CN102435214B - 光纤光栅谱峰高精度快速寻峰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅谱峰高精度快速寻峰方法，方法采用了相对阈值和绝对阈值两个参数，寻峰时采用的有效阈值等于反射谱数据的最大值减去相对阈值；当通过相对阈值设定的有效阈值小于绝对阈值时，使有效阈值＝绝对阈值；判断波峰是光纤光栅反射峰还是噪声形成的峰时，利用有效阈值分别减、加H得到两个参数，通过比较反射峰两侧两个参数之间数据的关系，判断是否存在上升沿和下降沿，如果上升沿和下降沿都存在，则说明此处为一个波峰，再认定该峰为光纤光栅的反射峰还是噪声形成的波峰，最终进一步得到峰值所在位置。该方法解决了现有方法中寻峰精度低、运算量大的问题。

Description

光纤光栅谱峰高精度快速寻峰方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感领域，尤其涉及一种光纤光栅谱峰高精度快速寻峰方法。

背景技术

随着光纤传感技术的发展，光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、测量范围广、便于复用成网等优点，在土木工程、航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶工业等领域获得了广泛应用。当外界作用在光纤光栅传感器上的温度或应变发生变化时，光纤光栅的反射谱或透射谱中心波长会发生变化，因此，寻找光纤光栅谱峰峰值的精确位置是光纤光栅传感中的一项关键技术，快速、准确地寻峰方法是保证光纤光栅传感系统实时性和精度的必要条件。目前，常用的寻峰算法有蒙特卡罗算法、直接比较法、二次插值数值微分法、一般多项式拟合法、多项式-高斯公式拟合法等，利用上述方法寻峰，精度低、运算量大，在对传感精度要求比较高时，不能满足要求，另外，某些应用场合需要用微处理器替代PC机实现寻峰，采用上述方法时会严重影响整个传感系统的实时性。因此，研究光纤光栅谱峰高精度快速寻峰方法是测量工作的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于光纤光栅传感系统中的光纤光栅谱峰高精度快速寻峰方法，实现光纤光栅谱峰峰值位置的精确定位，解决现有寻峰方法中寻峰精度低、运算量大的问题。

本发明通过以下方法与步骤来实现：1)首先根据光纤光栅反射谱多个峰值中的最大值及信噪比，确定寻峰时采用的阈值；2)根据设定的反射谱的宽度和形状特点，判断波峰是光纤光栅反射峰还是噪声形成的峰，并记录光纤光栅反射峰的起始点和结束点的横坐标值；3)找到光纤光栅反射峰两侧比最大值低3dB的左右两个点，然后将两个点对应的横坐标数值求和后除2，得到峰值所在位置；所述确定寻峰时采用的阈值，采用了相对阈值relThreshold和绝对阈值absThreshold两个参数，寻峰时采用的有效阈值threshold等于反射谱数据的最大值减relThreshold；当通过relThreshold设定的有效阈值小于absThreshold时，使有效阈值threshold=absThreshold；所述判断波峰是光纤光栅反射峰还是噪声形成的峰时，利用有效阈值threshold分别减、加迟滞阈值H得到两个参数thresholdLow和thresholdHigh；通过比较反射峰左侧thresholdLow和thresholdHigh之间数据的关系，判断是否存在上升沿，如果反射峰左侧存在上升沿，再采用相同方法判断反射峰右侧thresholdHigh和thresholdLow之间是否存在下降沿；如果上升沿和下降沿都存在，则说明此处为一个波峰，进一步判断当end-start大于波峰宽度width时，则认定该峰为光纤光栅的反射峰，否则，则判定该峰为噪声形成的波峰。

