一種基于信號(hào)自相關(guān)匹配的光纖光柵反射譜解調(diào)算法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于相關(guān)算法的光纖光柵反射譜解調(diào)算法，包括：a)從光譜儀獲得高精度、高光譜分辨率的光纖光柵反射譜作為離散自相關(guān)函數(shù)中的基序列f1(n)；b)再將解調(diào)儀采到的光纖光柵反射譜進(jìn)行預(yù)尋峰，解調(diào)儀采到的光纖光柵反射譜進(jìn)行補(bǔ)零得到與基序列相同長度的序列f2(n)；c)基序列f1(n)和解調(diào)儀采到的補(bǔ)零后得到的序列f2(n)，可以視為同一序列在不同時(shí)間的結(jié)果，因此通過對(duì)兩個(gè)序列進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算：d)將自相關(guān)函數(shù)與f2(n)序列對(duì)齊后，自相關(guān)函數(shù)R(n)最大值的位置就是峰值的位置；e)結(jié)果輸出。
【專利說明】
-種基于信號(hào)自相關(guān)匹配的光纖光柵反射譜解調(diào)算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光纖傳感領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于信號(hào)自相關(guān)匹配的光纖光柵反射譜 解調(diào)算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖布拉格光柵(門ber Bragg Grating,FBG)傳感器已經(jīng)迅速成為優(yōu)良傳感器元 件，能夠測量溫度，應(yīng)變和壓力等多種物理量。它具有靈敏度高、不受電磁干擾、防水性能 好、體積小、重量輕、可靠性高、可埋入復(fù)合材料等優(yōu)點(diǎn)。FBG通過外界參量對(duì)反射中屯、波長 進(jìn)行調(diào)制來獲得傳感信息。因此，F(xiàn)BG傳感系統(tǒng)解調(diào)的關(guān)鍵是測量其反射峰中屯、波長的變 化。目前，F(xiàn)BG中屯、波長解調(diào)方法可W分為兩類：（1)基于光柵衍射分光光譜測量或者可調(diào)諧 激光器掃描的方法，如采用CCD檢測，可調(diào)諧濾波器等；（2)采用固定濾波器，如邊緣濾波法 等。使用可調(diào)諧激光器存在檢測速度慢，系統(tǒng)成本高等問題;邊緣濾波法存在多點(diǎn)復(fù)用不 便、范圍與精度存在矛盾等問題。利用平面光柵或體光柵的CCD檢測方法因?yàn)槠涔庾V檢測速 度快，系統(tǒng)成本低，多點(diǎn)復(fù)用簡單等優(yōu)點(diǎn)從而得到廣泛應(yīng)用。
[0003] 但運(yùn)種方法得到的尋峰解調(diào)結(jié)果與FBG反射譜分辨率有直接關(guān)系。而常用的采用 256像素的CCD測量波長范圍為1524.5~157〇11111，此時(shí)的系統(tǒng)光學(xué)分辨率約為0.17811111。而經(jīng) 過標(biāo)定的FBG應(yīng)變傳感系統(tǒng)的波長漂移量約為1.14ρπι/με。此時(shí)，CCD的光學(xué)分辨率遠(yuǎn)低于系 統(tǒng)所需的波長分辨率。因此為了得到運(yùn)種微小變化，通常需要對(duì)CCD輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處 理，最常見的是擬合算法，如高斯擬合算法等。但運(yùn)種算法存在非常明顯的缺點(diǎn)：（1)過分依 賴得到的數(shù)據(jù)，抗噪能力差；（2)因封裝等原因造成的FBG反射譜同標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)差別較大，導(dǎo)致 擬合誤差較大。
[0004] 因此，需要一種提高波長測量誤差穩(wěn)定性和低信噪比下解調(diào)精度的解調(diào)算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于相關(guān)算法的光纖光柵反射譜解調(diào)算法，包括:a) 從光譜儀獲得高精度、高光譜分辨率的光纖光柵反射譜作為離散自相關(guān)函數(shù)中的基序列fi (η) ;b)再將解調(diào)儀采到的光纖光柵反射譜進(jìn)行預(yù)尋峰，解調(diào)儀采到的光纖光柵反射譜進(jìn)行 補(bǔ)零得到與基序列相同長度的序列f2(n);c)基序列fi(n)和解調(diào)儀采到的補(bǔ)零后得到的序 列f2(n)，可W視為同一序列在不同時(shí)間的結(jié)果，因此通過對(duì)兩個(gè)序列進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算：
