一种基于信号自相关匹配的光纤光栅反射谱解调算法
【专利摘要】本发明提供了一种基于相关算法的光纤光栅反射谱解调算法，包括：a)从光谱仪获得高精度、高光谱分辨率的光纤光栅反射谱作为离散自相关函数中的基序列f1(n)；b)再将解调仪采到的光纤光栅反射谱进行预寻峰，解调仪采到的光纤光栅反射谱进行补零得到与基序列相同长度的序列f2(n)；c)基序列f1(n)和解调仪采到的补零后得到的序列f2(n)，可以视为同一序列在不同时间的结果，因此通过对两个序列进行自相关计算：d)将自相关函数与f2(n)序列对齐后，自相关函数R(n)最大值的位置就是峰值的位置；e)结果输出。
【专利说明】
-种基于信号自相关匹配的光纤光栅反射谱解调算法
技术领域
[0001] 本发明设及光纤传感领域，具体设及一种基于信号自相关匹配的光纤光栅反射谱 解调算法。
【背景技术】
[0002] 光纤布拉格光栅(門ber Bragg Grating,FBG)传感器已经迅速成为优良传感器元 件，能够测量溫度，应变和压力等多种物理量。它具有灵敏度高、不受电磁干扰、防水性能 好、体积小、重量轻、可靠性高、可埋入复合材料等优点。FBG通过外界参量对反射中屯、波长 进行调制来获得传感信息。因此，FBG传感系统解调的关键是测量其反射峰中屯、波长的变 化。目前，FBG中屯、波长解调方法可W分为两类：（1)基于光栅衍射分光光谱测量或者可调谐 激光器扫描的方法，如采用CCD检测，可调谐滤波器等；（2)采用固定滤波器，如边缘滤波法 等。使用可调谐激光器存在检测速度慢，系统成本高等问题;边缘滤波法存在多点复用不 便、范围与精度存在矛盾等问题。利用平面光栅或体光栅的CCD检测方法因为其光谱检测速 度快，系统成本低，多点复用简单等优点从而得到广泛应用。
[0003] 但运种方法得到的寻峰解调结果与FBG反射谱分辨率有直接关系。而常用的采用 256像素的CCD测量波长范围为1524.5~157〇11111，此时的系统光学分辨率约为0.17811111。而经 过标定的FBG应变传感系统的波长漂移量约为1.14ρπι/με。此时，CCD的光学分辨率远低于系 统所需的波长分辨率。因此为了得到运种微小变化，通常需要对CCD输出的数据进行算法处 理，最常见的是拟合算法，如高斯拟合算法等。但运种算法存在非常明显的缺点：（1)过分依 赖得到的数据，抗噪能力差；（2)因封装等原因造成的FBG反射谱同标准函数差别较大，导致 拟合误差较大。
[0004] 因此，需要一种提高波长测量误差稳定性和低信噪比下解调精度的解调算法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于相关算法的光纤光栅反射谱解调算法，包括:a) 从光谱仪获得高精度、高光谱分辨率的光纤光栅反射谱作为离散自相关函数中的基序列fi (η) ;b)再将解调仪采到的光纤光栅反射谱进行预寻峰，解调仪采到的光纤光栅反射谱进行 补零得到与基序列相同长度的序列f2(n);c)基序列fi(n)和解调仪采到的补零后得到的序 列f2(n)，可W视为同一序列在不同时间的结果，因此通过对两个序列进行自相关计算：
[0006]
d)将自相关函数与f2(n)序列对齐后，自 相关函数R(n)最大值的位置就是峰值的位置;e)结果输出。
[0007] 优选地，其中所述序列f2(n)通过下述步骤获得:a)选取序列fi(n)中的极值点。 (i)并在其左右两边各取3个点对序列fi(n)进行截取，截取得到序列f2(n/ ;b)对f2(n/补 零，进行补零得到与基序列相同长度的序列f2(n)。
[0008] 应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当 用作对本发明所要求保护内容的限制。
【附图说明】
[0009] 参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下 描述得W阐明，其中：
[0010] 图1为根据本发明的基于信号自相关匹配的光纤光栅反射谱解调算法的结构框 图。
[0011] 图2为多级衍射光栅及线阵红外CCD的光纤光栅的传感解调系统示意图。
[0012] 图3(a)为数值仿真FBG反射谱波长时采用相关匹配的方法得出的FBG峰值波长的 对比图。
[0013] 图3(b)为数值仿真FBG反射谱波长时采用高斯拟合的方法得出的FBG峰值波长的 对比图。
