光纤声波传感系统并从光学系统构建和电学解调系统两个方面进行了介绍,该系统通过空分复用的方式,可以对多路光纤法布里-珀罗声波传感器信号同时解调,论文设计了光学和电路系统,搭建了系统样机,并且成功实现了多通道光纤法布里-珀罗声波传感器的信号采集和解调。(3)介绍了以数字信号处理为基础的语音降噪算法,重点研究了运算复杂度低、实时性较好的谱减法,针对多通道光纤声波传感系统在多点检测中的复杂环境噪声问题,提出了将谱减法与小波包阈值去噪相结合的新型融合算法。该算法一方面能够很好地解决传统谱减法去噪中普遍存在的“音乐噪声”残留问题,另一方面,通过对不同检测环境中使用的光纤声波传感器匹配具有不同小波基函数的去噪算法,能够提高传感器对多种特定环境噪声的抗干扰和去噪能力。(4)针对光纤法布里-珀罗声波传感器的声敏振动薄膜受外界检测环境中强背景噪声或强气流扰动易引起高能量冲击噪声的问题,论文提出了基于希尔伯特变换和短时能量分析的冲击噪声去除算法,该算法结合了心音信号提取和图像处理中的中值滤波思想。通过对多组测试样本的滤波结果表明,论文提出的滤噪算法能够有效滤除检测信号中的冲击噪声,同时,尽可能保证传感器所采集的音频信息的完整性。
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