噪声测量

2024-08-07

噪声测量(精选八篇)

噪声测量 篇1

1.1短稳测量概述

所谓的时域测量,指的是在采样时间已经指定的情况下,对频率源进行连续不间断的测量,根据测量的结果计算出平均的频率,最后计算ay(T),也就是阿伦方差的平方根。在计算的时候,最早采用的方法就是直接计数器的方法,这种方法也是最简单的一种方法,也叫做直接测频法。 受死时间以及计数器分辨能力的双重影响,在很长一段之间内这种方法都没有得到大范围的采用。所以后期又相继提出差拍测频法以及频差倍增测频法等两种方法来提高分辨测频方法的能力,以上两种方法又分别被简称为差拍法和频差倍增法。其中后者的检测原理是通过对频差倍增器的使用,是被测频率源和参考源之间的差距进行偏差倍数的增加,通常情况下增加的倍数为10n倍,而且输入和输出固定的频率,那么就有:

通过这一公式可以看出,利用频差倍增法可以比直接利用测频法的分辨力提高了N倍。和频差倍增法不同的是,差拍法的原理是通过对参考源的频率进行调偏处理,之后通过变频得到一个差拍的频率fb,最后利用计数器对fb的频率进行测量并且求出平均值。

1.2时域测量的若干问题

1.2.1有限次测量组数的影响

受阿仑方差是随机估算现实的影响, 在实际的操作过程中针对阿仑方差是不可能一直进行测量无限多次的,那么在有限的测量次数之内,其可信度就由平均频率的独立测量组数m来决定,其中和不确定之间的关系是负向关系。根据公式,其意思指的是在有限测量结果中m的值比100大的时候,不确定度就为10%,或者在10% 以下,这个时候对其造成的影响是可以忽略不计的。为了使有限测量的误差不断缩小,往往在测试的时候多测试几次,例如测试三到五次,这样就得到三到五个σy(τ)值,通过计算几次的平均结果来决定。

1.2.2参考源稳定度的影响。

使用差拍法进行测量的时候,得到的结果中包括了参考源以及被测量源共同结果,为了使参考源受到的影响降低到最小,尽量选择低噪声的参考源,而且使参考源测试的范围缩小到可以被测源的范围之内。假如在稳定的方面参考源和被测源的比例超过了三倍,那么测量结果要比被测源的实际数值高出五个百分点,从这个数值来看的话,可以认为参考源带来的影响是十分有限的。不过在测量高稳定源的时候,要想选择比三倍还要高的参考源是不容易的。这个时候,应该尽量的选择和被测源有相同稳定度的源作为参考目标,其中被测源的稳定度可以通过和同类源进行比较获得。

1.2.3测量间隙的影响

在现实中,某些装置是根本无法实现无间隙的进行测量的。在遇到这种情况的时候,只有在的情况下,比如的时候,测量得到的有间隙阿仑方差σy(2 .T.τ)才可以被近似的认为是和 σy(τ)相同的,也就是说可以不计较间隙的存在导致的影响。如果不是在这个范围之内的话,只可以通过阿仑方差氏的方法对 σy(2 .T.τ)测量的结果进行计算,同时还必须要给出测量周期的数值,也就是T值。 时间间隔分析仪以及HP5371A/72A频率分析仪不但满嘴了无间隙连续采样的要求,同时还能够根据阿仑方差对平方根进行计算和测量,这一功能和HPK79一59992A混频/IF放大器共同组成了对阿伦方差进行迅速测量的装置,截止到现在为止都是一个可靠的测量时域频率的装置,被广泛的进行采用。

1.2.4触发噪声的影响

宽带噪声一般会附加在参考信号和被测信号上,以下变频相混叠的方式进入到IF宽带内部,而且在后面的过程中会通过触发电路以及IF放大器被转变为时间或者相位误差,这种现象在计数器中被称为触发误差。这一误差的大小主要是由后期表现的噪声能量和信号幅度转换速度来决定的,如果信号幅度转换速度过快或者噪声电平转换速度较高的话,对于特定的数值范围内,触发的误差同样是微乎其微的。IF信号宽带中的噪声可以通过后面的宽带滤波器实现很大程度的减低,同时滤波器对IF信号进行局部的放大,这样就得到一个高强度的、噪声较小的信号, 最终被输入到信号的输入端,在很大程度上降低了触发的误差。

1.2.5计数器的时基影响

时基的影响主要有两点:首先是受时基老化以及稳定程度的影响造成的时基误差,其次是基于时基分辨力基础上的计数器测量分辨率。其中计数器能够达到的最为精确的一个准确度就是计数器测量分辨力。使用差拍法进行测量的时候,拍频和测量的分辨力有很大的关系,也就是说通过降低拍频能够在一定程度上提升分辨力的测量质量,另外能够利用高稳定的晶振对时基误差进行完善和降低误差, 直到其达到一个可以忽略不计的结果。

2频域相位噪声测量

2.1测量方法概述

所谓的频域噪声边带,是因为频率源被测量的时候内部的噪声调频以及调相所输出的一种信号,对这种信号进行测量的最有效直接的办法就是使用直接测量法,也叫直接频谱仪法。直接测量法测量之后得到的记过是射频功率谱SRF(f),如果调幅噪声低于相位噪声一定的程度的时候,往往这个界定值为1Od B,那么通过测量得到的结果就是边带相位噪声了,用L(f) 来表示。影响直接频谱仪法的主要因素包括三个,分别是L0的相位噪声、分辨能力以及其动态范围等等。假如一个频率其表现出很强力的漂移的现象,那么这个源是不可以用这种方法进行测量的。所以说,这种方法只适合于快速测量频率源往往是边带噪声电平较高的源。同时为了在测量的时候提高测量噪声的灵敏度,还往往会采用消载波的技术,也就是平常所说的解调的方法。这种方法提高测量灵敏度的原理是在测量的时候把频率的载波想法消除掉,消除之后只剩下边带噪声了, 这时候边带噪声仍然是带有信号的。这种提升质量的方法一般会通过相位检波器以及有鉴频器的方法来实现。频率鉴频器法将被测频率送到一个鉴频器,变换成电压起伏△ Vrms,经滤波放大送低频频谱仪分析测量。

