一種基于信號自相關匹配的光纖光柵反射譜解調算法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于相關算法的光纖光柵反射譜解調算法，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函數(shù)中的基序列f1(n)；b)再將解調儀采到的光纖光柵反射譜進行預尋峰，解調儀采到的光纖光柵反射譜進行補零得到與基序列相同長度的序列f2(n)；c)基序列f1(n)和解調儀采到的補零后得到的序列f2(n)，可以視為同一序列在不同時間的結果，因此通過對兩個序列進行自相關計算：d)將自相關函數(shù)與f2(n)序列對齊后，自相關函數(shù)R(n)最大值的位置就是峰值的位置；e)結果輸出。
【專利說明】
-種基于信號自相關匹配的光纖光柵反射譜解調算法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及光纖傳感領域，具體設及一種基于信號自相關匹配的光纖光柵反射譜 解調算法。
【背景技術】
[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、可埋入復合材料等優(yōu)點。FBG通過外界參量對反射中屯、波長 進行調制來獲得傳感信息。因此，F(xiàn)BG傳感系統(tǒng)解調的關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諧 激光器掃描的方法，如采用CCD檢測，可調諧濾波器等；（2)采用固定濾波器，如邊緣濾波法 等。使用可調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復用不 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檢測方法因為其光譜檢測速 度快，系統(tǒng)成本低，多點復用簡單等優(yōu)點從而得到廣泛應用。
[0003] 但運種方法得到的尋峰解調結果與FBG反射譜分辨率有直接關系。而常用的采用 256像素的CCD測量波長范圍為1524.5~157〇11111，此時的系統(tǒng)光學分辨率約為0.17811111。而經(jīng) 過標定的FBG應變傳感系統(tǒng)的波長漂移量約為1.14ρπι/με。此時，CCD的光學分辨率遠低于系 統(tǒng)所需的波長分辨率。因此為了得到運種微小變化，通常需要對CCD輸出的數(shù)據(jù)進行算法處 理，最常見的是擬合算法，如高斯擬合算法等。但運種算法存在非常明顯的缺點：（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反射譜同標準函數(shù)差別較大，導致 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精度的解調算法。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于相關算法的光纖光柵反射譜解調算法，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函數(shù)中的基序列fi (η) ;b)再將解調儀采到的光纖光柵反射譜進行預尋峰，解調儀采到的光纖光柵反射譜進行 補零得到與基序列相同長度的序列f2(n);c)基序列fi(n)和解調儀采到的補零后得到的序 列f2(n)，可W視為同一序列在不同時間的結果，因此通過對兩個序列進行自相關計算：
[0006]
d)將自相關函數(shù)與f2(n)序列對齊后，自 相關函數(shù)R(n)最大值的位置就是峰值的位置;e)結果輸出。
[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。 (i)并在其左右兩邊各取3個點對序列fi(n)進行截取，截取得到序列f2(n/ ;b)對f2(n/補 零，進行補零得到與基序列相同長度的序列f2(n)。
[0008] 應當理解，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，并不應當 用作對本發(fā)明所要求保護內容的限制。
【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)點將通過本發(fā)明實施方式的如下 描述得W闡明，其中：
[0010] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的基于信號自相關匹配的光纖光柵反射譜解調算法的結構框 圖。
