全光式QEPAS系统光声信号检测方法研究

为了提高全光式石英增强型光声光谱(QEPAS)珐珀解调系统的微弱信号检测能力,设计了一种基于MAX274的有源带通滤波电路和基于AD620的前置放大电路对信号进行预处理,同时利用LabVIEW设计了正交矢量型数字锁相技术的信号处理模块。实验结果表明,该方法能从强背景噪声中获得比较微弱的光声信号,在常温常压下对空气中的水汽含量进行探测,得到其归一化噪声等效吸收系数为1.37×10-6 cm-1 W/Hz1/2。该方法具有结构简单、价格低廉、便于操作和控制、实用性强等特点。     

微弱光信号检测电路的实现

为将微弱光信号有效地转换为电信号以方便后级电路处理,设计了微弱光信号检测电路。电路由光电转换和前置放大两部分组成。光电转换电路采用低输入偏置电流运算放大器AD 549实现;前置放大电路使用对称三极管组成的对数比率放大电路实现,并在同等条件下与集成电路LOG 100组成的前置放大电路相比较。实际测量表明,该放大电路设计可有效放大低于1 nW的微弱输入信号,同时对噪声也有很强的抑制作用,而由LOG 100组成的电路对噪声的抑制能力明显衰减。     

液体脉冲光声信号的增强

本文研究了用PZT传感器作液体脉冲光声信号增强的若干因素,其中包括PZT响应频率匹配,多层PZT积叠,光束聚焦及溶剂增强等。实验结果表明,这些措施都能使光声信号增强,有效地提高光声检测的灵敏度。     

高浓度气体共振光声光谱信号饱和特性研究

采用恒流驱动耦合机械斩波技术在激光光声光谱装置上系统测量了5%—100%宽浓度范围甲烷气体的共振光声信号,发现在高浓度区共振光声信号呈现异常的饱和特征.基于气体吸收和光声光谱原理定量分析了光声信号饱和的主要原因及影响因素,研究表明,气体样本对入射光强吸收而导致的声源与本征共振模式的耦合系数改变是异常饱和的主要原因,并导出判定光声信号饱和深度的准则以用于判定高浓度气体饱和深度。     

基于锁相放大原理的微弱光信号检测系统设计

为了解决强噪声背景下微弱光信号检测难的问题,介绍了一种基于锁相放大原理的微弱光信号检测系统。系统采用对1 550nm的DFB激光进行调制的方法产生前级信号,利用PIN光电二极管产生的电流信号作为原始信号,经过前级放大、锁相放大及低通滤波电路还原调制信号。系统采用OPA124作为前级运放,AD630作为锁相放大器,参考信号和调制信号均由DDS芯片AD9850产生。滤波电路、移相电路和调制电路均采用高精度运放OP07来设计。实验结果表明,该系统具有很高的线性度,灵敏度为4.51V/V,精度大于0.05%,是一种高精度、高实用性的微弱光信号检测系统。     

Duffing振子微弱信号检测盲区消除及检测统计量构造

针对Duffing振子进行同频微弱信号检测时存在的检测盲区, 提出了一种策动力移相法予以消除. 结合微弱信号特性对检测盲区表达式进行分析, 得出了策动力与待测信号的“相差”位于检测盲区时的角度范围, 通过使策动力相位产生相移量π后实现对同频信号的检测, 实验证明了方法的可行性. 为了克服定性分析的不足和有效区分振子系统信号检测过程中出现的不同状态, 构造了一个基于类Halmiton系统的检测统计量, 并设计了基于该统计量的任意频率信号检测方法步骤, 方法的核心是以检测统计量出现极大值处所在的连续两个频点作为待测信号的频率范围. 在不同检测过程的仿真实验基础上, 给出了混沌、间歇混沌和大周期的检测统计量数值范围, 进而利用该数值范围作为判据实现了对任意频率信号的检测. 实验结果表明, 该方法不仅为系统状态提供了定量的判据准则, 而且提高了信号检测性能, 进一步完善了现有利用Duffing振子进行微弱信号检测的方法.     