2.2相位噪声测量的若干问题

2.2.1参考源相位噪声的影响

相位噪声测量系统参考源( 包括混频源、锁相源) 的相位噪声Lf应优于被测源1Od B以上,否则应考虑其对测试结果的影响。

2.2.2测量系统底部噪声的影响

一般认为当底部噪声优于被测源相位噪声10d B以上时,则底部噪声的影响可以忽略,否则应考虑其对测试结果的影响。

2.2.3调幅噪声的影响

相位检波器法测量中,由于相位检波器工作于正交状态,它对被测信号和参考信号的AM噪声不敏感。在典型的情况下, 其对AM的噪声的抑制能力在20d B以上一般在射频波段可达30一40d B,在微波波段,可达20d B以上)。所以,相位检波器测量系统具有区分AM噪声和相位噪声的能力,一般情况下测得的就是相位噪声。

3国内外测量设备的发展状况

3.1时域阿仑方差测量

(l) 不能完全做到无间隙测量;

(2) 系统的灵敏度仍受计数器分辨力等的限制,满足不了高稳定频率源测量的要求,该产品现已被淘汰,但国内仍在普遍采用。

中国航天工业总公司二院二0三所新近推出HT一01型频率短稳分析仪, 其特点是:无间隙连续采样二机内装有高稳定参考频率源;可对SMHz,10MHz, 100MHz频标源的lms-ls采样时间的稳定度测试,不需用户配备任何其他仪器,就可独立完成;对非标准频率源的测试用户只需配备参考频率源即可。本分析仪不仅可进行阿仑方差测量,还可配以频谱仪进行相位噪声的测量,是一台频标源的研制、生产、使用单位适用的、性能价格比高的短稳及相位噪声测量分析仪。

3.2相位噪声测量

相位噪声测量设备,美国HP公司继HP3047A之后又推出了HP3O48A相位噪声测试系统,HP3O48A主要在两方面做了改进:一是通过增加10MHz A, IOMHz B,350-500MHz VCO以及改善DCFM的特性,使该系统总的频率调谐范围复盖了从 ±5X10-8HZ提升到 ±2X107的很宽的范围;二是测量软件更加完善、 齐全,便于应用。

4结语

山西大学校园环境噪声测量与评价 篇2

对山西大学校园环境噪声进行了实地监测,根据实测结果分析了山西大学校园环境噪声的.污染现状,并且对校园内部和校园周边环境噪声进行了对比,提出了减少噪声污染的建议.

作 者:郭松 王翠红 GUO Song WANG Cui-hong  作者单位:山西大学黄土高原研究所,山西太原,030013 刊 名:科技情报开发与经济 英文刊名:SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT & ECONOMY 年,卷(期): 19(35) 分类号:X839.1 关键词:噪声污染   噪声测量   噪声标准   山西大学  

应用频谱分析仪测量相位噪声 篇3

传统的测量相位噪声的方法需要借助采用正交检相技术的专用相位噪声测试系统来实现 (比如HP3047、HP3048A相位噪声测量系统等) 。这类测试系统往往设备量庞大, 价格昂贵, 而测试过程又比较繁琐, 因而难以满足用户对信号相位噪声实现方便、快捷地测量的要求。

另一方面, 频谱分析仪作为对频域信号进行分析和处理的专业测量仪器, 随着低相噪频率合成以及低噪声信号通道等相关技术的快速发展, 其本底相位噪声和动态范围、分辨力、灵敏度等方面的性能得到不断的改善, 已经能够满足绝大部分情况下用户对相位噪声的测试要求, 且测试过程也越来越方便。

因此直接使用频谱分析仪进行相位噪声的测试变得越来越有现实意义。在讨论频谱分析仪的测量特点以及对相位噪声的测量原理等内容的基础上, 提出了利用频谱分析仪直接测量相位噪声的快捷、准确的方法。

1 相位噪声基本概念

相位噪声实际上是在描述信号源频率的短期稳定性。一个纯正的正弦波可以用下式表示:

然而在实际应用中, 信号源存在着不稳定性, 信号源内部的随机噪声会对信号产生寄生调制而引起幅度和相位的瞬时起伏:

式中:a (t) ———瞬时幅度起伏,

φ (t) ———瞬时相位起伏。

对于通常的系统, 由于混频器之类的限幅器件的存在, 幅度起伏a (t) <

相位噪声在时域中表现为在波形在零点的抖动 (零交叉变化) 。但是由于相位噪声通常比载波频率低得多, 在时域下往往要经过许多周期载波之后才可能观察到零交叉的变化, 因而对于高质量的信号源, 相位噪声通常在时域下是不能辨别的, 大多数相位噪声分析都转而在频域下进行。

在频域中相位噪声表现为:功率并不像理想情况时那样集中在载波频率处, 而是其中一部分功率以相位调制边带的形式连续地分布在载波频率的上下两侧, 范围从1 Hz一直到几MHz如图1所示。这种形式的相位噪声可以简单地看作无限数目的相位调制边带, 每一个相位调制边带又是由一个低频调制信号而产生。分析相位噪声时, 只需取载波两侧边带中的其中一侧就可以了, 这称为单边带 (SSB, Single Side-Band) 相位噪声, 符号为£ (fm) 。

在实际测量中, 我们感兴趣的是与载波功率有关的相位 (频率) 起伏, 因此美国国家标准与技术学会 (NIST, Nation Institute of Standard and Technology) 把£ (fm) 定义为:偏离载波一定频率 (fm) 处, 在1Hz带宽内的相位调制边带功率 (PSSB) 与总的载波信号功率 (PC) 的比值:

£ (fm) 通常用相对于载波1Hz带宽的对数表示 (单位为d Bc/Hz) :

进一步可变化为:

式中:£ (fc) 代表载波功率电平, £ (fm) 代表的是频偏fm处归一化到1Hz等效噪声带宽内时用有效值检波器获得的噪声功率电平。这两项均可以通过频谱分析仪方便快捷地直接测出。£ (fm) 是相位噪声最常用的表示形式, 却并不直接反映相位噪声, 之所以这样使用正是由于它和频谱分析仪上观测到的RF功率有上述这样简单的关系。

3 用频谱分析仪测量相位噪声

3.1 频谱分析仪

频谱分析仪一般采用超外差式的实现模式如图2所示, 射频输入信号 (载波) Fin进入频谱分析仪后, 经过对镜像起抑制作用的低通滤波器后与高纯度的合成本振FLO进行混频, 得到适合进行处理的中频信号FIF, 中频信号经过增益调理、分辨率带宽滤波、包络检波和视频滤波输出, 经取样后进入模数转换器 (ADC) 转换为可供微处理器识别的数字, 最终在显示器上以幅度-频率坐标进行显示。

