基于希爾伯特變換和雙譜估計的高精度光纖光柵解調(diào)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于希爾伯特變換和雙譜估計的高精度光纖光柵解調(diào)方法，包括：截取兩路光纖光柵反射譜數(shù)據(jù)；對反射譜數(shù)據(jù)分別進行希爾伯特變換，并分別將變換后的反射譜數(shù)據(jù)取絕對值后與原數(shù)據(jù)相疊加得X(n)、Y(n)；利用X(n)、Y(n)分別計算三階累積量和互三階累積量；通過三階累積量計算雙譜，通過互三階累積量計算互雙譜，并利用雙譜和互雙譜構造以波長差為變量的波長差函數(shù)；檢測構造的波長差函數(shù)的最大值位置，得到所述兩路反射譜的波長差。本發(fā)明的解調(diào)方法，能有效提高波長解調(diào)精度，消除反射譜中高斯噪聲和相關性噪聲影響，能用于非平穩(wěn)光纖光柵的信號解調(diào)，且不要求光纖傳感信號和噪聲相互獨立。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感【技術領域】，尤其涉及一種基于希爾伯特變換和雙譜估計的高 精度光纖光柵的解調(diào)方法。 基于希爾伯特變換和雙譜估計的高精度光纖光柵解調(diào)方法

【背景技術】
[0002] 光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的。光 纖的工作頻帶寬，動態(tài)范圍大，適合遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線。在一定條件下， 也是一種優(yōu)良的敏感元件。鑒于此，各種類型的光纖傳感器孕育而生，并且在各個領域得到 了廣泛的應用。其中將光纖光柵（FBG)傳感器用于應變的測量已經(jīng)非常普遍。
[0003] 現(xiàn)今光纖光柵傳感器已經(jīng)在智能材料與結(jié)構的應變測量中獲得廣泛的應用，并 且在這些領域FBG傳感系統(tǒng)的檢測精度達到了 1μ ε，通常能滿足一般的測量要求。但 是一些特殊領域如地球物理等領域，?μ ε的檢測精度已經(jīng)不能滿足我們的需求。在地 球物理領域進行地殼形變觀測時，被觀測的應變量是準靜態(tài)的，屬于準靜態(tài)應變量測量的 范圍，這時，F(xiàn)BG傳感器的應變測量精度主要的影響因素是環(huán)境溫度和環(huán)境噪聲的影響， 為了減小這些問題的影響，提高準靜態(tài)應變量的測量精度，人們提出了利用參考光纖光 柵的方法消除環(huán)境溫度和噪聲的影響，即在靜態(tài)應變傳感測量系統(tǒng)中設置一個不受應變 作用的光纖光柵對環(huán)境溫度和噪聲進行補償，同時通過解調(diào)方法計算參考和應變光纖光 柵傳感器的中心波長差來得到應變信息。目前，已經(jīng)有很多方法用來檢測這兩個FBG傳 感器的波長變化，包括質(zhì)心檢測法（CDA) (C. G Askins，Μ. A. Putnam, and Ε. J. Friebele， "Instrumentation for interrogating many-element fiber Bragg grating arrays，'，Smart Structures&Materials'，pp. 257-266,1995·)，最小二乘曲線擬合法（LSQ) (A. Ezbiri， S.Kanellopoulos, and V.Handerek, "High resolutioninstrumentation system for fibre-Bragg grating aerospace sensors，'，Opticscommunications, vol. 150, pp. 43-48, 1998.)和互相關法（C. Huang, W. Jing，K. Liu, Y. Zhang, and G. -D. Peng, "Demodulation of fiber Bragg grating sensorusing cross-correlation algorithm，'，Photonics Technology Letters，IEEE，vol. 19, pp. 707-709,2007.)等。在眾多方法中，互相關法可以直接計 算出參考和應變光纖光柵傳感器的中心波長差，表現(xiàn)出了較為明顯的優(yōu)勢。2010年，日 本東京大學Qinwen Liu等人利用了互相關法實現(xiàn)了準靜態(tài)應變解調(diào)并且取得了很好的 實驗結(jié)果，其解調(diào)精度遠高于其他方法（Q. Liu, Z. He, T. Tokunaga，and K. Hotate，"An ultra-high-resolution FBG static-strain sensor for geophysics applications，'， Proc. SPIE，vol.7653, 76530W，2010.)。