基于强耦合Duffing振子的微弱脉冲信号检测与参数估计

耦合Duffing振子在检测强噪声中的微弱脉冲信号时具有可检测信噪比低等优点,但目前检测模型还存在系统性能与初始状态有关、只能工作在倍周期分岔状态等缺陷.为此本文构建了一种能克服上述缺点的新的微弱脉冲信号检测模型,通过对两个Duffing振子同时施加较大的恢复力和阻尼力耦合,可使振子间产生广义的"阱内失同步"现象,基于这种现象可实现微弱脉冲信号的检测与恢复.以信噪比改善和波形相似度为衡量指标,研究了周期策动力幅值与周期、耦合系数、计算步长、阻尼系数等参量对模型信号检测与波形恢复效果的影响.对方波、双指数脉冲和高斯导数脉冲进行检测和恢复的实验结果表明,本文所构建的模型能够在较低信噪比条件下有效地检测并恢复出高斯白噪声背景中的微弱脉冲信号,进而改善了现有的Duffing振子对非周期脉冲信号的检测能力并扩展了其应用领域.     

基于Duffing振子的微弱周期信号混沌检测性能研究

不同的混沌振子具有不同的混沌检测性能. 本文围绕Duffing振子的混沌检测方法, 从混沌系统临界点相图的突变性、混沌区间保持性以及混沌临界点的容噪性等三个方面的检测性能做了进一步研究, 并分别分析了影响这些性能的因素, 最后围绕这三个方面对两个不同混沌振子的混沌检测性能做了分析和比较. 关键词： 混沌检测 微弱信号检测 Duffing方程 检测性能     

类Liu系统在水声微弱信号检测中的应用研究

利用三阶混沌系统构造了一种新的微弱信号检测系统——类Liu系统, 对类Liu 系统进行了深度的理论分析. 类Liu系统中, 当输入待测信号幅值大于某临界值时, 系统可达到平衡点S₀, S₀中系统变量x平衡于摄动力信号, 系统变量y, z收敛于零态, 且S₀ 对应的Lyapunov指数小于零. 通过Matlab仿真、Multisim电路仿真以及实际电路证明了类Liu系统的周期态收敛性及广域检测性, 解决了传统Duffing系统进行微弱信号检测时周期态不收敛、只能进行窄域检测等问题, 同时谱级信噪比范围仍可达-46.57 dB. 类Liu系统采用了全新的设计理念, 具有较高的实用价值, 对未来海洋物联网中的水声通信有一定参考价值.     

Resonant characteristics of PZT-4 transducers for photoacoustic signal detection

Rectangular and circular types of PZT-4 transducers have been studied. Their resonant frequencies were determined in different media and related to the photoacoustic signal generation. Recommendations were made for maximum signal detection with these transducers.     

基于混沌和随机共振的微弱信号检测

推导了分数阶线性振子系统响应的一阶稳态矩的频率不变性和相移特性, 并通过理论分析得出, 在随机共振机制下, 分数阶线性振子对系统响应一阶稳态矩的幅值具有放大作用. 构造Duffing混沌振子检测器, 利用混沌系统对参数摄动的敏感性以及对噪声的免疫能力实现弱信号检测. 数值模拟证实, 该方法可以有效地从噪声背景中将微弱正弦信号检测出来, 并且相对传统的混沌检测方法能显著降低信噪比检测门限.     

基于HgCdTe红外探测器的微弱信号检测电路设计

 被动动态傅里叶变换红外光谱（FTIR）仪可用于周围环境红外辐射的光谱分析,其中红外信号检测是光谱仪中的重要组成部分。基于高信噪比、高灵敏度、温漂小和抗干扰能力强的电路设计原理,采用滤波电源供电,使用高速低噪声高精度的运算放大器,通过合理的电路布局和元器件选择来设计红外信号检测电路。在大气环境和室内气室的实验条件下,红外信号检测电路组成的红外光谱仪对目标气体进行红外遥感,并对实验结果进行了分析和探讨。实验结果表明：在系统中运行的检测电路具有较高的信噪比和较好的稳定性,测量精度高,可实现对大气环境的红外遥感。     

A miniaturized prototype of resonant banana-shaped photoacoustic cell for gas sensing