3.2 相位噪声测量对频谱分析仪的要求

为了能直接测量相位噪声, 频谱分析仪必须满足几个条件:首先, 显而易见的一点是频谱分析仪的本底噪声必须足够低, 以使得被测相位噪声不至于为频谱分析仪的内部噪声所淹没。其次, 由于中频信号是由输入信号和本振混频产生的, 因而除了输入信号的相位噪声会通过混频转移到中频以外, 本振的相位噪声也不可避免会出现在中频处, 为了能对输入信号的相位噪声进行精确测量, 频谱分析仪本振的相位噪声必须低于被测信号。

3.3 具体的测量步骤

1) 在频谱分析仪上设置与被测信号频率相同的中心频率 (Center) , 转动旋轮使被测信号移动至显示器屏幕的左侧;

2) 设置参考电平 (Ref level) 略大于或等于被测载波信号的实际输出电平值;

3) 在频谱分析仪上, 根据被测信号频率大小设置适当的扫频带宽 (Span) , 分辨率带宽 (RBW) , 视频带宽 (VBW) , 使其能显示出被测信号在有效带宽内的一个或两个噪声边带;

4) 用频谱分析仪分别测量载波功率和指定偏离载波fm处的边带噪声功率 (对数) , 并利用Marker读出P (fc) d B和P (fm) d B的数值 (也可直接用频谱分析仪的ΔMarker功能测出P (fm) d B与P (fc) d B的差值) , 并记录此时的RBW值;

5) 按下面的公式对从频谱分析一直接读取的单边带相位噪声值进行归一化计算和误差修正。 (对于具备相位噪声归一化计算分析测量软件的频谱分析仪, 可进入菜单直接读取已完成归一化计算和误差修正的相位噪声值) 。

式中:Kdet———检波器修正因子;

10log (BWN) ———对于等效噪声带宽BWN进行的归一化修正。

3.4 归一化计算

功率谱均等的噪声通过有频率选择的谐振电路后, 其输出端的噪声功率谱就不再均等了, 比如通过频谱仪的分辨率带宽这样的窄带滤波器其包络会呈现瑞利分布。这种频谱不均等的噪声会给分析和计算带来不便, 所以在噪声测量中需要采用等效噪声带宽进行归一化计算。而频谱仪的分辨率带宽指其3d B带宽, 表示的是滤波器对信号的选择性, 典型情况下, 等效噪声带宽比3d B带宽宽10%~15%, 因此如果直接用频谱仪的分辨带宽代替等效噪声带宽进行归一化计算, 就会产生测量误差。

如图3所示, 虚线所示的矩形滤波带宽BWN即称为滤波器的噪声等效带宽 (Equivalent brick-wall bandwidth) , 图形中的两部分阴影面积相等, 其几何意义表示矩形滤波带宽内的噪声功率与RBW滤波曲线范围内总的噪声功率值相同。

公式表述如下:

式中:G (f) ———滤波器的功率增益函数。

对于单极滤波器 (以低通为例) , 其电压传递函数为:

为了得到功率增益而取H (f) 的大小, 得:

计算得, 额定功率G0=1, 以及噪声等效带宽为:

因此, 噪声等效带宽是单极滤波器3d B带宽的1.57倍。而对于多极滤波器, 与单极滤波器3d B带宽有如下关系:

多极滤波器3d B带宽fc'与单极滤波器3d B带宽fc间有如下关系:

由此可推算出BWN与fc'的倍数K, 见表1。

通常情况下, 频谱分析仪的分辨带宽常采用4阶高斯滤波器, BWN为其3d B带宽即RBW值的1.129倍, 因此归一化修正项10log (BWN) 可转换为10log (1.129RBW) , 对于多数Agilent公司的频谱分析仪, 随机噪声的等效噪声带宽一般用测量带宽的1.2倍近似, 而采用数字中频滤波器的频谱仪, 其滤波器特性更为陡峭, 可近似认为滤波器极数趋近于∞, BWN=1.065RBW。

3.5 检波器修正因子

另一个影响测量结果的是频谱仪的检波方式。由于信号和噪声的响应方式不同, 采用频谱仪的峰值 (包络) 检波器而非有效值检波器检测的噪声电平, 与实际值会产生一定的偏差。

上面提到过, 使用频谱分析仪时, 通常所涉及的是一定通带内的信号, 如频谱分析仪的分辨带宽, 在此带宽内噪声信号包络电压的概率密度函数呈瑞利 (Rayleigh) 分布。如图4所示。

选取δ=1, 使之归一化, 则有:

这一噪声在频谱分析仪中需经过包络检波、对数成形和取平均, 当频谱分析仪对对数刻度的输出进行平均时, 所计算的是对数的平均值:

而当用d B表示噪声的平均功率时, 计算的本该是该平均功率的对数。因为噪声电压的均方值为:

所以有:

由此可知, 平均值的对数并不等于对数的平均值, 因此, 对数处理对噪声结果存在影响, 两者之差为:

因此, 对模拟频谱分析仪要做到2.5d B修正, 而对数字式频谱分析仪则不用修正。

4 结束语

提出的利用频谱分析仪直接测量相位噪声的方法, 是频域中测量相位噪声最简单、最直接的测试方法。尽管存在着一定的局限性, 比如不能或很难测试靠近载频的信号。由于受频谱分析仪动态范围的限制对信号幅度也有一定要求。但这种方法仍然是测量具有较高相位噪声边带的稳定信号源的一种很好的技术。

摘要:介绍了利用频谱分析仪直接测量相位噪声的方法。根据相位噪声的定义, 给出了频谱分析仪相关测量参数的换算关系, 进而得到对测量值的计算方法。并讨论了如何对频谱分析仪输出结果进行误差修正。

关键词:相位噪声,频谱分析仪,等效噪声带宽,误差修正

参考文献

[1]罗伯特·A·威特.频谱与网络测量[M].北京:科学技术文献出版社, 1997.

[2]自居宪.低噪声频率合成[M].西安:西安交通大学出版社, 1995.

[3]许建华.频谱分析仪在噪声测量中的应用[J].电子测量技术.