在寻找光纤光栅反射峰两侧比最大值低3dB的左右两个点时，定义左侧的点的坐标为(left3dBPos，left3dB)，右侧的点的坐标为(right3dBPos，right3dB)，点(left3dBPos，left3dB)两侧的采样点的坐标为(x₁-1，f(x₁-1))和(x₁，f(x₁))，点(right3dBPos，right3dB)两侧的采样点的坐标为(x₂，f(x₂))和(x₂+1，f(x₂+1))，峰值点的横坐标为peakPos，将光纤光栅反射峰视为对称峰，利用三角形的相似性得到了如下关系式：

$\frac{f\left(x_1\right)-\mathrm{left}3\mathrm{dB}}{f\left(x_1\right)-f(x_1-1)}=\frac{x_1-\mathrm{left}3\mathrm{dBPos}}{x_1-(x_1-1)}$

可得： $\mathrm{left}3\mathrm{dBPos}=x_1-\frac{f\left(x_1\right)-\mathrm{left}3\mathrm{dB}}{f\left(x_1\right)-f(x_1-1)}$

同理可得： $\mathrm{right}3\mathrm{dBPos}=x_2+\frac{f\left(x_2\right)-\mathrm{right}3\mathrm{dB}}{f\left(x_2\right)-f(x_2+1)}$

由此推出峰值点的准确位置表达式：

$\mathrm{peakPos}=\frac{\mathrm{left}3\mathrm{dBPos}+\mathrm{right}3\mathrm{dBPos}}{2}.$

当寻找透射谱中的负峰时，第一步中，确定寻峰时采用的阈值时，采用的有效阈值threshold等于透射谱数据的最小值加上relThreshold，当通过relThreshold设定的有效阈值大于absThreshold时，使有效阈值threshold=absThreshold；第二步中，判断是否为光纤光栅形成的波峰时，应判断波峰左侧thresholdHigh和thresholdLow之间是否存在下降沿，波峰右侧thresholdLow和thresholdHigh之间是否存在上升沿；第三步中，应找到光纤光栅透射峰两侧比最小值高3dB的左右两个点，然后将两个点对应的横坐标数值求和后除2，得到峰值所在位置。

附图说明

图1本发明相对阈值设定图例

图2本发明绝对阈值设定图例

图3本发明峰值区域确定图例

图4本发明峰值位置确定图例

具体实施方式

利用光纤光栅的反射谱和透射谱都可实现温度和应变的传感，反射谱的谱峰为正峰，透射谱的谱峰为负峰，以下结合附图和实施例，以寻找反射谱中的正峰位置为例，对本发明进一步详细说明，本方法主要分三步：

1)首先根据光纤光栅反射谱多个峰值中的最大值及信噪比，确定寻峰时采用的阈值。从反射谱数据的第一数据开始逐个与阈值进行比较，当反射谱数据小于该阈值时，认为当前数据为噪声，当反射谱数据大于该阈值时，初步判断当前数据为光栅反射峰，然后进入下一步进一步判断是旁瓣还是真峰。寻峰时采用的阈值，采用了相对阈值relThreshold和绝对阈值absThreshold两个参数，寻峰时采用的有效阈值threshold等于反射谱数据的最大值减去relThreshold；当通过relThreshold设定的有效阈值小于absThreshold时，使有效阈值threshold=absThreshold。图1中反射谱的最大功率值为-20dBm，当relThreshold设置为7dB时，寻峰时采用的有效阈值threshold为-20dBm-7dB=-27dBm。

absThreshold用于设定寻峰算法采用的最小有效阈值，如图2中所示，由于系统光功率衰减过大等原因，使光纤光栅反射峰的最大值只有-32dBm，如果按照relThreshold=7dB时得到有效阈值threshold=-39dBm进行寻峰，寻到的全部是噪声信号，根据图2中噪声情况，可设置absThreshold=-35dBm，此时，可知absThreshold>-32dBm-relThreshold，则设置有效阈值threshold=absThreshold=-35dBm。

