1 湖北国土资源职业学院 环境与工程学院, 武汉 430090
2 中国地质大学(武汉) a.岩土钻掘与防护教育部工程研究中心
3 湖北工程学院 土木工程学院, 孝感 432000
4 中国地质大学(武汉) b.工程学院,武汉 430074
针对希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)处理混有噪声的爆破地震波信号时, 会出现时频分析失真的现象, 对影响HHT时频分析精度的因素进行逐一改进, 得到改进后的算法来提高含噪爆破地震波信号时频分析精度。首先对经验模态分解(Ensemble Empirical Mode,EMD)进行改进得到自适应补充集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)抑制低频趋势项, 同时添加多尺度排列熵(Multiscale Permutation Entropy, MPE)代码控制高频噪声, 最后对CEEMDAN·MPE得到的IMF进行归一化Hilbert变换(Normalized Hilbert Transform,NHT), 通过上述三步即可改善传统HHT含噪爆破地震波信号时频分析精度不足的问题。为验证CEEMDAN·MPE-NHT算法时频分析的准确性, 进行HHT和CEEMDAN·MPE-NHT算法的含噪仿真信号时频分析对比研究, 并将CEEMDAN·MPE-NHT算法用于水下钻孔爆破地震波信号时频分析中。研究结果表明: CEEMDAN·MPE分解得到的IMF经NHT处理得到的时频谱在时域和频域上均具有较高的分辨率, 得到的时频分析参数精度相比HHT有了很大的提升, 可实现更准确提取含噪爆破地震波信号时频特征参数, 对爆破地震波危害效应识别, 制定科学的爆破地震波危害效应控制措施具有重要的现实意义。
爆破地震波信号 经验模态分解 Hilbert变换 固有模态函数 blasting seismic signal empirical mode decomposition Hilbert transform intrinsic mode function
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所 光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
5 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
针对可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时，遇到的高精度、宽动态范围需求，采用时分复用的方法，将直接吸收光谱技术（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spec-troscopy, WMS)技术的优势相结合，完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号，用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算，通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点，实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下，通过实验分别对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度进行检测，确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm−1。系统对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度的检测量程分别为0~100%、0~5000×10−6和0~1000×10−6，其最小体积浓度检测限分别为2.27×10−4、0.21×10−6、1.68×10−6，且在量程内的测量结果准确度优于现行的煤矿行业标准。实验结果表明：该方法能够满足工业现场实际应用的需求，有利于拓展激光吸收光谱技术在工业过程、安全等领域的应用。
可调谐半导体激光吸收光谱技术 直接吸收光谱 波长调制光谱 宽动态范围 tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) direct absorption spectroscopy (DAS) wavelength modulation spectroscopy (WMS) wide dynamic range 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220284
1 湖北工程学院 土木工程学院，孝感 432000
2 中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074
3 湖北国土资源职业学院 环境与工程学院，武汉 430090
针对爆破地震波信号经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)固有的端点效应问题，提出了一种基于边界局部特征尺度自适应匹配延拓(Boundary Local Characteristic Scale and Adaptive Matching Extension,BLCS-AME)的EMD端点效应抑制方法。该方法将原始信号全局时间参数之间的内在联系和信号在端点处幅值参数的局部变化趋势进行联合考虑，得到了延拓后的边界局部特征尺度(BLCS)，再以BLCS为研究对象，在原始信号中找到与BLCS匹配度最高的一组时间序列，最后将该时间序列平移到端点处进行EMD，即可实现基于BLCS-AME的EMD端点效应抑制处理。通过多种方法仿真信号EMD端点效应抑制的对比分析，可得出结论：与常规端点效应抑制方法相比，BLCS-AME方法对EMD端点效应具有更好的抑制能力，能够得到精度更高的固有模态函数(Intrinsic Mode Function，IMF)，研究结果更能反映信号的内在属性。最后将该方法用于实际爆破地震波信号EMD中，进一步验证该方法能够有效抑制爆破地震波信号EMD过程中产生的端点效应，有利于爆破地震波信号细节特征参数的提取，得到反映爆破地震波信号内在属性的特征参数，对爆破地震波危害控制具有重要的现实意义。
经验模态分解 端点效应 固有模态函数 爆破地震波 empirical mode decomposition endpoint effect intrinsic mode function blasting seismic wave
1 湖北国土资源职业学院 环境与工程学院，武汉 430090
2 中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074
爆破网路延时识别易受EMD模态混淆的影响，得到混有虚假分量的IMF。而Hilbert变换受Bedrosian定理的约束在处理此类分量会产生负值瞬时频率，造成巨大的识别误差。为解决传统HHT在爆破网路延时分析时遇到的问题，提出了CEEMD-MPE-NHT爆破网路延时分析算法。该算法通过改进EMD得到补充集合经验模态分解-多尺度排列熵(CEEMD-MPE)算法，实现EMD模态混淆抑制。再对CEEMD-MPE得到IMF进行归一化Hilbert变换，解除Bedrosian定理对Hilbert变换的约束。对蕴含能量最大的IMF分量进行包络求解，包络峰值对应的时间间隔即为爆破网路实际延时。最后通过分析实际延时和理论延时之间的差值，可判断雷管是否处于正常服役状态。进一步通过干扰降震法得到本工程最合理爆破网路延时为54.51~59.75 ms，研究结果表明:基于CEEMD-MPE-NHT的爆破网路延时分析对爆破安全控制具有重要的现实意义。