[4]曹芸.频谱分析仪在测量相位噪声过程中的数值修正[J].国外电子测量技术, 2002.

井下噪声测量仪的设计与实现 篇4

噪声作为煤矿井下的主要职业病危害之一, 不仅对广大煤矿工人的身体健康和生命安全构成严重威胁[1], 同时也影响矿井安全生产。尤其是在综采、掘进工作面, 由于机器设备功率大, 设备多, 且作业空间狭小, 反射面大, 易形成混合噪声, 严重影响工人的健康和生命安全。目前我国对煤矿噪声危害的调查多集中在煤炭生产的地面企业, 煤矿井下还没有用于噪声测量的仪器。针对上述问题, 设计了一种煤矿井下噪声测量仪, 采用STC系列单片机作为核心控制器, 外围配接放大、计权电路和数码显示电路, 实现了对噪声声级的准确测量, 对保护煤矿工人的身心健康具有十分重要的意义。

1 噪声测量的基本原理

声波传播时, 由于空气受到了振动而引起疏密变化, 在原来大气压强上叠加了一个变化的压强, 这就是声压, 其计量单位为Pa。正常人耳刚刚能听到的微弱声音声压为2×10-5 Pa, 称之为听阈声压;声压值达20 Pa, 能使人耳产生疼痛感觉, 称之为痛阈声压。这两个值相差100万倍, 如果要用100万个的分度值来表示声音的强弱, 显然是很不方便的。为此, 引出了一个成倍比关系、用数量级来表示声音的大小, 这就是声压级。它的数学表达式为

undefined

式中:LP为声压级, dB;P0为参考声压, 其值为2×10-5 Pa, 是1 000 Hz正弦波的听阈声压;P为被测声压有效值, Pa。

P与被测瞬时声压P2 (t) 又具有下述关系:

undefined

同时, 噪声测量是采用电气的方法来测量声音的, 即用传声器将被测声压P (t) 转换成相应的电压U (t) , 其转换的关系式为

undefined

式中:S为传声器的声压灵敏度, mV/Pa。目前广泛使用的传声器的灵敏度一般为50 mV/Pa。

将式 (2) 、式 (3) 代入式 (1) , 整理后得

undefined

式中:undefined, 为U (t) 的有效值;C=20lg P0-20lg S, 对于确定的传声器而言, C为一常数。

式 (4) 建立了声压级与传声器输出电压有效值的联系, 按照有关标准规定, 对电压U进行模拟入耳特性的时间计权和频率计权处理, 即可得到所谓的计权声压级即声级, 这便是设计噪声测量仪的理论依据。

2 测量仪硬件设计

噪声测量仪硬件主要由主控制器、信号输入电路、遥控电路、显示电路和电源电路等组成, 如图1所示。

(1) 主控制器

噪声测量仪主控制器采用STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期 (1T) 的单片机, 是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机, 指令代码完全兼容传统8051, 但速度却快8~12倍。内部集成MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位AD转换 (250 K/S) , 工作电压为5.5~ 3.3 V, 工作频率为0~35 MHz, 用户应用程序空间为60 KB, 无需专用编程器, 无需专用仿真器, 可通过串口 (P3.0/P3.1) 直接下载用户程序, 数秒即可完成程序烧写。此外, 还具有外部掉电检测电路, 在P4.6口有一个低压门槛比较器, 通过该口可实现欠电压指示, 该噪声传感器将电源电压分压后输入P4.6, 进行对比, 根据对比结果自动设置内部寄存器, 通过程序查询此寄存器以实现控制电源电压的欠压指示。

(2) 信号输入电路

信号输入电路主要包括前置放大电路和频率计权电路。

前置放大电路是将传声器产生的声压信号放大, 由于该信号非常微弱, 因此, 要求前置放大器具有高输入阻抗、低噪声。设计选用的是日本三洋公司生产的2SK569S芯片, 其输入阻抗达到8×108 Ω, 输入电容达到20 pF, 是噪声传声器的专用管[2]。

频率计权是指其横幅稳态正弦输入信号级与显示装置上指示信号级两者之间作为频率函数关系, 根据计权网络不同所对应的频率电路也不同, 本设计选用电阻、电容和LF444运放芯片组成的频率计权网络。

(3) 遥控电路

噪声测量仪配置了遥控器, 使用遥控器对其参数进行修改。遥控器选用的是中煤科工集团重庆研究院生产的FYF2型红外遥控发送器。由于该遥控器内部采用BL9148作为红外发送芯片, 因此, 噪声测量仪的遥控接收电路采用与该遥控器相配合的译码解码芯片BL9149。BL9149可用于红外线遥控接收器的CMOS 大规模集成电路, 与发射电路BL9148相配可组成一个遥控系统。BL9149 是16脚双列直插封装, 能控制18个功能。

(4) 显示电路

显示电路由专门的LED显示驱动芯片、4个数码管组成, 采用动态扫描显示方式。LED主要显示噪声声级值及系数等信息。目前市面上已有的LED显示驱动芯片种类繁多, 从性价比及功能实用性的角度考虑, 本设计选择MAXIM公司生产的多功能串行LED显示驱动器MAX7219。MAX7219是一款串行共阴极数码管动态扫描显示驱动芯片, 其峰值段电流可达40 mA, 最高串行扫描频率为10 MHz, 典型扫描频率为1.3 kHz, 仅使用3线串行接口传送数据, 可直接与单片机接口, 用户可以方便地修改其内部参数以实现多位LED显示。它内含硬件动态扫描显示控制电路, 每片芯片可同时驱动8位共阴极LED或64个独立的LED。因此, 采用该驱动芯片大大简化了显示电路的设计, 降低了功耗[3]。

(5) 电源电路

电源电路为由线性稳压芯片LM7805、LM7905和反电源转换器7660S组成的稳压、反向电压电路, 主要给电路板供电和部分运放供电。

3 测量仪软件设计

测量仪软件设计采用结构化程序设计方法和模块化技术、C语言编写。整个程序主要包括主控模块、数据采集模块、滤波模块、遥控输入模块和数据显示模块。主控模块主要负责程序初始化和主程序循环控制;数据采集模块主要负责采集AD转换数据, 包括AD转换启动、接收等;滤波模块负责将采集的数据进行滤波与处理, 以便主控模块调用数据;遥控输入模块负责中断接收输入的遥控信号, 并转到相应的程序进行处理;数据显示模块主要负责MAX7219的初始化及数据存储、显示工作。主程序流程如图2所示。

4 试验测试

为了验证该噪声测量仪的各项性能指标, 在中煤科工集团重庆研究院噪声实验室进行了试验。对3台样机进行测试, 测试结果如表1、表2、表3所示。

从表1~3可看出, 噪声测量仪测量误差≤±1.25%, 达到了2级声级计指标要求。

5 结语

井下噪声测量仪采用了STC12C5A60S2为主控制器, 外围配接放大、计权模拟电路和数码显示电路, 实现了对噪声声级的准确测量。试验测试结果表明, 该仪器具有测量准确、安全、可靠等优点, 测定误差≤±1.25%, 达到了2级声级计指标要求, 具有很好的应用前景。

参考文献

[1]刘卫东, 多彩虹, 崔玉芳, 等.某煤矿井下噪声危害现状调查[J].职业卫生与疾病, 2008 (6) :342-344.