A resonant photoacoustic cell intended for laser-spectroscopy gas sensing is represented. This cell is a miniature imitation of a macro-scale banana-shaped cell developed previously. The parameters, which specify the cavity shape, are chosen so as not only to provide optimal cell operation at a selected acoustic resonance but also to reduce substantially the cell sizes. A miniaturized prototype cell (the volume of acoustic cavity of ∼5 mm³) adapted to the narrow diffraction-limited beam of near-infrared laser is produced and examined experimentally. The noise-associated measurement error and laser-initiated signals are studied as functions of modulation frequency. The background signal and the useful response to light absorption by the gas are analyzed in measurements of absorption for ammonia in nitrogen flow with the help of a pigtailed DFB laser diode oscillated near a wavelength of 1.53 μm. The performance of prototype operation at the second longitudinal acoustic resonance (the resonance frequency of ∼32.9 kHz, Q-factor of ∼16.3) is estimated. The noise-limited minimal detectable absorption normalized to laser-beam power and detection bandwidth is ∼8.07 × 10⁻⁸ cm⁻¹ W Hz^−1/2. The amplitude of the background signal is equivalent to an absorption coefficient of ∼2.51 × 10⁻⁵ cm⁻¹. Advantages and drawbacks of the cell prototype are discussed. Despite low absorption-sensing performance, the produced miniaturized cell prototype shows a good capability of gas-leak detection.     

光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数C_(cell)为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, C_(cell)增长了34.4%.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.     

光声信号的双谱分析方法研究

基于光声效应的光声光谱技术是光学与声学的有机结合, 可利用不同波长的入射光波, 产生不同的光声信号, 从而为组分识别、组织无损检测等提供高对比度图像, 是一种极具潜力的新型医学诊断技术.但光声光谱检测技术由于受检测方法的制约, 往往扫描时间较长, 而且信号的稳定性和图像识别的准确性也较差. 为了弥补单一光声光谱分析的局限性, 根据光声效应原理和振动理论, 提出了一种光声光谱与光声频谱相结合的双谱分析方法. 该方法通过光声频域信息的定量分析, 可以有效地提高不同组织的光声图像对比度, 从而提高光声成像的组分识别能力, 为光声频谱功能成像奠定理论基础. 实验结果显示, 光声光谱与光声频谱相结合的双谱分析方法可以较好地识别实验组织样品, 可实现高速、高分辨率的组分识别、组织探伤等, 具有广泛的应用前景和重要的临床诊断意义. 关键词： 光声成像 光声光谱分析 光声频谱分析     

基于Duffing振子的变尺度微弱特征信号检测方法研究

研究了Holmes型Duffing方程的混沌特性用于信号检测的方法,针对该方法只适用检测特定频率成分信号、方程参数选择不便以及噪声影响检测结果等情况,提出基于Duffing振子的变尺度微弱特征信号检测方法. 数值分析表明,该方法可以仅用一组确定的参数条件,检测任意频率、任意相位的特征信号.     

基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法

针对传统的基于超声信号的高铁钢轨无损检测方法对于表面微裂纹检测效果不佳的问题,提出了一种基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法.首先,使用有限元及K-wave方法建立了钢轨模型并获得了模拟光声信号;然后利用时间反演的方法对钢轨表面的光声图像进行了重建,并研究了不同传感器中心频率对成像结果的影响;最后设计实验采集了钢轨表面的光声信号并进行了处理和分析.实验结果表明,基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法对于表面微裂纹有很好的检测效果,该方法在钢轨探伤领域有较大的可行性及发展潜力.     

基于分数阶可停振动系统的周期未知微弱信号检测方法

本文建立了分数阶可停振动系统, 其可停振动状态的改变对周期策动力敏感, 对零均值随机微小扰动不敏感, 这事实上为周期未知微弱信号检测提供了一种新的高效检测方法和判别标准. 与现有的利用混沌系统的大尺度周期状态变化检测周期未知弱信号的方法 需逐一尝试设置不同频率内置信号以便期望与待检周期信号发生共振不同, 利用分数阶可停振动系统的可停振动状态变化检测周期未知微弱信号的方法, 除了同样具有因为状态变化对周期信号的敏感性而能够实现极低检测门限的特点外, 还具有混沌系统信号检测所不具有的优点: 1)无需预先估计待检信号的周期; 2)无需计算系统状态的临界阈值; 3)可停振动状态可由本文设计的指数波动函数可靠地进行判断; 4)通过系统微分阶数的变化, 将检测系统层次化, 从而可得到比整数阶检测系统更低的检测门限, 特别是在色噪声环境下, 通过选取合适的微分阶数, 基于分数阶可停振动系统的微弱周期信号检测法能够大幅度的降低检测门限, 在本文的仿真试验中, 检测门限可达-182 dB. 关键词： 分数阶非线性系统 Duffing振子 弱信号检测