Reflection and transmission at normal incidence onto air-saturated porous materials and direct measurements based on parametric demodulated ultrasonic waves

The present work is related to the characterization of air-saturated porous media by using parametric demodulated ultrasonic waves. One uses two different powerful ultrasonic emitters working either at 47 kHz or at 162 kHz which are electronically amplitude modulated over the 200 Hz-4 kHz or 2 kHz-40 kHz bandwidths respectively. The demodulation process takes place in air, due to its nonlinearity enabling to generate audio range acoustical waves or alternatively low frequency ultrasonic waves which can be used to characterize porous materials in the reflection configuration at normal incidence. Some appropriate theoretical calculations are introduced for three configurations of interest, i.e. a porous slab, a porous layer mounted onto a rigid plate, and a porous half space, in the case of the equivalent-fluid model. Comparisons between theoretical modeling and experimental data are provided and prospective industrial applications are discussed.     

New demodulation filter in digital phase rotation beamforming

In this paper, we present a new quadrature demodulation filter to reduce hardware complexity in digital phase rotation beamforming. Due to its low sensitivity to phase delay errors, digital quadrature demodulation is commonly used in ultrasound machines. However, since it requires two lowpass filters for each channel to remove harmonics, the direct use of conventional finite impulse response (FIR) filters in ultrasound machines is computationally expensive and burdensome. In our new method, an efficient multi-stage uniform coefficient (MSUC) filter is utilized to remove harmonic components in phase rotation beamforming. In comparison with the directly implemented FIR (DI-FIR) and the previously-proposed signed-power-of-two FIR (SPOT-FIR) lowpass filters, the proposed MSUC filter reduces the necessary hardware resources by 93.9% and 83.9%, respectively. In simulation, the MSUC filter shows a negligible degradation in image quality. The proposed method resulted in comparable spatial and contrast resolution to the DI-FIR approach in the phantom study. These preliminary results indicate that the proposed quadrature demodulation filtering method could significantly reduce the hardware complexity in phase rotation beamforming while maintaining comparable image quality.     

一种基于级联长周期光纤光栅的力传感装置

利用光纤布拉格光栅(FBG)具有谱线窄、反射率高的特性和级联长周期光纤光栅(级联LPFG)的边沿滤波特性, 设计了一种基于级联LPFG的力传感装置, 将拉力变化转变为FBG反射谱功率的变化. 在理论上分析了实验的可行性, 用光纤光栅刻写系统制作了符合要求的级联LPFG和FBG, 用光谱分析仪对FBG的反射谱进行了监测. 用光纤功率计对FBG的反射功率进行了测量, 并对测得的数据进行了线性拟合, 其线性相关系数为0.9924, 装置的灵敏度为1.074μW?N-1. 在拉力为0~0.6N的范围内功率与拉力有较好的线性关系. 测量范围和灵敏度取决于级联LPFG透射谱边沿的斜率. 该装置结构简单, 操作方便.     

采用3×3耦合器的分布反馈式光纤激光传感器解调技术

为了实现分布反馈式光纤激光传感器(DFB FL)大动态范围、稳定解调,建立了基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪解调系统。对该系统所采用的对称解调算法(NPS)和反正切解调算法进行了深入研究。首先,介绍了基于3×3耦合器解调算法的原理及耦合器不对称时的调校方法。接着,对干涉仪所需最小非平衡路径长度的选取与系统强度噪声、激光器频率噪声的关系进行了分析。最后,针对NPS算法与反正切算法最大可解调信号幅度进行了分析对比,并研究了微分器对对称解调方法解调范围的影响。实验结果表明:NPS算法动态范围高于反正切算法,微分器的幅频特性不理想会减小解调动态范围。在采样频率为125 k Hz、信号频率为1 k Hz、干涉仪非平衡路径为100 m时,NPS算法与反正切算法的动态范围分别达到96 d B和90 d B。用解调前调校的方法,基于3×3耦合的解调方法动态范围大,能够实现稳定解调,满足工程应用要求。     