[0004] 但是對于互相關解調(diào)方法來說，其要求信號是平穩(wěn)信號，并且要求兩個信號的高 斯噪聲不相關，且噪聲與信號也不相關，但實際情況下的信號不是嚴格平穩(wěn)的，兩個信號的 高斯噪聲是有相關性的，并且由于相關噪聲存在，會使互相關函數(shù)的峰值位置產(chǎn)生偏移，進 而得不到準確結(jié)果。由于互相關解調(diào)的這些缺點，會限制解調(diào)精度的進一步提高。
[0005] 雙譜是處理非平穩(wěn)、非線性、非高斯信號的有效手段，可很好的抑制信號的高斯噪 聲，由于信號的雙譜的計算過程中需要計算信號的三階累積量，而高斯噪聲的三階累積量 為零，因此雙譜估計可以很好地抑制高斯信號。因此可以利用雙譜分析消除光纖光柵反射 譜中的高斯噪聲，同時可以直接計算出參考和應變光纖光柵反射譜的中心波長差，以達到 進一步提1?解調(diào)精度的目的。
[0006] 但是，光纖光柵反射譜一般服從高斯分布，直接運用雙譜估計不能得到解調(diào)結(jié)果， 因此需要改變反射譜的分布特性，使其不具有高斯特性。而希爾伯特變換是處理窄帶信號 的有效手段，并且希爾伯特變換可以將反射譜峰值位置變成過零點，經(jīng)過適當處理后不會 改變兩個反射譜的波長差。鑒于此，在進行雙譜估計前應用希爾伯特變換對反射譜進行預 處理。到目前為止，還沒有基于希爾伯特變換和雙譜估計的方法應用在計算兩路光纖光柵 傳感器反射譜的中心波長差異實現(xiàn)高精度解調(diào)的報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種基于希爾伯特變換和雙譜估計的高精度 光纖光柵解調(diào)方法，以提高光纖光柵測量應變的解調(diào)精度，并重點解決傳統(tǒng)互相關解調(diào)方 法不能有效抑制高斯噪聲和相關性噪聲，不能用于高精度解調(diào)非平穩(wěn)光纖光柵傳感信號等 問題。
[0008] 本發(fā)明的基于希爾伯特變換和雙譜估計的高精度光纖光柵的解調(diào)方法，包括下列 步驟：
[0009] 步驟1 :截取兩路光纖光柵反射譜在反射峰及反射峰附近的數(shù)據(jù)，再將反射譜數(shù) 據(jù)分別進行希爾伯特變換，并分別將變換后的反射譜數(shù)據(jù)取絕對值后與原反射譜數(shù)據(jù)相疊 力口，得到疊加后的結(jié)果X(n)、Y(n);
[0010] 步驟2 :利用疊加后的結(jié)果Χ(η)、Υ(η)分別計算三階累積量和互三階累積量，通過 三階累積量計算雙譜，通過互三階累積量計算互雙譜，并利用雙譜和互雙譜構造以波長差 為變量的波長差函數(shù)；
[0011] 步驟3 :檢測構造的波長差函數(shù)的最大值位置，得到所述兩路反射譜的波長差。
[0012] 其中，步驟1中在截取兩路光纖光柵反射譜的反射峰及反射峰附近的數(shù)據(jù)時還包 括將得到的兩路光纖光柵反射譜的反射峰帶寬外的數(shù)據(jù)置零，以減小冗余數(shù)據(jù)對解調(diào)精度 的負面影響。
[0013] 其中，步驟2中所述的利用疊加后的結(jié)果分別計算三階累積量CXXX(T，Ρ)和互三 階累積量C YXX( τ，P )的計算公式分別為：
[0014] Cxxx ( τ , ρ ) = E [X (η) X (n+ τ ) X (n+ p )]
[0015] CYXX ( τ , p ) = E [Y (η) X (n+ τ ) X (n+ p )]
[0016] 其中，E[ ·]為集合平均算子，τ表示兩路光纖光柵波長差變量，p表示與τ無 關的另一個波長差變量。
[0017] 其中，步驟2中所述的通過三階累積量Cxxx( τ，ρ )計算雙譜ω2)、通過 互三階累積量CYXX(x，Ρ)計算互雙譜ω2)的計算公式分別為：
[0018] Βχχχ (ω 丄，ω 2) = E [FTX (ω J FTX (ω 2) FTX* (ω 丄+ ω 2)]
[0019] Β?χχ(fflj,ω2) = /·；[/*'77((y, )ΠΧ{(0:)ΠΤ(ω, +ω2)] = (ωι,)e
[0020] 其中^了乂（〇31)、？了乂（〇32)為乂(1!)的傅里葉變換^了￥(〇31)為￥(1 1)的傅里葉變換， ?丁父*(〇31+(〇2)為？了乂（〇31+(〇2)的共軛，（〇 1為變量1所對應的角頻率，（〇2為變量0所對 應的角頻率，j為虛數(shù)單位。
