CN103954368A - 一种基于光电探测阵列的窄带光解调系统及其解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于光电探测阵列的窄带光解调系统及其解调方法，系统包括解调参数设置子模块、多通道采集子模块、寻峰判别子模块、二次判峰子模块、高斯拟合子模块、波长解调子模块；本发明可以高速测定光谱中波峰的形状、大小和位置，再转换成对应的光波波长，实现相应波段范围内的高精度光谱波长测量方法。本窄带光解调系统可实现窄带光波长高速解调，适应于波长交叉、动静态实时测量、高精度、高分辨率等方面。

Description

一种基于光电探测阵列的窄带光解调系统及其解调方法

技术领域

本发明光电探测领域，涉及一种基于光电探测阵列的窄带光解调系统及其解调方法，可以高速测定光谱中波峰的形状、大小和位置，再转换成对应的光波波长，实现相应波段范围内的高精度光谱波长测量方法。

背景技术

近年来，窄带光学传感系统(如光纤光栅传感器、光纤FP传感器)发展迅速，其相关检测和信号处理技术也随之发展，成为检测领域一项重要技术，由于光纤传感产品灵敏度高、抗干扰性强、体积小、质量轻等优势，使得光纤传感及解调技术在工程领域得到了广泛应用。光纤传感信号解调技术和方法有很多，主要包括波长解调、强度解调、频率解调、相位解调和偏振解调等，其中波长解调技术应用最广泛，具有解调速率高、稳定性好等优点。

基于光电探测阵列的窄带光解调原理如附图1所示。窄带光经由耦合器、衍射光栅，入射到光电探测阵列模块中，根据衍射光栅的分光作用，不同波长的窄带光衍射到光电探测阵列上的像元位置也会随之变化。通过解调出光斑在光电探测阵列上的不同位置，可以检测出窄带光中心波长的偏移Δλ_B的大小，从而解算出对应物理量的变化。在该系统中，线阵光敏元件作为光谱探测元件，几何精度高、像元尺寸小，可以实现较高的空间分辨率，当有多个窄带光入射时可以被同时探测，各窄带光对应光电探测阵列上的一个亮斑，由于成像系统是用图像传感器各光敏元分别获取各光谱功率的信息，从而将测量光谱功率的问题简化成为判断光斑所在像元位置的问题，由于光电探测阵列可以实现高速扫描，因此可实现动静态测量。

在基于光电探测阵列的光谱分析中，解调系统的精度主要取决于确定谱线的空间位置。光谱波长解调是通过光电探测阵列对连续光谱信号进行离散采样，因此当像元数较低时，采样时遗漏光谱信息较严重，采出的光谱信号不能真实的反映光谱所有信息，减少光谱遗漏信息提高解调的分辨率最直接的方法是进一步增加光电探测阵列的像元数，但实际上增加像元数提高分辨率的成本过高，而且由于技术上的限制，在现有硬件条件下，目前可探测远红外线阵探测阵列像元数最高为1024个，所以亚像元坐标解算则直接决定了测量系统的精度。因此，为了获得精度较高的波长解调则需要采用相应的曲线拟合方法。主要的像元拟合方法有：质心法、加权平均法、多项式拟合法等，上述拟合方法计算量较小，但精度较低，而且光电探测阵列所测量的光强度会有细微波动，甚至有跳点，这时若用上述方法会使解调出的波长分辨率较低。

其次，目前的寻峰算法都针对于波长相距较远，不存在波长交叉重叠的情况，当同时探测多个窄带光波长时，若窄带光波长发生漂移以致相距较近时，这种情况下很难对其进行有效的分辨和解调。

综上所述，常规的窄带光光谱寻峰和解调不能满足高精度、高分辨率、波长交叉等情况，有必要提出一种新型的窄带光寻峰拟合和解调计算方法，同时将算法在光纤光栅解调系统中实现，在高速解调仪的开发中取得重要的改进与创新，以满足测量要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于光电探测阵列的窄带光解调系统及其解调方法，实现窄带光波长高速解调，适应于波长交叉、动静态实时测量、高精度、高分辨率等方面。

本发明的技术方案是：一种基于光电探测阵列窄带光解调系统，包括解调参数设置子模块、多通道采集子模块、寻峰判别子模块、二次判峰子模块、高斯拟合子模块、波长解调子模块；