带温度补偿的分布式光纤温度传感系统设计

针对分布式光纤温度传感系统(Distributed Optical Fiber Temperature Sensing System,DTS)在线测温精度不高的问题,提出了使用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)解调仪对DTS进行温度补偿。对不带温度补偿的DTS进行了温度测量和数据分析,证明了进行温度补偿的必要性。设计了带温度补偿的DTS并进行了温度测试。实验结果表明,在使用FBG解调仪对DTS进行温度补偿后,DTS的温度精确度可以达到0.3℃。     

新型波长解调技术在干涉型光纤传感器输出解调中的应用

提出了一种改进型边缘滤波波长解调技术,解决干涉型或谐振型光纤传感器输出的干涉谱波长的快速解调问题。该波长解调技术基于啁啾光栅和长周期光栅的光谱特点,以啁啾光栅作为矩形滤波器,提取传感器输出干涉谱的一个干涉峰;以长周期作为边缘滤波器,将干涉峰的波长信息转化为光强信息进行检测。该波长解调技术波长解调范围为传感器输出干涉谱的一个自由光谱范围(FSR),解调速度快,克服了当前波长解调技术中存在的测量范围与测量速度难以同时提高的问题,同时还具有系统成本低 ,体积小,能够灵活多路扩展的特点。详细介绍了解调系统的工作原理以及系统结构,并将其实际应用于一种干涉型光纤电流传感器输出干涉谱的波长解调中。通过实验证明电流传感器工作在工频及脉冲电流(脉冲宽度25 μs)情况下,该解调系统对传感器输出干涉谱具有准确、快速的解调效果。该研究对推进干涉或谐振型光纤传感器的实际工程化水平的提高具有重要意义。     

旋转加速度计式重力梯度仪输出解调与滤波

重力梯度仪是对地球表面微小重力梯度变化进行连续测量的仪器。由于核心敏感元件加速度计工艺与性能水平限制,以及多环节安装误差等因素导致系统实际输出信号中包含了大量噪声,且信噪比极低,为了能够在强噪声中有效提取真实的重力梯度信号,需在信号解调过程中降低谐波干扰引起的测量偏差。结合误差产生机理,分析比较了不同的解调方法对重力梯度信号解调的影响,明确了合理的信号解调手段。同时,在数据处理过程中增加带通滤波环节,进一步降低动态噪声对系统的影响。结合动态摇摆实验数据的仿真验证结果表明:上述措施对重力梯度仪原始观测数据的噪声抑制具有明显效果,测量偏差在一定程度上得到解决,解调后信号的噪声幅度下降至20%,提高了系统的空间分辨率,具有工程化应用意义。     

谐振式集成光学陀螺解调特性分析

基于激光器频率谱检测技术,沿着光的传输方向分析了光波在谐振式集成光学陀螺系统中的传播,结合输入信号特征,建立频域内的数学模型,通过数值仿真和实验得到了调频检测系统下的解调曲线。按照光的传输方向：激光器、声光晶体移频器、光波导环形谐振器、探测器,利用贝塞尔函数展开和光场耦合模理论分析了谐振式集成光学陀螺解调特性,及其调频调制检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系。通过数值计算,分析了解调曲线的变化规律,得到了施加在激光器压电陶瓷驱动器上调制波形的最佳调制系数。在实验上搭建了激光器频率调制解调技术系统,得到了解调曲线。数值仿真和实验结果表明,当调制系数M=2时,线性工作区间斜率最大,解调曲线最好。实测形状与理论分析结果相符,从解调信号得到±2×10³ rad/s的陀螺动态范围。     

单幅条纹图相位解调的小波分析方法

相位解调是条纹相位分析的关键问题.本文提出一种应用小波频率估计联合频率导数对变形条纹进行瞬时频率分析,从中提取参考基频,从而依靠单一变形条纹实现相位解调的方法.首先,理论上证明了当变形条纹瞬时频率空间导数等于零,该空间点的瞬时频率等于参考基频频率;其次,引入Gabor小波提取变形条纹的瞬时频率空间分布,利用变形条纹瞬时频率的空间导数分布识别提取参考基频,从而实现相位解调.利用该方法进行了三维形貌测量的实验,结果表明该方法在实现相位解调中效果良好.