[2]张鸿升.简易传声器专用管2SK596的结构与性能[J].电声技术, 2006 (7) :38-40.

线阵CCD低噪声测量系统设计 篇5

CCD (Charge-coupled Device, 电荷耦合元件) 图像传感器体积小、重量轻、功耗小、寿命长, 同时具有灵敏度高、响应速度快、自扫描和光谱响应宽等优点, 被广泛应用于各个领域, 包括航空航天、传媒摄像、工业生产等。随着光电子技术的不断发展, 测量系统快速采样、存储、处理和传输是系统新的发展方向。由于线阵CCD实时控制较为容易, 而且价格便宜, 所以广泛应用于非接触的尺寸测量、质量检验、自动化及机器人视觉精确定位等等[1]。

1 系统整体结构

本系统由光源、光学镜头、被测物、线阵CCD、数据采集与传输单元和数据显示单元构成。当光源的光通过光学镜头照射在被测物体上, 被测物体的相关信息被线阵CCD记录下来, 由后续的数据采集单元将模拟信号转换为数字信号, 再将数字信号进行处理, 最后传输显示在上位机上。

本文设计的重点是数据采集与传输单元, 具体设计如图1所示。线阵CCD将光强信号转换为模拟电信号输出, 再送入模数转换器中转换为12位并行数字信号。用Matlab软件设计一个低通滤波器, 并结合FPGA将数字信号进行滤波处理。滤波后的数字信号送入FPGA内嵌的存储器中进行缓存, 再通过并口转串口模块将12位并行数据转换成串行数据, 通过串口上传至上位机中显示。

2 系统硬件结构

2.1 图像采集模块

本系统选用的图像传感器为东芝公司的TCD1209D, 这是一款两相的CCD, 主要用于传真、图像扫描和OCR (Optical Character Recognition光学字符识别) 技术[2]。这款CCD灵敏度较高、暗信号电压较小、动态范围较大, 非常适合用于尺寸测量。共有2048个有效像元, 像元尺寸为14μm×14μm, 相邻两个光敏单元的中心距为14μm。该CCD工作需要6路驱动脉冲, 由FPGA产生, 包括移位脉冲φ1、φ2, 信号输出脉冲φ2B, 转移脉冲SH, 复位脉冲RS和箝位脉冲CP。

2.2 模数转换模块

CCD输出的信号为模拟信号, 在将信号输入到微处理器前, 要将信号转换为数字信号。本系统选用的模数转换器为AD公司生产的AD9945, 该芯片最高采样频率为40MHz, 而本系统CCD信号频率为1MHz, 完全能满足设计需要。其信号链主要由相关双采样 (Correlated Double Sample) , 数控可变增益放大器 (Variable Gain Amplifier) 和12位A/D转换器组成。

为了降低CCD信号中的复位噪声, 模拟信号先经过CDS处理[3]。在复位电平SHP和像元信号电平SHD的上升沿, 对模拟信号进行采集, 并将得到的两个信号相减, 从而降低复位噪声。接着通过一个VGA增益放大器来调节信号的大小, 可以通过一个10位的串行数字接口编程来设置增益的大小。最后CCD信号经过12位的AD转换器转换后, 输出数字信号, 并且延迟了10个像素的时钟。

2.3 FPGA模块

本系统使用的FPGA芯片为Altera公司的Cyclone 2系列EP2C8Q208C8, 通过设计产生CCD和AD的驱动信号, 并结合Matlab软件对数字信号进行低通滤波处理, 处理后的信号经过缓存和传输, 显示在上位机上。

3 系统软件设计

根据系统的硬件设计, 软件程序主要包括三个功能模块:时序功能模块、滤波功能模块和数据传输功能模块。

3.1 时序功能模块

为了使CCD正常工作, 必须设计出符合CCD正常工作的时序脉冲。将两相时钟频率φ1、φ2设为1MHz, 则RS和CP的频率也为1MHz。AD9945需包含三个方面的时序设计: (1) 串行数字接口SDATA、SCK和SL, 对内部寄存器进行配置; (2) 相关双采样信号SHP、SHD, 以及数据像素同步时钟DATACLK; (3) 光学暗电平钳制脉冲, 减少暗电平噪声。

3.2 滤波功能模块

本系统设计了低通滤波器对数字信号滤波, 是结合Matlab和FPGA实现的[4]。系统设计的滤波器为有限脉冲响应 (Finite Impulse Response, FIR) 滤波器, 使用窗函数设计方法。CCD输出信号频率为1MHz, 经AD转换后数字信号频率仍为1MHz, 所以我们将低通滤波器的截止频率设为1.2MHz, 采样频率设为5MHz。通过Matlab设计了一个32阶的低通滤波器, 系数的量化位数为12比特。量化后得到的滤波器系数为:FF8、001、00D、000、FE3、FFB、03B、015、F95、FC8、0B7、084、EBF、EB4、2F2、7FF、7FF、2F2、EB4、EBF、084、0B7、FC8、F95、015、03B、FFB、FE3、000、00D、001、FF8, 系数呈现出对称性。

通过Matlab软件得到滤波器系数后, 利用FPGA对数据进行滤波。本系统使用FIR滤波器直线型结构, 相当于一个乘累加运算, 且乘累加运算的次数由滤波器阶数决定。同时累加运算由串行结构来实现, 即每级延时单元与相应系数的乘积结果进行累加后输出, 因此整个滤波器实际上只需要一个乘法器运算单元。由于FIR滤波器系数具有对称性, 所以进行对称系数的加法运算也由一个加法器串行实现。