解调参数设置子模块设置光谱拟合点数、寻峰点数、寻峰阈值系数、邻域点光强度差值系数；

多通道采集子模块设置采样参数，根据采样参数实时采集外部输入的原始光谱数据，并将采集到的原始光谱数据送入寻峰判别子模块；所述的采样参数包括采集频率和采集通道；

寻峰判别子模块对原始光谱数据进行分峰截幅，先求解光谱中光强度最大值，后将原始光谱数据根据寻峰阈值系数与光强度最大值的乘积值分成N个单峰信号，N为正整数；

二次判峰子模块判别每个单峰信号中除主峰之外是否还有旁瓣峰，若存在旁瓣峰，则根据设定的邻域点光强度差值系数将该单峰信号主峰峰值与旁瓣峰峰值进行提取；若无旁瓣峰，则提取该单峰信号主峰峰值；

高斯拟合子模块对所有主峰峰值和旁瓣峰峰值按下式进行拟合计算，获得每个主峰以及每个旁瓣峰的中心位置x₀，并将x₀记为光谱亚像元位置；

波长解调子模块将光谱亚像元位置x₀代入像元-波长标定多项式中解调得到光谱亚像元位置x₀对应的中心波长；所述的像元-波长标定多项式由线阵探测阵列各像元所探测的光波长数据进行多项式拟合后得到。

高斯拟合子模块对所有主峰峰值和旁瓣峰峰值按下式进行拟合计算的具体公式为：式中x_i，y_i，y_max，σ分别为高斯曲线的峰值横坐标、高斯曲线的峰值纵坐标、拟合后的峰高、拟合后峰的半宽度信息；x₀为拟合后峰的中心位置。

一种基于光电探测阵列的窄带光解调方法，步骤如下：

1)设置光谱拟合点数、寻峰阈值系数、寻峰点数、邻域点光强度差值系数；

2)设置采样参数，根据采样参数实时采集外部输入的原始光谱数据；所述的采样参数包括采集频率和采集通道；

3)对原始光谱数据进行分峰截幅，先求解光谱中光强度最大值，将原始光谱数据根据寻峰阈值系数与光强度最大值的乘积值分成N个单峰信号，N为正整数；

4)判别每个单峰信号中除主峰之外是否还有旁瓣峰，若存在旁瓣峰，则根据设定的邻域点光强度差值系数将该单峰信号主峰峰值与旁瓣峰峰值进行提取；若无旁瓣峰，则提取该单峰信号主峰峰值；

5)对所有主峰峰值和旁瓣峰峰值按下式进行拟合，获得每个主峰以及每个旁瓣峰的中心位置x₀，并将x₀记为光谱亚像元位置；

6)将x₀代入像元-波长标定多项式中解调得到x₀对应的中心波长；所述的像元-波长标定多项式由线阵探测阵列各像元所探测的光波长数据进行多项式拟合后得到。

步骤5)中对所有主峰峰值和旁瓣峰峰值按下式进行拟合的具体公式为：式中x_i，y_i，y_max，σ分别为高斯曲线的峰值横坐标、高斯曲线的峰值纵坐标、拟合后的峰高、拟合后峰的半宽度信息，x₀为拟合后峰的中心位置。

本发明与现有技术相比有益效果为：

●解决了波长重叠问题，即使在窄带光中心波长相距较近时也能准确提取峰值和波长信息，将主峰信号和旁瓣峰进行有效辨识。

●采用了较为精确的高斯拟合算法，将波峰位置进行亚像元高精度搜索，亚像元位置计算稳定且计算量较小，在光纤光栅解调波段范围内保持较高的精度和分辨率。

●算法整体经过优化，采用矩阵形式进行广义最小二乘解算，矩阵解算采用主元素法，计算量较小且解算精度高。算法在DSP中实现，并对其计算量进行时钟周期测试，150MHz时钟频率下单通道同时解算10个峰值约耗时0.65ms，解调速率高，可应用在动态测量环境中，为开发高速解调仪提供了依据和基础。