[0011] 圖2為多級衍射光柵及線陣紅外CCD的光纖光柵的傳感解調系統(tǒng)示意圖。
[0012] 圖3(a)為數(shù)值仿真FBG反射譜波長時采用相關匹配的方法得出的FBG峰值波長的 對比圖。
[0013] 圖3(b)為數(shù)值仿真FBG反射譜波長時采用高斯擬合的方法得出的FBG峰值波長的 對比圖。
[0014] 圖3(c)為由相關匹配采樣點得出的FBG峰值波長λΒ與波長真實值λτ的絕對誤差示 意圖。
[0015] 圖3(d)為由高斯擬合采樣點得出的FBG峰值波長與波長真實值λτ的絕對誤差示 意圖。
[0016] 圖4為高斯擬合與相關匹配方法得出的FBG峰值波長誤差對比圖。
[0017]圖5為采用高精度光譜儀現(xiàn)慢常溫22°C下的FBG的實際反射譜圖。
[0018] 圖6 (a)為溫度從32.2 °C~23.5 °C時，高精度光譜儀測量和相關匹配的方法得出的 中屯、波長變化的對比圖。
[0019] 圖6 (b)為溫度從32.2 °C~23.5 °C時，高精度光譜儀測量和高斯擬合的方法得出的 中屯、波長變化的對比圖。
【具體實施方式】
[0020] 自相關是信號分析里的概念，它表示的是同一個時間序列在任意兩個不同時刻的 取值之間的相關程度，它是信號與延遲后信號之間相似性的度量，延遲時間為零時，此時為 它的最大值。
[0021] 連續(xù)自相關函數(shù)為：
[0022]
(1)
[0023] 式(1)中f(t)為時間函數(shù)，f(tr為時間函數(shù)的共輛。τ為時間延遲。
[0024] 離散自相關函數(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)明的基于信號自相關匹配的光纖光柵反射譜解調算法的結構 框圖。本發(fā)明中使用的是離散自相關函數(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函數(shù)中的基序列fi(n)，再進入步驟102將 解調儀采到的光纖光柵反射譜進行步驟103預尋峰。選取序列fi(n)中的極值點fi(i)并在其 左右兩邊各取3個點對序列fi(n)進行截取，截取得到序列f2(nr。由于f2(nr中數(shù)據(jù)較少， 直接進行相關算法分辨率較低，誤差較大。因此須對f2(n/補零，進行補零得到與基序列相 同長度的序列f2(n)。因在實際使用中光纖光柵反射譜形狀不易發(fā)生變化，所W認為在應變 加載或者溫度改變時，光纖光柵的反射譜形狀不會改變，因此，基序列fi(n)和解調儀采到 的補零后得到的序列f2(n)，可W視為同一序列在不同時間的結果，然后進入步驟104通過 對兩個序列進行自相關計算：
[002引
[0029] 將自相關函數(shù)與f2(n)序列對齊后，自相關函數(shù)R(n)最大值的位置就是峰值的位 置。
[0030] 圖2為多級衍射光柵及線陣紅外CCD的光纖光柵的傳感解調系統(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，外界的參量就被調制到反射波長中，經(jīng)由禪合器進入解調儀中進行解調。本文采用的解 調儀是基于多級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 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反射 光譜進行光電轉換，將光譜信息轉換為電信號，供后續(xù)解調使用。
[0031] 本發(fā)明基于圖2所示的多級衍射光柵及線陣紅外CCD的光纖光柵的傳感解調系統(tǒng)。 假設解調波長范圍為1524.5~157011111，〇：0為256個像素點。為使仿真更接近。86的實際工程 應用，結合本課題組長期W來的外場試驗經(jīng)驗，本文使用一個由兩個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個點在固定波長上對平移后的 FBG反射譜進行采樣，W模擬加載過程。圖3(a)為數(shù)值仿真FBG反射譜波長時采用相關匹配 的方法得出的FBG峰值波長的對比圖。圖3(b)為數(shù)值仿真FBG反射譜波長時采用高斯擬合的 方法得出的FBG峰值波長的對比圖。圖3(a)、3(b)為數(shù)值仿真FBG反射譜波長平移0.001~ 0.312nm，即對應加載1~3(Κ)με時分別采用高斯擬合與相關匹配的方法得出的FBG峰值波長 的對比圖。圖3(c)為由相關匹配采樣點得出的FBG峰值波長λΒ與波長真實值λτ的絕對誤差示 意圖。圖3(d)為由高斯擬合采樣點得出的FBG峰值波長與波長真實值λτ的絕對誤差示意 圖。由相關匹配采樣點得出的FBG峰值波長λΒ與波長真實值λτ的絕對誤差ε3β = λΒ-λτ在- 0.010~0.005nm范圍內，如圖3(C)。與之對應的由高斯擬合采樣點得出的FBG峰值波長λο與 波長真實值λτ的絕對誤差ε63 = λΒ-λτ在-0.043~0.112nm范圍內，如圖3(d)。