3.3 数据传输功能模块

经过滤波后的数字信号先经过存储器进行缓存, 我们设计一个FPGA内嵌的异步FIFO对数据进行缓存处理。由于CCD的信号频率为1MHz, 所以写时钟频率设为1MHz。将串口传输速率设为9600bps, 则FIFO读时钟频率应大于9600/12Hz, 将读时钟频率设为0.8MHz。同时设置空、满标志信号来判断何时将数据写入和读出FIFO。

从FIFO中传输出来的12位并行数据需要转换为串行数据, 才能通过串口上传至上位机中。需要在FPGA内部设计一个移位寄存器, 并行数据传输至移位寄存器后, 在通过数据缓冲寄存器输出。

4 系统测试与分析

搭建实验平台, 进行系统测试。将被测物选为双缝, 其衍射条纹投射在线阵CCD上, 通过系统数据采集与传输, 传输至上位机中。我们将未加低通滤波器时采集到的数据保存为txt格式, 并用Matlab进行仿真, 图2所示为CCD信号滤波前后的频谱图, 从图中我们可以看出, 原信号中频率成分大于1.2MHz的信号被滤除, 仿真证明滤波效果较好。图3中显示了实验中得到的CCD时域信号, 通过对比我们可以看出经过滤波后的条纹更加平滑, 毛刺也相应减少了。

5 结论

本文设计的低噪声测量系统是基于FPGA技术的, 由于FPGA具有运算速度快、配置灵活等诸多优点, 提高了系统的运算速度和集成度。本文从硬件和软件两方面对CCD噪声进行了处理, 提高了系统的测量精度。该测量方法可以推广到具有更高工作频率的CCD测量系统中, 例如无接触位移测量和振动测量等领域。

摘要:介绍了线阵CCD低噪声测量系统的结构, 并从硬件和软件两个方面处理系统噪声。CCD输出的模拟信号传输至AD中, 经过相关双采样处理降低复位噪声。转换后的数字信号传输至FPGA中, 经低通滤波器进一步去噪后, 通过FPGA内部缓存器上传至上位机中。利用FPGA实现了CCD和AD的驱动, 并结合Matlab软件设计低通滤波器。实验表明该系统工作稳定, 精度较高。

关键词:线阵CCD,FPGA,相关双采样,低通滤波

参考文献

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[2]王庆有.CCD应用技术[M].天津:天津大学出版社, 2000:30-45.

[3]王华伟, 刘波, 曹剑中.CCD信号处理电路设计研究[J].科学技术与工程, 2007, 7 (16) :4153-4156.

齿轮箱噪声测量及分析装置的设计 篇6

齿轮箱广泛应用于机械设备中,是机器设备的关键部件,齿轮箱一旦发生故障,便会引起机器设备的严重失效,因此,对齿轮箱进行状态监测和故障诊断研究是非常必要的。当前齿轮箱的故障诊断方法主要有振动与噪声分析、扭振分析、油液分析、声发射测试、温度及能耗监测等,其中振动噪声诊断是齿轮箱状态监测和故障诊断最常用的方法。齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动,一旦发生故障,其振动噪声信号的能量分布和频率成分将会发生变化[1]。噪声信号是齿轮箱故障特征的载体,对其状况进行分析,可实现不停机操作状态下的故障诊断,大大降低了停机损失。振动噪声分析故障诊断系统安全可靠、技术成熟、价格便宜、操作相对简单,在齿轮箱状态监测中得到了广泛应用。

2 齿轮箱噪声的来源

齿轮箱中主要包括齿轮、轴承、轴和箱体四部分,各类零部件损坏比例为:齿轮60%,轴承19%,轴10%,箱体7%,紧固件3%,油封1%,由此可见由于齿轮失效而导致的故障占了很大比例[2]。齿轮是系统的主噪声源,齿轮啮合过程中的摩擦和冲击是齿轮产生振动和噪声的主要原因。

实际工程应用中的齿轮不可避免地存在着制造误差与安装误差,在载荷的作用下轮齿还会发生变形。这些误差和变形破坏了齿轮传动的啮合关系,使齿轮啮合时的位置相对于其理论位置发生偏离,以致齿轮传动瞬时传动比发生变化,齿轮啮合不平稳,造成齿与齿之间发生碰撞或冲击,从而产生振动和噪声[3]。齿轮箱齿轮噪声的产生如图1所示,由于动态啮合力的激励,使齿轮系统产生振动,从而产生噪声。

3 测量原理

噪声测量与分析装置是通过信号收集装置TES-1352A声级计收集噪声,把噪声信号转为电压信号输入到信号处理器XM-120模块中,通过信号处理模块进行信号处理,用USB数据传输把信号的动态图输送到计算机里,然后在计算机里设置和配置软件以及硬件模块的参数,从而通过计算机显示界面对噪声信号进行显示、分析以及故障诊断。

4 装置的设计

噪声测量与分析装置由噪声信号收集装置TES-1352A声级计、加速度传感器ENTEK9300、信号处理器XM-120模块和计算机组成。测试时,TES-1352A声级计所采集的声音信号转化为电压信号传输到XM-120及装有XM分析软件的计算机进行显示和分析。为了把齿轮箱噪声信号测量分析装置与振动信号测试分析装置做比较,在系统测试中同时把振动传感器ENTEK9300接入XM-120模块中。测试装置工作原理图如图2所示。

5 硬件系统的设计

(1)XM-120模块

XM-120振动模块是一个双通道通用型监测仪。它是Rockwell Automatio的Entek XM系列产品之一,是世界上第一部配置在开放型标准工业总线上的分布网络模块式监测保护系统。XM-120模块可以接收从标准涡流传感器以及集成电子压电加速器(IEPE)产生的信号,也可以接受从各种测量设备比如速度传感器或压力传感器发出的电压信号。

(2)TES-1352A声级计与XM-120模块的连接

TES-1352A声级计采用AC输出口(输出动态电压信号)与XM-120模块相连,把信号通道接线分别接于模块的0和16接线端口,电缆屏蔽接线接于模块的37接线端口。