[0006]
d)將自相關(guān)函數(shù)與f2(n)序列對(duì)齊后，自 相關(guān)函數(shù)R(n)最大值的位置就是峰值的位置;e)結(jié)果輸出。
[0007] 優(yōu)選地，其中所述序列f2(n)通過下述步驟獲得:a)選取序列fi(n)中的極值點(diǎn)。 (i)并在其左右兩邊各取3個(gè)點(diǎn)對(duì)序列fi(n)進(jìn)行截取，截取得到序列f2(n/ ;b)對(duì)f2(n/補(bǔ) 零，進(jìn)行補(bǔ)零得到與基序列相同長度的序列f2(n)。
[0008] 應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng) 用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【附圖說明】
[0009] 參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下 描述得W闡明，其中：
[0010] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的基于信號(hào)自相關(guān)匹配的光纖光柵反射譜解調(diào)算法的結(jié)構(gòu)框 圖。
[0011] 圖2為多級(jí)衍射光柵及線陣紅外CCD的光纖光柵的傳感解調(diào)系統(tǒng)示意圖。
[0012] 圖3(a)為數(shù)值仿真FBG反射譜波長時(shí)采用相關(guān)匹配的方法得出的FBG峰值波長的 對(duì)比圖。
[0013] 圖3(b)為數(shù)值仿真FBG反射譜波長時(shí)采用高斯擬合的方法得出的FBG峰值波長的 對(duì)比圖。
[0014] 圖3(c)為由相關(guān)匹配采樣點(diǎn)得出的FBG峰值波長λΒ與波長真實(shí)值λτ的絕對(duì)誤差示 意圖。
[0015] 圖3(d)為由高斯擬合采樣點(diǎn)得出的FBG峰值波長與波長真實(shí)值λτ的絕對(duì)誤差示 意圖。
[0016] 圖4為高斯擬合與相關(guān)匹配方法得出的FBG峰值波長誤差對(duì)比圖。
[0017]圖5為采用高精度光譜儀現(xiàn)慢常溫22°C下的FBG的實(shí)際反射譜圖。
[0018] 圖6 (a)為溫度從32.2 °C~23.5 °C時(shí)，高精度光譜儀測量和相關(guān)匹配的方法得出的 中屯、波長變化的對(duì)比圖。
[0019] 圖6 (b)為溫度從32.2 °C~23.5 °C時(shí)，高精度光譜儀測量和高斯擬合的方法得出的 中屯、波長變化的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 自相關(guān)是信號(hào)分析里的概念，它表示的是同一個(gè)時(shí)間序列在任意兩個(gè)不同時(shí)刻的 取值之間的相關(guān)程度，它是信號(hào)與延遲后信號(hào)之間相似性的度量，延遲時(shí)間為零時(shí)，此時(shí)為 它的最大值。
[0021] 連續(xù)自相關(guān)函數(shù)為：
[0022]
(1)
[0023] 式(1)中f(t)為時(shí)間函數(shù)，f(tr為時(shí)間函數(shù)的共輛。τ為時(shí)間延遲。
[0024] 離散自相關(guān)函數(shù)為：
[0025]
[0026] 式(2)中f (η)為離散序列，Ν為離散序列f (η)長度。
[0027] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的基于信號(hào)自相關(guān)匹配的光纖光柵反射譜解調(diào)算法的結(jié)構(gòu) 框圖。本發(fā)明中使用的是離散自相關(guān)函數(shù)，如圖1所示，首先步驟101從光譜儀獲得高精度、 高光譜分辨率的光纖光柵反射譜作為離散自相關(guān)函數(shù)中的基序列fi(n)，再進(jìn)入步驟102將 解調(diào)儀采到的光纖光柵反射譜進(jìn)行步驟103預(yù)尋峰。選取序列fi(n)中的極值點(diǎn)fi(i)并在其 左右兩邊各取3個(gè)點(diǎn)對(duì)序列fi(n)進(jìn)行截取，截取得到序列f2(nr。由于f2(nr中數(shù)據(jù)較少， 直接進(jìn)行相關(guān)算法分辨率較低，誤差較大。因此須對(duì)f2(n/補(bǔ)零，進(jìn)行補(bǔ)零得到與基序列相 同長度的序列f2(n)。因在實(shí)際使用中光纖光柵反射譜形狀不易發(fā)生變化，所W認(rèn)為在應(yīng)變 加載或者溫度改變時(shí)，光纖光柵的反射譜形狀不會(huì)改變，因此，基序列fi(n)和解調(diào)儀采到 的補(bǔ)零后得到的序列f2(n)，可W視為同一序列在不同時(shí)間的結(jié)果，然后進(jìn)入步驟104通過 對(duì)兩個(gè)序列進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算：