附图说明

图1基于光电探测阵列的窄带光寻峰拟合原理图；

图2本发明的解调系统结构图；

图3本发明解调参数设置子模块结构图；

图4本发明多通道数据采集子模块结构图；

图5本发明寻峰判别子模块结构图；

图6本发明二次判峰子模块结构图；

图7本发明高斯拟合子模块流程图；

图8本发明波长解调子模块结构图；

图9本发明的解调方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

如附图2所示一种基于光电探测阵列的窄带光解调系统，由解调参数设置模块、多通道数据采集子模块、寻峰判别子模块、二次判峰子模块、高斯拟合子模块、波长解调子模块组成。

如附图3所示，解调参数设置子模块设置光谱拟合点数、寻峰阈值系数、寻峰点数、邻域点光强度差值系数。所述光谱拟合点数由光电探测阵列的像元数决定，对于512像元光电探测阵列，一般取3～5点；所述寻峰阈值系数用于分辨波峰与背景噪声；所述寻峰点数为分峰截幅截取的单峰所占像元数，对于512像元光电探测阵列，一般取7～9点；所述邻域点光强度差值系数用于比较主峰光强与其邻域点光强之间的差值。在实际的工程应用中，所设置的解调参数应是在模拟真实环境或经过多次实验得到较为准确的值，才能保证算法的准确性和精确性。

如附图4所示，多通道采集子模块设置采样参数，根据采样参数实时采集外部输入的原始光谱数据，并将采集到的原始光谱数据送入寻峰判别子模块；所述的采样参数包括采集频率和采集通道；

如附图5所示，寻峰判别子模块对原始光谱数据进行分峰截幅，先求解光谱中光强度最大值，将原始光谱数据中大于寻峰阈值系数与光强度最大值的乘积值的数据进行记录，即将原始光谱数据分成N个单峰信号，N为正整数；

如附图6所示，二次判峰子模块针对每一个单峰值在寻峰点内寻找局部最大值。若主峰与右侧相邻第一点的光强度差值大于邻域光谱强度差值系数与局部最大值的乘积，而且右侧相邻第二点的光强度与第一点的光强度差值大于邻域光谱强度差值系数与局部最大值的乘积，则对该单峰信号主峰峰值与其右侧旁瓣峰峰值进行提取，否则仅提取该单峰信号主峰峰值；判定主峰左侧旁瓣峰与右侧方法相同；

如附图7所示，对所有主峰峰值和旁瓣峰峰值按下式进行拟合计算，获得每个主峰以及每个旁瓣峰的中心位置x₀；

$y_i=y_{\max }\×\exp [-\frac{{(x_i-x_0)}^2}{\mathrm{\σ}}]$

式中各参数为x_i，y_i，y_max和σ，分别代表高斯曲线的峰值横坐标、高斯曲线的峰值纵坐标、拟合后的峰高和拟合后峰的半宽度信息，x₀为拟合后峰的中心位置；将x₀记为光谱亚像元位置。

高斯拟合子模块将经过两次寻峰判峰后得到的原始光谱值进行取自然对数运算、化为二次多项式拟合后求用列主元素法求解广义最小二乘解，从而求得高斯函数中的各参数，进而得到光谱波峰中心位置所在的亚像元坐标值。

如附图8所示，波长解调子模块将光电探测阵列各像元所测得的标准光波长与其各像元坐标进行五阶多项式拟合得到像元-波长标定多项式。将经过高斯拟合后得到的亚像元坐标值代入像元-波长标定多项式中计算即得到窄带光的中心波长。

综合附图2至图8所示，一种基于光电探测阵列的窄带光解调方法有以下步骤：

(1)在进行计算之前，将光谱拟合点数、寻峰阈值系数、寻峰点数、邻域点光强度差值系数。

(2)设置采样参数，根据采样参数实时采集外部输入的原始光谱数据；所述的采样参数包括采集频率和采集通道；

(3)对原始光谱数据进行分峰截幅，先求解光谱中光强度最大值，将原始光谱数据根据寻峰阈值系数与光强度最大值的乘积值分成N个单峰信号，N为正整数；

(4)对每一个单峰值在寻峰点内寻找局部最大值。若主峰与右侧相邻第一点的光强度差值大于邻域光谱强度差值系数与局部最大值的乘积，而且右侧相邻第二点的光强度与第一点的光强度差值大于邻域光谱强度差值系数与局部最大值的乘积，则对该单峰信号主峰峰值与其右侧旁瓣峰峰值进行提取，否则仅提取该单峰信号主峰峰值；判定主峰左侧旁瓣峰与右侧方法相同。

