CN113790743B - 用于光纤光栅传感***的波长解调算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光纤光栅传感***的波长解调算法，包括以下步骤：S1、采集经过光纤光栅调制后的反射光谱，对反射光谱进行预处理，得到反射光谱函数f0(λ)；S2、以步长d1在光源带宽范围内构建虚拟反射光谱函数序列S1(n)，将序列S1(n)中每个光谱函数与反射光谱函数f0(λ)进行互相关运算，得到一个相关系数值序列C1(n)，找出C1(n)序列中最大值对应的序列S1(n)中的光谱函数f1(λ)，记录f1(λ)对应的虚拟反射光谱波长值λ1。本发明解调***结构简单，将对硬件设备的要求转化为构建虚拟函数进行互相关运算，***成本低。

Description

用于光纤光栅传感***的波长解调算法
技术领域
本发明涉及光学传感技术领域。更具体地说，本发明涉及一种用于光纤光栅传感***的波长解调算法。
背景技术
光纤光栅传感器作为一种波长调制型光纤传感器，除了具有抗电磁干扰、耐高温耐腐蚀、复用能力强、灵敏度高、轻便灵活等优点外，还具有其独特的优势：波长调制的传感信号，不会受到传感***信号强度变化等产生的影响。基于上述优势，光纤光栅传感器被广泛应用于航空航天、土木工程、石油石化等领域的温度、应变、位移等多种物理量的监测中。
如上所述，作为波长调制型传感器，实现波长的精确解调是光纤光栅传感***的关键技术，目前比较常规的方式有两种：(1)采用窄线宽的可调谐激光器或者宽带光源加可调谐滤波器扫描得到光纤光栅反射谱的中心波长。(2)采用CCD的光谱探测器得到光纤光栅反射谱，然后寻峰求出光纤光栅的中心波长。以上两种方法对硬件精度的要求都比较高，同时波长的精度控制易受外界温度的影响。
专利CN108426594B公开了一种相关算法的光纤光栅反射谱解调***，该***将光谱仪采集的高精度反射谱作为基序列，然后将解调仪采集的光纤光栅反射谱经过预寻峰后与基序列进行相关运算，求解光纤光栅中心波长。该方法较以上两种方法有所改进，测量精度更高，但所使用的高精度光谱仪、解调仪等成本很高，***也较为复杂。
基于以上现有方法的测量问题，需要提出一种解调精度高、速度快、成本低的波长解调算法，用于光纤光栅传感***的实时波长解调。
发明内容
本发明的目的是针对现有光纤光栅波长解调***存在的技术问题，本发明提出一种解调精度高、解调速度快、解调***成本低的波长解调算法，通过构建光纤光栅虚拟反射光谱函数与光电探测器得到的实际反射光谱曲线进行互相关计算，通过相关系数的定位波长值，同时采用变步长算法降低运算，在较大波长范围内实现光纤光栅波长的快速高精度解调。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于光纤光栅传感***的波长解调算法，包括以下步骤：
S1、采集经过光纤光栅调制后的反射光谱，对反射光谱进行预处理，得到反射光谱函数f0(λ)；
S2、以步长d1在光源带宽范围内构建虚拟反射光谱函数序列S1(n)，将序列S1(n)中每个光谱函数与反射光谱函数f0(λ)进行互相关运算，得到一个相关系数值序列C1(n)，找出C1(n)序列中最大值对应的序列S1(n)中的光谱函数f1(λ)，记录f1(λ)对应的虚拟反射光谱波长值λ1；
S3、减小步长到d2，在(λ1-2d1，λ1+2d1)范围内构建虚拟反射光谱函数序列S2(n)，将序列S2(n)中每个光谱函数与反射光谱函数f0(λ)进行互相关运算，得到一个相关系数值序列C2(n)，找出C2(n)序列中最大值对应的序列S2(n)中的光谱函数f2(λ)，记录f2(λ)对应的虚拟反射光谱波长值λ2；
S4、依次类推，按照上述步骤再减小步长，进行互相关运算，直到求得的波长值满足精度要求，此时停止运算，最后一步求得的虚拟反射光谱波长值即为解调波长值。
优选的是，所述S1中反射光谱的预处理具体为：通过三次样条插值拟合算法和小波阈值去噪方法对所得到的反射光谱数据进行预处理。
优选的是，所述S1中反射光谱的采集和调制具体包括：光源发出的光经耦合器传输到光纤光栅阵列中，调制后的反射光再经耦合器返回，最后经过光电探测和采集后，对得到光纤光栅反射光谱进入信号处理单元进行解调处理。
优选的是，所述光源在进入耦合器之间先经过隔离器。
优选的是，所述S2、S3、S4中，任意一个虚拟反射光谱函数与反射光谱函数f0(λ)的互相关运算公式为：
Figure BDA0003189674470000021
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明提出的光纤光栅波长解调算法所涉及的解调***结构简单，将对硬件设备的要求转化为构建虚拟函数进行互相关运算，***成本低。
2、本发明提出的光纤光栅波长解调算法通过变步长算法可大大降低计算量，同时不降低解调精度，实现快速高精度解调。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明波长解调***原理图；
图2是本发明解调算法流程图；
图3是实施例1的S1中反射光谱进行预处理后波形图；
图4是实施例1的S2中100pm步长的互相关运算结果；
图5是实施例1的S3中1pm步长互相关运算结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
以下结合附图及实施对本发明作进一步的详细说明，其具体实施过程如下：
如图2示，本发明提供一种用于光纤光栅传感***的波长解调算法，包括以下步骤：
S1、采集经过光纤光栅调制后的反射光谱，对反射光谱进行预处理，得到反射光谱函数f0(λ)；
S2、以较大步长d1在光源带宽范围内构建虚拟反射光谱函数序列S1(n)，将序列S1(n)中每个光谱函数与反射光谱函数f0(λ)进行互相关运算，得到一个相关系数值序列C1(n)，找出C1(n)序列中最大值对应的序列S1(n)中的光谱函数f1(λ)，记录f1(λ)对应的虚拟反射光谱波长值λ1；
S3、减小步长到d2，在(λ1-2d1，λ1+2d1)范围内构建虚拟反射光谱函数序列S2(n)，将序列S2(n)中每个光谱函数与反射光谱函数f0(λ)进行互相关运算，得到一个相关系数值序列C2(n)，找出C2(n)序列中最大值对应的序列S2(n)中的光谱函数f2(λ)，记录f2(λ)对应的虚拟反射光谱波长值λ2；
S4、依次类推，按照上述步骤再减小步长，进行互相关运算，直到求得的波长值满足精度要求，此时停止运算，最后一步求得的虚拟反射光谱波长值即为解调波长值。所述的S1、S2、S3、S4中，各个光谱函数的自变量序列相同，可进行互相关运算。
本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述S1中反射光谱的预处理具体为：通过三次样条插值拟合算法和小波阈值去噪方法对所得到的反射光谱数据进行预处理。
在上述方式中，先对光谱数据采用三次样条插值增加采样点，提高波长分辨率，然后采用五层小波去噪算法进行阈值去噪处理。
本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述S1中反射光谱的采集和调制具体包括：如图1所示，光源发出的光经耦合器传输到光纤光栅阵列中，调制后的反射光再经耦合器返回，最后经过光电探测和采集后，对得到光纤光栅反射光谱进入信号处理单元进行解调处理。
本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述光源在进入耦合器之间先经过隔离器，保证光单向传输，防止反射回来的光损坏光源。
本技术方案还可以包括以下技术细节，以更好地实现技术效果：所述的S2、S3、S4中，任意一个虚拟反射光谱函数与反射光谱函数f0(λ)的互相关运算公式为：
Figure BDA0003189674470000041
实施例1
如解调一个波长为1546.916nm的光栅波长：
S1、采集经过光纤光栅调制后的反射光谱，对反射光谱进行预处理后波形图如下，并得到反射光谱函数序列值f0(λ)；
S2、以较大步长100pm在40nm光源带宽范围内构建虚拟反射光谱函数序列S1(n)，将序列S1(n)中每个光谱函数与反射光谱函数f0(λ)进行互相关运算，得到一个相关系数值序列C1(n)，找出C1(n)序列中最大值对应的序列S1(n)中的光谱函数f1(λ)，记录f1(λ)对应的虚拟反射光谱波长值λ1＝1546.900nm。
S3、减小步长到1pm，在(1546.900－0.2nm，1546.900+0.2nm)范围内构建虚拟反射光谱函数序列S2(n)，将序列S2(n)中每个光谱函数与反射光谱函数f0(λ)进行互相关运算，得到一个相关系数值序列C2(n)，找出C2(n)序列中最大值对应的序列S2(n)中的光谱函数f2(λ)，记录f2(λ)对应的虚拟反射光谱波长值λ2＝1546.916nm，即为所求光栅波长值；
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (5)

