基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统去噪算法研究

摘要

分布式拉曼光纤温度传感系统是一种基于自发拉曼散射温敏效应和光时域反射原理的新型传感系统，具有耐腐蚀、体积小、抗电磁干扰等特点，被广泛应用在交通、建筑和油气等领域中。但是，由于自发拉曼散射光十分微弱，导致了系统的信噪比较低，进而使其实时性、测量精度受到很大的制约。针对这一问题，本文基于光纤传感系统的原理和结构特点，分析了噪声的来源、规律和性质，并建立了信号的数学模型，将多种去噪算法应用于光纤传感系统信噪比的改善，提出了分布式拉曼光纤温度传感系统去噪算法研究的课题。
　　本文所涉及到的去噪算法主要包括:线性叠加平均算法、小波变换算法、经验模态分析算法、线性编码算法、相关编码算法和独立成分分析(ICA)算法。针对相关编码算法解码效率低的问题，提出了2种改进算法，即基于快速傅立叶变换(FFT)的解码算法和基于快速哈特雷变换(FHT)的解码算法，同时将信号进行分段处理以提高解码效率。针对独立成分分析的不确定性，提出了1种改进算法，即带前端校正的Fast ICA算法。为进一步说明算法的有效性，利用Matlab软件对以上去噪算法进行了仿真分析，取得了较好的去噪效果。
　　此外，本文对算法的“硬处理”进行了初步探索，设计了基于FPGA的FFT处理器，采用了倒序输入顺序输出的非原位顺序结构，经过10级蝶形运算，实现了采样点数为1024点、数据格式为24位定点数据的FFT运算，最后利用Modelsim和Matlab综合仿真的方法验证了设计的正确性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要内容及创新点

2 分布式拉曼光纤温度传感系统的理论基础

2．1 系统的测温原理

2．1．1 拉曼散射的温敏效应

2．1．2 光时域反射原理

2．1．3 数学模型的建立

2．2 系统的结构与性能参数

2．3 系统的噪声分析

2．3．1 系统的主要噪声分析

2．3．2 系统信噪比的改善

2．4 系统信号传统去噪算法

2．4．1 线性叠加平均算法

2．4．2 小波变换算法

2．4．3 经验模态分解算法

2．4．4 线性编码算法

2．5 传统去噪算法的仿真与分析

2．6 本章小结

3 相关编码技术和解码算法的研究

3．1 相关编码技术

3．1．1 Golay编码

3．1．2 CCPONS编码

3．1．3 Hadamard编码

3．2 基于FFT的相关改进算法

3．2．1 传统时域线性相关算法

3．2．2 基于FFT的循环相关算法

3．2．3 基于FFT的分段循环相关算法

3．3 基于FHT的相关改进算法

3．3．1 离散哈特雷变换及其快速算法

3．3．2 基于FHT的循环相关算法

3．3．3 基于FFT和FHT的循环相关算法

3．4 相关编码去噪算法的仿真与分析

3．5 本章小结

4 基于FPGA的FFT处理器的设计

4．1 FFT处理器算法简介

4．2 FFT处理器数据格式的选择

4．3 FFT处理器的设计

4．4 FFT处理器的仿真验证

4．5 本章小结

5 基于独立成分分析的信号去噪研究

5．1 ICA的基本原理

5．1．1 ICA的定义

5．1．2 ICA的估计原理

5．1．3 ICA与白化

5．2 ICA的基本算法

5．2．1 ICA的目标函数

5．2．2 ICA的优化算法

5．3 Fast ICA算法

5．4 Fast ICA去噪算法及其改进算法的仿真与分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况