(3)ENTEK9300加速度传感器与XM-120模块的连接

ENTEK9300为集成电子压电加速器(IEPE)传感器,XM-120模块中接口5和6,接口21和22先短接,然后把ENTEK9300加速度传感器信号通道接线分别接于模块的1跟17接线端口,电缆屏蔽接线接于XM-120模块的38接线端口。

(4)XM-120模块与电脑连接

通过USB通讯接口把XM-120模块的连接线跟计算机连接,连接有启动计算机中的XM模块配置软件,当看到连接图标处于连接状态时,示意模块已连接计算机,可进行模块配置以及信号采集。

6 齿轮箱噪声测量及分析装置试验

噪声测量分析装置用于对齿轮箱中齿轮噪声信号的检测和分析,从而判断齿轮箱的运行状态或故障原因,通过与相关标准的比较,及时得出行之有效的下一步解决方案,以防止故障的发生或解决故障;同时通过与振动信号测试分析装置进行比较,体现出噪声测量分析装置的优越性。

使用MDT-3A多功能振动实验台来验证噪声测量分析装置,实验台齿轮箱中的主动轴上均匀分布着3个型号相同的小轮,其状态分别为正常、齿面磨损和断齿。被动轴上有一个可调节滑动的大齿轮,可人工调节使其分别与3个状态不同的小齿轮啮合。实验时,均处于加载状态。

6.1 大齿轮与正常小齿轮啮合

将各实验仪器连接,调节大齿轮与正常小齿轮啮合,启动MDT-3A实验台电动机,启用加载模式并将转速设置为680r/min,啮合频为249.3333,测试所得频谱图如图3所示。

正常齿轮的频谱图能得出高速齿轮和低速齿轮的转速以及齿轮的啮合频率(GMF)和非常小的齿轮啮合频率的谐波频率。齿轮啮合频率的幅值对加载很敏感,因此在啮合频率为250.8258Hz处的幅值较大。齿轮啮合频率通常在它们的两侧有高、低速齿轮的转速频率边带[4]。从第一个试验中可以得出噪声测量分析装置得到的波形图能很好的反应齿轮的工作状态。

6.2 大齿轮与齿面磨损的小齿轮啮合

当齿轮出现磨损时,一般不会有冲击信号产生,所以不会出现明显的幅频调制现象;当磨损发展到一定程度时,啮合频率及其各次谐波幅值明显增大,尤其是2次谐波,幅值增加最为明显;同时,振动能量(包括有效值和峭度指标)有较大幅度的增加。

利用噪声测量及分析装置实验测得大齿轮与小齿轮啮合的频谱图如图4所示,将图4与图3在两倍啮合频率幅值相比较,可以清晰地看到图4的幅值明显增加,且产生了以主动轴的转动频率为11.333Hz及其倍频为调制频率的边频带。

图5为利用ENTEK9300加速度传感器所测得的振动信号,从频谱图中可以看出在以频率214Hz、428Hz和642Hz为中心的附近产生幅值均相当大的边频带。图中214Hz、428Hz、642Hz虽成倍增关系,但与齿轮啮合频率249.3326Hz并无明显的数学关系,而是与轴的转速成倍数关系,此外,在上述边频带意外存在的干扰信号的幅值也比较大,而且整个频率范围内都分布着密集的边频带,比较难从频谱图中判断出齿轮箱的齿轮出现了磨损缺陷。

从图4跟图5的比较分析中可以很明显地看出利用噪声测量及分析装置比利用振动信号测试分析装置得到的图像直观清晰,信噪比好,而且能更加清晰的反映出齿轮箱中齿轮磨损的情况。

6.3 大齿轮与断齿小齿轮啮合

断齿是齿轮严重的失效形式,也是比较常见的。利用噪声检测装置所测得的频谱情况如图6所示。频域图6(a)中可以看到在2倍啮合频率和3倍啮合频率附近出现明显的断齿齿轮转频成分及高次谐波。同时看出齿轮自振频率,即在图中的647.3104Hz及其附近的调制边频,其边频带的调制频率非常接近于断齿齿轮转频。从时域图6(b)中可以明显看出间断冲击的特点。每隔一段时间(断齿齿轮转频的倒数)便出现一次尖峰,这与齿轮断齿处啮合时的冲击是对应的。由此可见,用噪声测量分析装置可以很方便地检测出齿轮的断齿故障。

图7是利用利用利用噪声检测装置所采集的信号,从图7(a)中可以看出,在频谱图中,很难判断故障的类型及原因。而在时域谱7(b)中,振动有间断冲击的特点,这与噪声测量谱相似,但所得的谱图没有噪声检测装置所检测得到的清晰直观。

7 结论

从试验结果得出,噪声测量装置在频谱分析中能更直观地反映齿轮箱的运行状态、故障类型及故障位置;在采集齿轮故障信号方面比振动测量有着明显的优点,所采集得到的信号清晰、干扰小;如果条件允许,将背景杂音有效屏蔽将可得到更为准确清晰的信号频谱数据。由此可见,齿轮箱噪声测量及分析装置有着很大的应用前景。

参考文献

[1]陆人定.齿轮箱故障时域和频域诊综合断技术[J].机电工程技术,2005(01):17-19.

[2]沈庆根,郑水英.设备故障诊断[M].北京:化学工业出版

[3]何韫如,宋福堂.齿轮与齿轮箱振动噪声机理分析及控制[J].振动、测试与诊断,1998(09):221-226.

浅谈仪器噪声对光谱测量精确的影响 篇7

1.1 仪器噪声的产生

通常, 光谱测量过程是检测器将光信号转换为电信号, 再通过电路处理, 得到测量光谱“在整个光路传输过程中, 各原子发光与吸光都存在一定的随机性, 电路中电子的热运动也存在随机性”因此, 光谱测量所得到的原始信号中含有一部分仪器噪声, 通常该随机噪声服从零均值正态分布“假设在频率f处信号的功率为P (f) , 测量信号中的仪器噪声功率为ó2, 则实测信号的功率谱Pm (f) 为[6]

式中, s (f) 为频率f处的理论信号, v (f) 为频率处f处的噪声, Re (·) 为取部实数函数, g为随机噪声引起的误差, 其值为|s (f) |2+v (f) |2+2Re[s (f) v (f) ]

1.2 吸光度分析

通常光谱测量的顺序是先测量背景 (或参比) 得光谱强度Pm0, 再测样品物质得光谱强度Pm1, 将二者相除才得到实际的吸收光谱, 通过对数运算可得吸光度。所以测量的吸光度为