爆破网路 补充集合经验模态分解 多尺度排列熵 模态混淆 希尔伯特变换 blasting network complementary ensemble empirical mode decompositio multiscale permutation entropy mode confusion Hilbert transform
1 合肥师范学院物理与材料工程学院，安徽 合肥 230601
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
3 合肥师范学院电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601
为了减小拉曼散射光波长相关损耗、光电探测器附加噪声及散射光中的瑞利噪声对分布式光纤温度传感器测温误差的影响，通过分析分布式光纤温度传感系统的解调原理提出了一种反斯托克斯光降噪方法。将光纤按照环形结构铺设，以每次测量的反斯托克斯光信号中菲涅耳反射峰后的基底噪声平均值作为动态本底噪声，利用两段处于不同温度的光纤消除动态本底噪声后的瑞利噪声。反斯托克斯光降噪解调法从原理上避免了参考斯托克斯光引入的测温误差，消除了本底噪声和瑞利噪声导致的测温误差。实验结果表明，修正的分布式光纤温度传感系统的最大测温误差从5.4 ℃降低到0.6 ℃，测温准确度有明显提高。
光纤光学 分布式光纤传感系统 拉曼散射 环形结构 噪声抑制 测温误差 激光与光电子学进展
2022, 59(19): 1906003
1 国防科技大学信息通信学院, 陕西 西安 710106
2 重庆师范大学计算机与信息科学学院, 重庆 401331
一次一密经典通信方式存在密钥丢失的风险,在传输大量数据时密钥会很快消耗完,不适于大数据经典通信,同时量子隐形传态由于要区分四个Bell态,实现起来比较困难。考虑到量子信道不仅能传输量子信息,还可以传输经典信息,提出将量子隐形传态看作量子信道,进而传输经典信息序列。在传输的过程中将待传输的信息0和1分别编码为计算基矢态|0>和|1>,这样在保证安全性的基础上可以不停地生成密钥,适用于大数据通信,同时此方案只需区分两种Bell态,实现起来比较容易。
量子光学 量子隐形传态 Bell基测量 量子信道 线性量子光学 激光与光电子学进展
2019, 56(23): 232602
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽省光子器件与材料重点实验室, 安徽 合肥 230031
针对目前管道泄漏监测与安全预警技术的不足,提出了光纤布拉格光栅(FBG)振动传感的方法,搭建了管道振动信号实时监测系统,并在石油管道上进行了现场实验。通过对实验得到的时域信号进行初步分析,以及采用基于偏最小二乘判别分析法(PLSDA)的模式识别方法,可以对管道上的噪声、铁锹敲击、铁锤敲击、电钻钻孔信号进行有效区分,且信号识别正确率达到96%,得出FBG加速度振动传感器系统检测管道振动信号具有可行性的结论,为石油管道运输中存在的打孔盗油等破坏性行为的监测提供了可行方案,从而实现管道上振动信号的实时在线监测与科学管理。
光纤传感 FBG振动传感器 管道监测 信号识别 偏最小二乘判别分析法 optical fiber sensing FBG vibration sensor pipeline monitoring signal recognition PLSDA
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽省光子器件与材料重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
以等截面悬臂梁为研究对象,分析了表面式封装工艺对光纤光栅传感器的应变传递特性的影响,推导了光纤光栅传感器所测应变与实际基体应变之间的关系,得到了应变传递率与平均应变传递率表达式。对影响平均应变传递率的参量进行了详细的仿真分析,结果表明为使光纤光栅能够真实地反映基体的形变,应选用剪切模量较大的物质作为中间层,减小中间层的厚度,增加中间层的长度和宽度,以提高平均应变传递率,减小测量误差。中间层厚度是影响封装结果一致性和重复性的最主要因素,而增大中间层长度和宽度,能有效地提高传感器封装结果的一致性和重复性。
光纤光栅 传感器封装 等截面悬臂梁 应变传递 中间层 fiber bragg grating sensor encapsulating uniform cantilever beam strain transfer intermediate layer
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽省光子器件与材料重点实验室, 合肥 230031
2 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院, 合肥 230026
3 University of Strathclyde, Department of Electrical and Electronics Engineering, United Kingdom
结合基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理及温度解调过程, 研究和分析了温度测量产生误差的主要原因.采用拟合修正的方法来解决斯托克斯光和反斯托克斯光传输损耗差异以及光纤弯曲、应力等附加损耗对系统的影响; 采集光纤起始端同一位置3个不同温度的信号值求解非线性方程组, 实现了对探测器暗电流引起的测量误差的修正.实验结果表明: 经过修正的传感器在900 m位置的温度测量误差平均值从8.0℃降到0.37℃, 整条光纤的温度测量误差平均值≤±0.6℃.
光纤光学 分布式光纤温度传感器 喇曼散射 光纤损耗 温度修正 Fiber optics Distributed optical fiber temperature sensor Raman scattering Fiber attenuation Temperature calibrattion
中国计量学院光学与电子科技学院， 浙江 杭州 310018
提出了一种新颖的光纤液位传感器。在普通单模光纤(SMF)中间熔接一段细芯单模光纤(TCSMF)，构成共轴光纤马赫曾德尔干涉仪(MZI)。液位的变化引起包层模与芯模的相位差发生改变，从而导致干涉仪的透射光谱发生改变。对传感器的工作原理和测量灵敏度及精度进行了理论分析，实验结果显示透射光谱中特征峰波长漂移量跟液位变化量呈较好的线性关系，且灵敏度随待测液体折射率的增大而增高，与理论分析结果相一致。测量得到纯水和饱和氯化钠溶液的测量灵敏度分别为0.160 nm/mm和0.228 nm/mm。该传感器采用全光纤结构，制备简单、测量精度高，可适用于折射率低于光纤包层折射率液体的高精度液位测量。
传感器 马赫曾德尔干涉仪 液位 光谱 中国激光
2012, 39(s1): s114008