[0021] 其中，步驟2中所述的利用雙譜Bmbi，ω2)和互雙譜Βγ^ω^ ω2)構造以波長 差為變量的波長差函數(shù)h( λ)的計算公式為：

【權利要求】
1. 一種基于希爾伯特變換和雙譜估計的高精度光纖光柵的解調(diào)方法，包括下列步驟： 步驟1 :截取兩路光纖光柵反射譜在反射峰及反射峰附近的數(shù)據(jù)，再將反射譜數(shù)據(jù)分 別進行希爾伯特變換，并分別將變換后的反射譜數(shù)據(jù)取絕對值后與原反射譜數(shù)據(jù)相疊加， 得到疊加后的結(jié)果Χ(η)、γ(η); 步驟2 :利用疊加后的結(jié)果Χ(η)、Υ(η)分別計算三階累積量和互三階累積量，通過三階 累積量計算雙譜，通過互三階累積量計算互雙譜，并利用雙譜和互雙譜構造以波長差為變 量的波長差函數(shù)； 步驟3 :檢測構造的波長差函數(shù)的最大值位置，得到所述兩路反射譜的波長差。
2. 根據(jù)權利要求1所述的高精度光纖光柵的解調(diào)方法，其中步驟1中在截取兩路光纖 光柵反射譜的反射峰及反射峰附近的數(shù)據(jù)時還包括將得到的兩路光纖光柵反射譜的反射 峰帶寬外的數(shù)據(jù)置零，以減小冗余數(shù)據(jù)對解調(diào)精度的負面影響。
3. 根據(jù)權利要求1所述的高精度光纖光柵的解調(diào)方法，其中步驟2中所述的利用疊加 后的結(jié)果分別計算三階累積量Cxxx( τ，Ρ )和互三階累積量CYXX( τ，Ρ )的計算公式分別 為： Cxxx ( τ , ρ ) = E [X (η) X (n+ τ ) X (n+ ρ )] CYXX ( τ , ρ ) = Ε [Υ (η) X (η+ τ ) X (η+ Ρ )] 其中，Ε[ ·]為集合平均算子，τ表示兩路光纖光柵波長差變量，ρ表示與τ無關的 另一個波長差變量。
4. 根據(jù)權利要求1所述的高精度光纖光柵的解調(diào)方法，其中步驟2中所述的通過三 階累積量Cxxx(t，Ρ)計算雙譜ω 2)、通過互三階累積量Cyxx(t，Ρ)計算互雙譜 Βγχχ( ωι，ω2)的計算公式分別為： ω2) =E[FTX(c〇1)FTX(c〇2)FTX*(c〇1+c〇 2)] Β]λ, ) = Ι·：[Ι·--(〇), )ΠΧ{(?2)/·'7Χβ(^, + (?ζ)] = ΒλλΧ 其中，ΡΤΧ(ωι)、ΡΤΧ(ω2)為Χ(η)的傅里葉變換，F(xiàn)TYbJ為Υ( η)的傅里葉變換， ?丁父*(〇31+(〇2)為？了乂（〇31+(〇2)的共軛，（〇 1為變量1所對應的角頻率，（〇2為變量0所對 應的角頻率，j為虛數(shù)單位。
5. 根據(jù)權利要求1所述的高精度光纖光柵的解調(diào)方法，其中步驟2中所述的利用雙譜 Β? (ω 1，ω 2)和互雙譜ω2)構造以波長差為變量的波長差函數(shù)h( λ)的計算公式 為：
6. 根據(jù)權利要求1所述的高精度光纖光柵的解調(diào)方法，其中步驟3中進一步根據(jù)得到 的所述兩路反射譜的波長差求得光纖光柵受到的外界應變量的大小。
7. 根據(jù)權利要求1所述的高精度光纖光柵的解調(diào)方法，其中所述步驟1中的所述兩路 光纖光柵反射譜是通過窄線寬可調(diào)諧激光器掃描獲得的，并且通過偏振控制器消除每個光 纖光柵的一個偏振態(tài)的影響。
8. 根據(jù)權利要求7所述的高精度光纖光柵的解調(diào)方法，其中所述可調(diào)諧激光器具有小 于1kHz的窄線寬和大于4pm的大可調(diào)諧范圍，所述光纖光柵也具有小于2MHz窄帶寬。
9. 根據(jù)權利要求1所述的基于希爾伯特變換和雙譜估計的高精度光纖光柵的解調(diào)方 法，其中步驟1中所述光纖光柵反射譜通過光纖光柵、光纖光柵法-珀式干涉儀或相移光纖 光柵獲得，所述參考光纖光柵和應變光纖光柵具有相同的技術參數(shù)，并且兩個光纖光柵的 反射譜具有相同的帶寬。
10. 根據(jù)權利要求1所述的高精度光纖光柵的解調(diào)方法，其中步驟3中通過尋峰法得到 估計的波長差函數(shù)h (λ )的最大值的峰值位置，再利用插值法進行精確估計。
【文檔編號】G06F19/00GK104061875SQ201410325433
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權日:2014年7月9日
【發(fā)明者】張文濤, 甄騰坤, 黃穩(wěn)柱, 李芳
申請人:中國科學院半導體研究所