(5)将步骤(4)中提取的主峰及其旁瓣峰值进行高斯拟合，将原始光谱值进行取自然对数、化为二次多项式拟合后用列主元素法求广义最小二乘解，从而求得高斯函数中的各参数，进而得到光谱波峰中心位置所在的亚像元坐标值。

(6)将光电探测阵列各像元所测得的标准光波长与其坐标进行五阶多项式拟合，得到像元-波长标定多项式。将(5)中拟合得到的亚像元坐标代入像元-波长标定多项式中计算即得到窄带光的中心波长。

显然，本领域的技术人员还可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精髓，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，亦属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于光电探测阵列窄带光解调系统，其特征在于：包括解调参数设置子模块、多通道采集子模块、寻峰判别子模块、二次判峰子模块、高斯拟合子模块、波长解调子模块；

解调参数设置子模块设置光谱拟合点数、寻峰点数、寻峰阈值系数、邻域点光强度差值系数；

多通道采集子模块设置采样参数，根据采样参数实时采集外部输入的原始光谱数据，并将采集到的原始光谱数据送入寻峰判别子模块；所述的采样参数包括采集频率和采集通道；

寻峰判别子模块对原始光谱数据进行分峰截幅，先求解光谱中光强度最大值，后将原始光谱数据根据寻峰阈值系数与光强度最大值的乘积值分成N个单峰信号，N为正整数；

二次判峰子模块判别每个单峰信号中除主峰之外是否还有旁瓣峰，若存在旁瓣峰，则根据设定的邻域点光强度差值系数将该单峰信号主峰峰值与旁瓣峰峰值进行提取；若无旁瓣峰，则提取该单峰信号主峰峰值；

高斯拟合子模块对所有主峰峰值和旁瓣峰峰值按下式进行拟合计算，获得每个主峰以及每个旁瓣峰的中心位置x₀，并将x₀记为光谱亚像元位置；

波长解调子模块将光谱亚像元位置x₀代入像元-波长标定多项式中解调得到光谱亚像元位置x₀对应的中心波长；所述的像元-波长标定多项式由线阵探测阵列各像元所探测的光波长数据进行多项式拟合后得到。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电探测阵列窄带光解调系统，其特征在于：高斯拟合子模块对所有主峰峰值和旁瓣峰峰值按下式进行拟合计算的具体公式为：式中x_i，y_i，y_max，σ分别为高斯曲线的峰值横坐标、高斯曲线的峰值纵坐标、拟合后的峰高、拟合后峰的半宽度信息；x₀为拟合后峰的中心位置。

3.一种采用权利要求1所述系统的窄带光解调方法，其特征在于步骤如下：

1)设置光谱拟合点数、寻峰阈值系数、寻峰点数、邻域点光强度差值系数；

2)设置采样参数，根据采样参数实时采集外部输入的原始光谱数据；所述的采样参数包括采集频率和采集通道；

3)对原始光谱数据进行分峰截幅，先求解光谱中光强度最大值，将原始光谱数据根据寻峰阈值系数与光强度最大值的乘积值分成N个单峰信号，N为正整数；

4)判别每个单峰信号中除主峰之外是否还有旁瓣峰，若存在旁瓣峰，则根据设定的邻域点光强度差值系数将该单峰信号主峰峰值与旁瓣峰峰值进行提取；若无旁瓣峰，则提取该单峰信号主峰峰值；

5)对所有主峰峰值和旁瓣峰峰值按下式进行拟合，获得每个主峰以及每个旁瓣峰的中心位置x₀，并将x₀记为光谱亚像元位置；

6)将x₀代入像元-波长标定多项式中解调得到x₀对应的中心波长；所述的像元-波长标定多项式由线阵探测阵列各像元所探测的光波长数据进行多项式拟合后得到。

4.根据权利要求3所述的一种基于光电探测阵列窄带光解调方法，其特征在于：步骤5)中对所有主峰峰值和旁瓣峰峰值按下式进行拟合的具体公式为：式中x_i，y_i，y_max，σ分别为高斯曲线的峰值横坐标、高斯曲线的峰值纵坐标、拟合后的峰高、拟合后峰的半宽度信息，x₀为拟合后峰的中心位置。