[002引
[0029] 將自相關(guān)函數(shù)與f2(n)序列對(duì)齊后，自相關(guān)函數(shù)R(n)最大值的位置就是峰值的位 置。
[0030] 圖2為多級(jí)衍射光柵及線陣紅外CCD的光纖光柵的傳感解調(diào)系統(tǒng)示意圖。如圖2所 示，寬譜光源為ASE(放大自發(fā)福射光源）。寬帶光源的光通過有一定帶通的50:50禪合器入 射到傳感光纖中。傳感光纖中串有多個(gè)不同反射中屯、波長的FBG傳感器，不同反射中屯、波長 的FBG傳感器因布拉格條件的作用，滿足其條件的波長被反射，不滿足的波長的光透射。此 時(shí)，外界的參量就被調(diào)制到反射波長中，經(jīng)由禪合器進(jìn)入解調(diào)儀中進(jìn)行解調(diào)。本文采用的解 調(diào)儀是基于多級(jí)衍射光柵及線陣紅外CCD原理，光路采用透射光柵色散原理，把反射光譜進(jìn) 行色散處理后投射到線陣光電探測器感光面上，從而在線陣光電探測器不同像元上對(duì)反射 光譜進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光譜信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，供后續(xù)解調(diào)使用。
[0031] 本發(fā)明基于圖2所示的多級(jí)衍射光柵及線陣紅外CCD的光纖光柵的傳感解調(diào)系統(tǒng)。 假設(shè)解調(diào)波長范圍為1524.5~157011111，〇：0為256個(gè)像素點(diǎn)。為使仿真更接近。86的實(shí)際工程 應(yīng)用，結(jié)合本課題組長期W來的外場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，本文使用一個(gè)由兩個(gè)相近的高斯峰迭加形 成的偏峰作為仿真光譜，此光譜的中屯、波長為:1543.933nm。
[0032] 數(shù)值仿真FBG反射譜在波長方向上的平移，并W256個(gè)點(diǎn)在固定波長上對(duì)平移后的 FBG反射譜進(jìn)行采樣，W模擬加載過程。圖3(a)為數(shù)值仿真FBG反射譜波長時(shí)采用相關(guān)匹配 的方法得出的FBG峰值波長的對(duì)比圖。圖3(b)為數(shù)值仿真FBG反射譜波長時(shí)采用高斯擬合的 方法得出的FBG峰值波長的對(duì)比圖。圖3(a)、3(b)為數(shù)值仿真FBG反射譜波長平移0.001~ 0.312nm，即對(duì)應(yīng)加載1~3(Κ)με時(shí)分別采用高斯擬合與相關(guān)匹配的方法得出的FBG峰值波長 的對(duì)比圖。圖3(c)為由相關(guān)匹配采樣點(diǎn)得出的FBG峰值波長λΒ與波長真實(shí)值λτ的絕對(duì)誤差示 意圖。圖3(d)為由高斯擬合采樣點(diǎn)得出的FBG峰值波長與波長真實(shí)值λτ的絕對(duì)誤差示意 圖。由相關(guān)匹配采樣點(diǎn)得出的FBG峰值波長λΒ與波長真實(shí)值λτ的絕對(duì)誤差ε3β = λΒ-λτ在- 0.010~0.005nm范圍內(nèi)，如圖3(C)。與之對(duì)應(yīng)的由高斯擬合采樣點(diǎn)得出的FBG峰值波長λο與 波長真實(shí)值λτ的絕對(duì)誤差ε63 = λΒ-λτ在-0.043~0.112nm范圍內(nèi)，如圖3(d)。
[0033] 數(shù)值仿真FBG反射譜保持不動(dòng)的情況下，W同樣的采樣方式，對(duì)其連續(xù)采樣1000 次。圖4為高斯擬合與相關(guān)匹配方法得出的FBG峰值波長誤差對(duì)比圖。對(duì)其求平均值后可W 看到相關(guān)匹配的平均絕對(duì)誤差Eas小于采用傳統(tǒng)高斯算法得到的平均絕對(duì)誤差Ebs。仿真結(jié) 果表明，相比于高斯擬合采樣點(diǎn)重構(gòu)FBG反射譜得出FBG峰值波長偏移量的傳統(tǒng)方法，采用 相關(guān)匹配采樣點(diǎn)的新方法得出的FBG峰值波長偏移量的誤差穩(wěn)定度大幅增大并且絕對(duì)誤差 大幅減小。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的基于相關(guān)算法的光纖光柵反射譜解調(diào)算法通過W下實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn) 證分析：