2)根据设定的反射谱的宽度和形状特点，判断波峰是光纤光栅反射峰还是噪声形成的峰，并记录光纤光栅反射峰的起始点和结束点的横坐标值。判断波峰是光纤光栅反射峰还是噪声形成的峰时，利用有效阈值threshold分别减、加迟滞阈值H得到两个参数thresholdLow和thresholdHigh。通过比较反射峰左侧thresholdLow和thresholdHigh之间数据的关系，判断是否存在上升沿，如果反射峰存在上升沿，再采用相同方法判断反射峰右侧thresholdHigh和thresholdLow之间是否存在下降沿。如果上升沿和下降沿都存在，则说明此处为一个波峰，进一步判断当end-start大于波峰宽度width时，则认定该峰为光纤光栅的反射峰，否则，则判定该峰为噪声形成的波峰。图3给出了实例，本实施例中H取3dB，所以，当threshold=-26dBm时，thresholdLow=-29dBm，thresholdHigh=-23dBm。

3)找到光纤光栅反射峰两侧比最大值低3dB的左右两个点，然后将两个点对应的横坐标数值求和后除2，得到峰值所在位置。寻找比光纤光栅反射峰最大值低3dB的左右两个点时，将光纤光栅反射峰视为对称峰，由图4可见，定义左侧的点的坐标为(left3dBPos，left3dB)，右侧的点的坐标为(right3dBPos，right3dB)，点(left3dBPos，left3dB)两侧的采样点的坐标为(x₁-1，f(x₁-1))和(x₁，f(x₁))，点(right3dBPos，right3dB)两侧的采样点的坐标为(x₂，f(x₂))和(x₂+1，f(x₂+1))，峰值点的横坐标为peakPos，利用三角形的相似性得到了如下关系式：

$\frac{f\left(x_1\right)-\mathrm{left}3\mathrm{dB}}{f\left(x_1\right)-f(x_1-1)}=\frac{x_1-\mathrm{left}3\mathrm{dBPos}}{x_1-(x_1-1)}---\left(1\right)$

由式(1)可得：

$\mathrm{left}3\mathrm{dBPos}=x_1-\frac{f\left(x_1\right)-\mathrm{left}3\mathrm{dB}}{f\left(x_1\right)-f(x_1-1)}---\left(2\right)$

同理可得：

$\mathrm{right}3\mathrm{dBPos}=x_2+\frac{f\left(x_2\right)-\mathrm{right}3\mathrm{dB}}{f\left(x_2\right)-f(x_2+1)}---\left(3\right)$

找到leff3dB和right3dB点后，可得出峰值点的准确位置：

$\mathrm{peakPos}=\frac{\mathrm{left}3\mathrm{dBPos}+\mathrm{right}3\mathrm{dBPos}}{2}---\left(4\right)$

当利用光纤光栅的透射谱时，应将本实施例中寻找正峰的准确位置改为寻找负峰的准确位置。寻找负峰时，第一步中，应根据多个峰值中的最小值及信噪比确定阈值，有效阈值threshold等于反射谱数据的最小值加上relThreshold，当通过relThreshold设定的有效阈值大于absThreshold时，使有效阈值threshold=absThreshold；第二步中，判断是否为光纤光栅形成的波峰时，应判断波峰左侧thresholdHigh和thresholdLow之间是否存在下降沿，波峰右侧thresholdLow和thresholdHigh之间是否存在上升沿；第三步中，应找到光纤光栅透射峰两侧比最小值高3dB的左右两个点，然后将两个点对应的横坐标数值求和后除2，得到负峰值所在位置。

上述寻峰方法是以反射型光纤光栅为例说明的，相同方法做适当变化也适合于透射型光纤光栅。对于透射型光纤光栅，反射谱表现为负峰，应按上述寻找反射型光纤光栅透射谱负峰的步骤确定峰值的位置；透射谱表现为正峰，应按上述寻找反射型光纤光栅反射谱正峰的步骤确定峰值的位置。