式中, P1 (f) , P0 (f) 仍分别为样品与背景接收信号的理论功率, g1, g0分别为样品与背景测量结果的误差。

由于误差通常与真实值相比较小, 由微分原理有

式中, i=0, 1 e=2.71828……

1.3 吸光度的期望值

由式 (3) 可知, Ami的数学期望为

结合式 (2) 与式可知, 实测吸光度的期望值为

式中, A (f) 为理论吸光度

1.4 吸光度的方差

Ami的方差为

用复数表示信号与噪声

由于背景 (或参比) 光谱与物质光谱测量是独立的,

所以实测吸光度的方差为

显然

所以

由于背景 (或参比) 光谱与物质光谱测量是独立的, 所以实测吸光度的方差为

显然, 吸光度中噪声功率不只与测量过程中噪声功率有关, 还与理论光谱有关。

1.5 实测吸光度分析

图1为Varian1000FT-IR红外光谱仪用压片法连续5次测量硫酸亚铁钱 (分析纯) 样品得到红外谱图的重叠图:图2为TU-1810型紫外分光光度仪5次连续测量同一K2Cr2O7:溶液紫外光谱图的重叠图。

图中, 当红外光谱的波数为1400.3171cm-1时, 吸光度的误差最大, 其值为0.0726, 其吸光度约为0.7, 根据光谱分析原理, 此吸光度适合光谱分析。在紫外光谱中, 在波长为681.5000mm时, 吸光度的最大偏差达0.1621;吸光度在0.2~0.7之间最适合光谱分析的波长范围, 最大偏差也达0.0231可见, 多次测量曲线彼此不重合, 且在一定范围内发生浮动, 这便是随机噪声所致;即使在最适合光谱分析的吸光度处也存在较大的误差因此, 在实测光谱时, 实际代入的光谱数据是有偏的, 而且还存在一定方差“其中, 光谱测量误差会随着处理过程迭代, 导致计算结果存在误差”即使取多次测量光谱的平均值, 也只是减小测量数据的方差, 而偏差不会减小, 其计算结果也只能略有改善。

2 结论

跟踪与研究光谱分析的方法, 结合数学与信息学科知识, 发现吸光度易受仪器噪声的影响;分析表明实测吸光度是对理论吸光度的有偏估计;而在我们通常的光谱分析中, 往往忽略甚至回避了光谱测量中仪器噪声对光谱的影响问题。因此, 为了更加准确地估计光谱参数, 降低光谱分析的最低检测门限, 提高光谱分析的科学性、系统性、适用性与可信性, 应在此基础上深入研究光谱预处理技术, 以便将仪器噪声对光谱的影响降低到最低程度。

参考文献

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用平衡零拍来测量噪声的传递特性 篇8

激光器以其低噪声和高光谱纯度特性广泛的应用于精密测量, 特别是在低频信号的亚散粒噪声的测量中有着重要的应用。最近几年来, 低频压缩[1]取得了显著的进展, 而且在引力波探测[2]中的应用使低频信号的亚散粒噪声测量有了更好的发展前景[3,4]。光学中零拍探测是量子光学中常用的探测方法。零拍探测器是一个不转移测量频率的对相位敏感的装置, 但是在量子噪声水平的探测中没有额外噪声。在本文中, 我们通过实验证明了多成分本征场的噪声跃迁。通过注入更容易产生的高频压缩态, 实现我们实验中的亚散粒噪声低频信号测量。

2 理论方面的计算

本次实验的实验装置图如图1, 一束频率为ω0的光场, 经过调至频率为Ω的相位调制后, 产生了一对一阶边带, 频率为ω0±Ω。将调制后的激光边带频移到频率为ω0的信号光的边带上, 从而, 在低频边带处的噪声被压缩。

经过调制的强的local光与一个弱的信号场在50:50分束器上耦合干涉, 输出端进入一个平衡探测器。随后就进入了电学信号的分析部分。假设的相位调制场湮灭算符是:, 弱的信号场是a赞s。经过一系列的简单的计算可以得到的光电流谱密度为:

其中α是LO的振幅, T是探测时间, Jn (ε) 是n阶贝塞尔函数。是弱信号场的归一化方差。

因此, 可以看出这种方法将高频处的光学噪声平移到了低频处。式 (1) 中, 在低频处的量子噪声是在高频处量子噪声的线性叠加。其比重是完全取决于local场中所对应的频率成分的比例。

3 实验操作

一束单频激光分割成两部分, 光强为100u W和1m W。功率较大的作为local光, 用频率5MHz信号调制。在50:50的分束器上与弱信号场进行干涉。将相对相位锁定为0, 第二个分束器输出光进入平衡探测装置。随后将探测到的光电流信号送入谱仪进行分析。信号光的振幅噪声通过开关相位调制器进行测量的, 如图3所示, 信号光的噪声只是高于散粒噪声基准几个分贝。通过对local光进行相位调制, 使得local有了多个频率成分。该光束一小部分进入一个F-P共焦腔, 探测到的频率成分比如图2, 光功率的分布为:2P2:2P1:P0=0.2:0.64:0.16, 因此, 0阶占总功率的16%。根据式 (1) , 通过计算所探测的光电流方差:V (w) =0.16Vlf+0.84Vsnl, 这与上述理论结果是一致的。

如图3所示, 曲线 (a) 是弱激光的噪声, 曲线 (c) 是散粒噪声, 曲线 (b1) 是本底光调制后实验测量结果, 粉色曲线 (b2) 是曲线 (a) 和曲线 (c) 的线性叠加。由此可以看出, 实验和理论值是非常吻合的。

此部分工作是由中国国家自然科学基金No.11174189和No.60978008以及中国国家重点基础研究项目NO.2010cb923102的共同资助下完成的。

摘要:我们的实验主要研究的是测量噪声的传递与平衡零拍探测。与双频率的本征场 (LO) , 低频噪声在100千赫降低5dB。更进一步的改善受到中心频率载体的非理想取舍。在这个过程中, 低频信号的亚散粒噪声光学测量能够通过高频的压缩态来进行测量。

关键词:噪声,低频,平衡零拍

参考文献

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[3]Kirk McKenzie, Malcolm B·Gray, Ping Koy Lam, and David E·McClelland.“Technical limitations to homodyne detection at audio frequencies”[J].App.Opt.46, 3389-2295 (2007) .

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