[0035] 采用高精度光譜儀（型號(hào)AQ6370D)測量常溫22°C下的FBG的實(shí)際反射譜，F(xiàn)BG峰值 波長為1556.849nm，并將其基于功率歸一化后保存，如圖5所示。圖5為采用高精度光譜儀測 量常溫22°C下的FBG的實(shí)際反射譜圖。
[0036] 水浴實(shí)驗(yàn)測量FBG峰值波長隨應(yīng)變變化產(chǎn)生的漂移，使其溫度從32.2°C~23.5°C， 使用高精度溫度計(jì)測量并記錄形變過程，使用在1524.5~157〇11111波長范圍內(nèi)有25691義61的 線陣CCD光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)測量因應(yīng)變變化產(chǎn)生波長漂移的FBG反射譜，CCD對(duì)FBG反射譜的 測量點(diǎn)波長間隔約為0.178nm。圖6(a)為溫度從32.2°C~23.5°C時(shí)，高精度光譜儀測量和相 關(guān)匹配的方法得出的中屯、波長變化的對(duì)比圖。由相關(guān)匹配的方法的得出的峰值偏移量與高 精度光譜儀的峰值偏移量在-0.0331~0.055nm范圍內(nèi)，誤差的標(biāo)準(zhǔn)差約為0.0266。圖6(b) 為溫度從32.2 °C~23.5 °C時(shí)，高精度光譜儀測量和高斯擬合的方法得出的中屯、波長變化的 對(duì)比圖。由高斯擬合的方法得出的峰值偏移量與高精度光譜儀的峰值偏移量在-0.088~ 0.2844nm范圍內(nèi)，誤差的標(biāo)準(zhǔn)差約為0.1001。
[0037] 實(shí)施例的實(shí)測結(jié)果表明，相較高斯擬合FBG反射譜得出峰值偏移量的傳統(tǒng)方法，采 用相關(guān)匹配的新方法得出的FBG峰值偏移量誤差更穩(wěn)定并且準(zhǔn)確度大幅度提高。
[0038] 本發(fā)明提出了一種基于相干匹配的FBG峰值解調(diào)的新方法，是用于高精度測量異 型FBG反射峰波長偏移量。與傳統(tǒng)的高斯擬合FBG峰值解調(diào)方法相比，具有W下優(yōu)點(diǎn)：1)通過 高精度光譜儀采集原始光譜數(shù)據(jù)，能夠適應(yīng)FBG反射譜的實(shí)際形狀，減小了反射峰形狀對(duì)解 調(diào)算法的影響，有效提高了 FBG峰值解調(diào)的準(zhǔn)確性。2)顯著增強(qiáng)了解調(diào)算法對(duì)峰值與實(shí)際采 樣點(diǎn)相對(duì)位置的不敏感度，提高了誤差的穩(wěn)定程度。試驗(yàn)結(jié)果證明在使用相關(guān)匹配算法對(duì) 比傳統(tǒng)高斯算法，誤差減小了一半，誤差穩(wěn)定性大幅提高。
[0039] 結(jié)合運(yùn)里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員 都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均 由權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于相關(guān)算法的光纖光柵反射譜解調(diào)算法，包括： a) 從光譜儀獲得高精度、高光譜分辨率的光纖光柵反射譜作為離散自相關(guān)函數(shù)中的基 序列fi(n); b) 再將解調(diào)儀采到的光纖光柵反射譜進(jìn)行預(yù)尋峰，解調(diào)儀采到的光纖光柵反射譜進(jìn)行 補(bǔ)零得到與基序列相同長度的序列f2(n); c) 基序列fKn)和解調(diào)儀采到的補(bǔ)零后得到的序列f2(n)，可以視為同一序列在不同時(shí) 間的結(jié)果，因此通過對(duì)兩個(gè)序列進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算：d) 將自相關(guān)函數(shù)與f2(n)序列對(duì)齊后，自相關(guān)函數(shù)R(n)最大值的位置就是峰值的位置； e) 結(jié)果輸出。2. 如權(quán)利要求1所示的光纖光柵反射譜解調(diào)算法，其中所述序列f2(n)通過下述步驟獲 得： a) 選取序列fKn)中的極值點(diǎn)f\(i)并在其左右兩邊各取3個(gè)點(diǎn)對(duì)序列fKn)進(jìn)行截取， 截取得到序列; b) 對(duì)補(bǔ)零，進(jìn)行補(bǔ)零得到與基序列相同長度的序列f2(n)。
【文檔編號(hào)】G01D5/353GK105823497SQ201610349040
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】祝連慶, 陳愷, 何巍, 孟闊, 劉鋒, 閆光, 駱飛
【申請人】北京信息科技大學(xué)