[0014] 图3(c)为由相关匹配采样点得出的FBG峰值波长λΒ与波长真实值λτ的绝对误差示 意图。
[0015] 图3(d)为由高斯拟合采样点得出的FBG峰值波长与波长真实值λτ的绝对误差示 意图。
[0016] 图4为高斯拟合与相关匹配方法得出的FBG峰值波长误差对比图。
[0017]图5为采用高精度光谱仪现慢常溫22°C下的FBG的实际反射谱图。
[0018] 图6 (a)为溫度从32.2 °C~23.5 °C时，高精度光谱仪测量和相关匹配的方法得出的 中屯、波长变化的对比图。
[0019] 图6 (b)为溫度从32.2 °C~23.5 °C时，高精度光谱仪测量和高斯拟合的方法得出的 中屯、波长变化的对比图。
【具体实施方式】
[0020] 自相关是信号分析里的概念，它表示的是同一个时间序列在任意两个不同时刻的 取值之间的相关程度，它是信号与延迟后信号之间相似性的度量，延迟时间为零时，此时为 它的最大值。
[0021] 连续自相关函数为：
[0022]
(1)
[0023] 式(1)中f(t)为时间函数，f(tr为时间函数的共辆。τ为时间延迟。
[0024] 离散自相关函数为：
[0025]
[0026] 式(2)中f (η)为离散序列，Ν为离散序列f (η)长度。
[0027] 图1示出了根据本发明的基于信号自相关匹配的光纤光栅反射谱解调算法的结构 框图。本发明中使用的是离散自相关函数，如图1所示，首先步骤101从光谱仪获得高精度、 高光谱分辨率的光纤光栅反射谱作为离散自相关函数中的基序列fi(n)，再进入步骤102将 解调仪采到的光纤光栅反射谱进行步骤103预寻峰。选取序列fi(n)中的极值点fi(i)并在其 左右两边各取3个点对序列fi(n)进行截取，截取得到序列f2(nr。由于f2(nr中数据较少， 直接进行相关算法分辨率较低，误差较大。因此须对f2(n/补零，进行补零得到与基序列相 同长度的序列f2(n)。因在实际使用中光纤光栅反射谱形状不易发生变化，所W认为在应变 加载或者溫度改变时，光纤光栅的反射谱形状不会改变，因此，基序列fi(n)和解调仪采到 的补零后得到的序列f2(n)，可W视为同一序列在不同时间的结果，然后进入步骤104通过 对两个序列进行自相关计算：
[002引
[0029] 将自相关函数与f2(n)序列对齐后，自相关函数R(n)最大值的位置就是峰值的位 置。
[0030] 图2为多级衍射光栅及线阵红外CCD的光纤光栅的传感解调系统示意图。如图2所 示，宽谱光源为ASE(放大自发福射光源）。宽带光源的光通过有一定带通的50:50禪合器入 射到传感光纤中。传感光纤中串有多个不同反射中屯、波长的FBG传感器，不同反射中屯、波长 的FBG传感器因布拉格条件的作用，满足其条件的波长被反射，不满足的波长的光透射。此 时，外界的参量就被调制到反射波长中，经由禪合器进入解调仪中进行解调。本文采用的解 调仪是基于多级衍射光栅及线阵红外CCD原理，光路采用透射光栅色散原理，把反射光谱进 行色散处理后投射到线阵光电探测器感光面上，从而在线阵光电探测器不同像元上对反射 光谱进行光电转换，将光谱信息转换为电信号，供后续解调使用。
[0031] 本发明基于图2所示的多级衍射光栅及线阵红外CCD的光纤光栅的传感解调系统。 假设解调波长范围为1524.5~157011111，〇：0为256个像素点。为使仿真更接近。86的实际工程 应用，结合本课题组长期W来的外场试验经验，本文使用一个由两个相近的高斯峰迭加形 成的偏峰作为仿真光谱，此光谱的中屯、波长为:1543.933nm。
[0032] 数值仿真FBG反射谱在波长方向上的平移，并W256个点在固定波长上对平移后的 FBG反射谱进行采样，W模拟加载过程。图3(a)为数值仿真FBG反射谱波长时采用相关匹配 的方法得出的FBG峰值波长的对比图。图3(b)为数值仿真FBG反射谱波长时采用高斯拟合的 方法得出的FBG峰值波长的对比图。图3(a)、3(b)为数值仿真FBG反射谱波长平移0.001~ 0.312nm，即对应加载1~3(Κ)με时分别采用高斯拟合与相关匹配的方法得出的FBG峰值波长 的对比图。图3(c)为由相关匹配采样点得出的FBG峰值波长λΒ与波长真实值λτ的绝对误差示 意图。图3(d)为由高斯拟合采样点得出的FBG峰值波长与波长真实值λτ的绝对误差示意 图。由相关匹配采样点得出的FBG峰值波长λΒ与波长真实值λτ的绝对误差ε3β = λΒ-λτ在- 0.010~0.005nm范围内，如图3(C)。与之对应的由高斯拟合采样点得出的FBG峰值波长λο与 波长真实值λτ的绝对误差ε63 = λΒ-λτ在-0.043~0.112nm范围内，如图3(d)。