综上所述，本发明实施例通过确定阈值、确定谱峰所在区域和精确查找谱峰位置三步，可精确定位光纤光栅传感系统中光栅谱峰的位置，从而可进一步实现高精度的温度、应变及其他物理量的传感。

Claims (3)

1.一种光纤光栅谱峰高精度快速寻峰方法，其特征在于，寻找反射谱中的正峰时，所述方法包括以下步骤：1)根据光纤光栅反射谱多个峰值中的最大值及信噪比，确定寻峰时采用的阈值；2)根据设定的反射谱的宽度和形状特点，判断波峰是光纤光栅反射峰还是噪声形成的峰，并记录光纤光栅反射峰的起始点和结束点的横坐标值；3)找到光纤光栅反射峰两侧比最大值低3dB的左右两个点，然后将两个点对应的横坐标数值求和后除2，得到峰值所在位置；所述确定寻峰时采用的阈值，采用了相对阈值relThreshold和绝对阈值absThreshold两个参数，寻峰时采用的有效阈值threshold等于反射谱数据的最大值减relThreshold；当通过relThreshold设定的有效阈值小于absThreshold时，使有效阈值threshold=absThreshold；所述判断波峰是光纤光栅反射峰还是噪声形成的峰时，利用有效阈值threshold分别减、加迟滞阈值H得到两个参数thresholdLow和thresholdHigh；通过比较反射峰左侧thresholdLow和thresholdHigh之间数据的关系，判断是否存在上升沿，如果反射峰左侧存在上升沿，再采用相同方法判断反射峰右侧thresholdHigh和thresholdLow之间是否存在下降沿；如果上升沿和下降沿都存在，则说明此处为一个波峰，进一步判断当end-start大于波峰宽度width时，则认定该峰为光纤光栅的反射峰，否则，则判定该峰为噪声形成的波峰。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述寻找光纤光栅反射峰两侧比最大值低3dB的左右两个点时，定义左侧的点的坐标为(left3dBPos，left3dB)，右侧的点的坐标为(right3dBPos，right3dB)，点(left3dBPos，left3dB)两侧的采样点的坐标为(x₁-1，f(x₁-1))和(x₁，f(x₁))，点(right3dBPos，right3dB)两侧的采样点的坐标为(x₂，f(x₂))和(x₂+1，f(x₂+1))，峰值点的横坐标为peakPos将光纤光栅反射峰视为对称峰，利用三角形的相似性得到了如下关系式：

$\frac{f\left(x_1\right)-\mathrm{left}3\mathrm{dB}}{f\left(x_1\right)-f(x_1-1)}=\frac{x_1-\mathrm{left}3\mathrm{dBPos}}{x_1-(x_1-1)}$

可得： $\mathrm{left}3\mathrm{dBPos}=x_1-\frac{f\left(x_1\right)-\mathrm{left}3\mathrm{dB}}{f\left(x_1\right)-f(x_1-1)}$

同理可得： $\mathrm{right}3\mathrm{dBPos}=x_2+\frac{f\left(x_2\right)-\mathrm{right}3\mathrm{dB}}{f\left(x_2\right)-f(x_2+1)}$

由此推出峰值点的准确位置表达式：

$\mathrm{peakPos}=\frac{\mathrm{left}3\mathrm{dBPos}+\mathrm{right}3\mathrm{dBPos}}{2}.$

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当寻找透射谱中的负峰时，第一步中，确定寻峰时采用的阈值时，采用的有效阈值threshold等于透射谱数据的最小值加上relThreshold，当通过relThreshold设定的有效阈值大于absThreshold时，使有效阈值threshold=absThreshold；第二步中，判断是否为光纤光栅形成的波峰时，应判断波峰左侧thresholdHigh和thresholdLow之间是否存在下降沿，波峰右侧thresholdLow和thresholdHigh之间是否存在上升沿；第三步中，应找到光纤光栅透射峰两侧比最小值高3dB的左右两个点，然后将两个点对应的横坐标数值求和后除2，得到峰值所在位置。

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