[0033] 數(shù)值仿真FBG反射譜保持不動的情況下，W同樣的采樣方式，對其連續(xù)采樣1000 次。圖4為高斯擬合與相關匹配方法得出的FBG峰值波長誤差對比圖。對其求平均值后可W 看到相關匹配的平均絕對誤差Eas小于采用傳統(tǒng)高斯算法得到的平均絕對誤差Ebs。仿真結 果表明，相比于高斯擬合采樣點重構FBG反射譜得出FBG峰值波長偏移量的傳統(tǒng)方法，采用 相關匹配采樣點的新方法得出的FBG峰值波長偏移量的誤差穩(wěn)定度大幅增大并且絕對誤差 大幅減小。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的基于相關算法的光纖光柵反射譜解調算法通過W下實驗來進行驗 證分析：
[0035] 采用高精度光譜儀（型號AQ6370D)測量常溫22°C下的FBG的實際反射譜，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的實際反射譜圖。
[0036] 水浴實驗測量FBG峰值波長隨應變變化產生的漂移，使其溫度從32.2°C~23.5°C， 使用高精度溫度計測量并記錄形變過程，使用在1524.5~157〇11111波長范圍內有25691義61的 線陣CCD光纖光柵解調系統(tǒng)測量因應變變化產生波長漂移的FBG反射譜，CCD對FBG反射譜的 測量點波長間隔約為0.178nm。圖6(a)為溫度從32.2°C~23.5°C時，高精度光譜儀測量和相 關匹配的方法得出的中屯、波長變化的對比圖。由相關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，誤差的標準差約為0.0266。圖6(b) 為溫度從32.2 °C~23.5 °C時，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，誤差的標準差約為0.1001。
[0037] 實施例的實測結果表明，相較高斯擬合FBG反射譜得出峰值偏移量的傳統(tǒng)方法，采 用相關匹配的新方法得出的FBG峰值偏移量誤差更穩(wěn)定并且準確度大幅度提高。
[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峰值解調方法相比，具有W下優(yōu)點：1)通過 高精度光譜儀采集原始光譜數(shù)據(jù)，能夠適應FBG反射譜的實際形狀，減小了反射峰形狀對解 調算法的影響，有效提高了 FBG峰值解調的準確性。2)顯著增強了解調算法對峰值與實際采 樣點相對位置的不敏感度，提高了誤差的穩(wěn)定程度。試驗結果證明在使用相關匹配算法對 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] 結合運里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領域技術人員 都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均 由權利要求所限定。
【主權項】
1. 一種基于相關算法的光纖光柵反射譜解調算法，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函數(shù)中的基 序列fi(n); b) 再將解調儀采到的光纖光柵反射譜進行預尋峰，解調儀采到的光纖光柵反射譜進行 補零得到與基序列相同長度的序列f2(n); c) 基序列fKn)和解調儀采到的補零后得到的序列f2(n)，可以視為同一序列在不同時 間的結果，因此通過對兩個序列進行自相關計算：d) 將自相關函數(shù)與f2(n)序列對齊后，自相關函數(shù)R(n)最大值的位置就是峰值的位置； e) 結果輸出。2. 如權利要求1所示的光纖光柵反射譜解調算法，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f\(i)并在其左右兩邊各取3個點對序列fKn)進行截取， 截取得到序列; b) 對補零，進行補零得到與基序列相同長度的序列f2(n)。
【文檔編號】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