[0033] 数值仿真FBG反射谱保持不动的情况下，W同样的采样方式，对其连续采样1000 次。图4为高斯拟合与相关匹配方法得出的FBG峰值波长误差对比图。对其求平均值后可W 看到相关匹配的平均绝对误差Eas小于采用传统高斯算法得到的平均绝对误差Ebs。仿真结 果表明，相比于高斯拟合采样点重构FBG反射谱得出FBG峰值波长偏移量的传统方法，采用 相关匹配采样点的新方法得出的FBG峰值波长偏移量的误差稳定度大幅增大并且绝对误差 大幅减小。
[0034] 根据本发明的基于相关算法的光纤光栅反射谱解调算法通过W下实验来进行验 证分析：
[0035] 采用高精度光谱仪（型号AQ6370D)测量常溫22°C下的FBG的实际反射谱，FBG峰值 波长为1556.849nm，并将其基于功率归一化后保存，如图5所示。图5为采用高精度光谱仪测 量常溫22°C下的FBG的实际反射谱图。
[0036] 水浴实验测量FBG峰值波长随应变变化产生的漂移，使其溫度从32.2°C~23.5°C， 使用高精度溫度计测量并记录形变过程，使用在1524.5~157〇11111波长范围内有25691义61的 线阵CCD光纤光栅解调系统测量因应变变化产生波长漂移的FBG反射谱，CCD对FBG反射谱的 测量点波长间隔约为0.178nm。图6(a)为溫度从32.2°C~23.5°C时，高精度光谱仪测量和相 关匹配的方法得出的中屯、波长变化的对比图。由相关匹配的方法的得出的峰值偏移量与高 精度光谱仪的峰值偏移量在-0.0331~0.055nm范围内，误差的标准差约为0.0266。图6(b) 为溫度从32.2 °C~23.5 °C时，高精度光谱仪测量和高斯拟合的方法得出的中屯、波长变化的 对比图。由高斯拟合的方法得出的峰值偏移量与高精度光谱仪的峰值偏移量在-0.088~ 0.2844nm范围内，误差的标准差约为0.1001。
[0037] 实施例的实测结果表明，相较高斯拟合FBG反射谱得出峰值偏移量的传统方法，采 用相关匹配的新方法得出的FBG峰值偏移量误差更稳定并且准确度大幅度提高。
[0038] 本发明提出了一种基于相干匹配的FBG峰值解调的新方法，是用于高精度测量异 型FBG反射峰波长偏移量。与传统的高斯拟合FBG峰值解调方法相比，具有W下优点：1)通过 高精度光谱仪采集原始光谱数据，能够适应FBG反射谱的实际形状，减小了反射峰形状对解 调算法的影响，有效提高了 FBG峰值解调的准确性。2)显著增强了解调算法对峰值与实际采 样点相对位置的不敏感度，提高了误差的稳定程度。试验结果证明在使用相关匹配算法对 比传统高斯算法，误差减小了一半，误差稳定性大幅提高。
[0039] 结合运里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员 都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均 由权利要求所限定。
【主权项】
1. 一种基于相关算法的光纤光栅反射谱解调算法，包括： a) 从光谱仪获得高精度、高光谱分辨率的光纤光栅反射谱作为离散自相关函数中的基 序列fi(n); b) 再将解调仪采到的光纤光栅反射谱进行预寻峰，解调仪采到的光纤光栅反射谱进行 补零得到与基序列相同长度的序列f2(n); c) 基序列fKn)和解调仪采到的补零后得到的序列f2(n)，可以视为同一序列在不同时 间的结果，因此通过对两个序列进行自相关计算：d) 将自相关函数与f2(n)序列对齐后，自相关函数R(n)最大值的位置就是峰值的位置； e) 结果输出。2. 如权利要求1所示的光纤光栅反射谱解调算法，其中所述序列f2(n)通过下述步骤获 得： a) 选取序列fKn)中的极值点f\(i)并在其左右两边各取3个点对序列fKn)进行截取， 截取得到序列; b) 对补零，进行补零得到与基序列相同长度的序列f2(n)。
【文档编号】G01D5/353GK105823497SQ201610349040
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】祝连庆, 陈恺, 何巍, 孟阔, 刘锋, 闫光, 骆飞
【申请人】北京信息科技大学