1.一种用于光纤光栅传感***的波长解调算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集经过光纤光栅调制后的反射光谱，对反射光谱进行预处理，得到反射光谱函数f0(λ)；
S2、以步长d1在光源带宽范围内构建虚拟反射光谱函数序列S1(n)，将序列S1(n)中每个光谱函数与反射光谱函数f0(λ)进行互相关运算，得到一个相关系数值序列C1(n)，找出C1(n)序列中最大值对应的序列S1(n)中的光谱函数f1(λ)，记录f1(λ)对应的虚拟反射光谱波长值λ1；
S3、减小步长到d2，在(λ1-2d1，λ1+2d1)范围内构建虚拟反射光谱函数序列S2(n)，将序列S2(n)中每个光谱函数与反射光谱函数f0(λ)进行互相关运算，得到一个相关系数值序列C2(n)，找出C2(n)序列中最大值对应的序列S2(n)中的光谱函数f2(λ)，记录f2(λ)对应的虚拟反射光谱波长值λ2；
S4、依次类推，按照上述步骤再减小步长，进行互相关运算，直到求得的波长值满足精度要求，此时停止运算，最后一步求得的虚拟反射光谱波长值即为解调波长值。
2.如权利要求1所述的用于光纤光栅传感***的波长解调算法，其特征在于，所述S1中反射光谱的预处理具体为：通过三次样条插值拟合算法和小波阈值去噪方法对所得到的反射光谱数据进行预处理。
3.如权利要求1或2所述的用于光纤光栅传感***的波长解调算法，其特征在于，所述S1中反射光谱的采集和调制具体包括：光源发出的光经耦合器传输到光纤光栅阵列中，调制后的反射光再经耦合器返回，最后经过光电探测和采集后，对得到光纤光栅反射光谱进入信号处理单元进行解调处理。
4.如权利要求3所述的用于光纤光栅传感***的波长解调算法，其特征在于，所述光源在进入耦合器之间先经过隔离器。
5.如权利要求1所述的用于光纤光栅传感***的波长解调算法，其特征在于，所述的S2、S3、S4中，任意一个虚拟反射光谱函数与反射光谱函数f0(λ)的互相关运算公式为：
Figure FDA0003189674460000011
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