CN105758434B - 基于线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法，该方法包括以下步骤：a)宽谱光源发出的光信号经光纤耦合器传输至FBG；b)所述光信号经FBG反射后将带有解调信息的反射谱光信号传输至线阵InGaAs光电探测器；c)反射谱光信号经过线阵InGaAs光电探测器处理后得到与线阵InGaAs光电探测器中像素点位置一一对应的反射谱光强信息；d)通过设置反射谱的光强阀值将反射谱光信号分成多段；e)对每段反射谱对应的像素点位置与光强数据进行高斯函数拟合分析，并通过最小二乘法判定最佳拟合参数，获取光强峰值对应的像素点位置；f)将光强峰值对应的像素点位置带入至像素点位置与波长的对应关系式中并得出该段反射谱的中心波长值。
Description
技术领域
本发明涉及一种FBG反射谱的传感解调方法，特别涉及一种基于线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法。
背景技术
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器是以光为载体、光纤为媒质来感知和传输外界信号的新型传感技术。与传统的电阻应变计等电类传感器相比，FBG传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、防爆性能好、耐腐蚀能力强、体积小等诸多优点，已在土木工程、石油化工、航空航天等领域得到广泛应用。
在光纤光栅传感系统中，反射光谱的解调技术一直是研究难点，影响着整个测试过程的精度和解调速度。针对光纤光栅传感系统，人们研究并提出了许多解调方法：匹配光栅法测量范围窄，光谱匹配性制作要求高；CCD解调法由于分辨率低且在400～1100nm光谱敏感，不适合FBG的传感解调；可调谐激光器解调系统受限于光源的稳定性和调谐范围；目前最常用的是可调谐F-P滤波解调系统虽然精度高，但解调速度慢。
无论是哪种解调方法，对于FBG的中心波长的定位离不开寻峰算法的处理。尹成群等人对多种常用寻峰算法的比较结果显示，遗传算法或神经网络算法等虽然检测精度较高，但不适合实时运算，高斯曲线拟合可兼顾实时性与高精度的双重要求。基于线阵探测器扫描FBG的解调系统中无机械移动部件，稳定性好，但由于线阵光电探测器的尺寸限制，光谱数据点数少，对寻峰定位算法要求较高。
因此，需要一种能有效地实现系统简单、解调速度快、稳定性高的FBG反射谱传感解调的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法，该方法包括以下步骤：
a)宽谱光源发出的光信号经光纤耦合器传输至FBG；
b)所述光信号经FBG反射后将带有解调信息的反射谱光信号传输至线阵InGaAs光电探测器；
c)所述反射谱光信号经过线阵InGaAs光电探测器处理后得到与线阵InGaAs光电探测器中像素点位置一一对应的反射谱光强信息；
d)通过设置反射谱的光强阀值将反射谱光信号分成多段；
e)对每段反射谱对应的像素点位置与光强数据进行高斯函数拟合分析，并通过最小二乘法判定最佳拟合参数，进一步获取光强峰值对应的像素点位置；
f)将所述光强峰值对应的像素点位置带入至像素点位置与波长的对应关系式中并得出该段反射谱的中心波长值，从而实现对反射光谱的解调处理。
发明提供的基于线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法具有良好的应用前景，特别是针对高速解调领域，具有单通道并行处理功能、响应速度快、稳定性高等优点，且实现该方法的系统还具有结构简单、无机械调节部件等优点。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出本发明所述的传感解调方法的实现系统；
图2示意性示出通过设置阀值将反射谱分段的示意图；
图3示意性示出利用高斯函数对分段反射谱拟合寻峰示意图；
图4示意性示出本发明所述的传感解调方法的实现步骤图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本发明提供一种基于线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法，本文提出了基于线阵InGaAs扫描数据的基础上采用高斯拟合寻峰算法，对FBG反射谱中心波长进行定位，实现FBG反射谱的并行快速响应。
FBG传感原理
FBG是一种刻写在光纤纤芯中的布拉格光栅，它能够把前向传输的纤芯模式能量耦合给后向传输的纤芯模式，形成在谐振波长附近一定带宽的能量反射。光纤布拉格波长lB可由式(1)表示：
lB＝2neffΛ (1)
式中，Λ为光栅周期；neff为光纤的有效折射率；lB为反射的中心波长。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为：
式中，lc为反射谱中心波长；ΔT为温度变化；Δe为应力变化、af＝dΛ/(ΛdT)为光纤的热膨胀系数；ξ＝dneff/(neffdT)为光纤材料的热光系数；Pe＝-dneff/(neffdε)为光纤材料的弹光系数。光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界信号的变化，因此针对FBG中心波长的分析处理是FBG传感系统的关键。
解调系统
图1示出了基于线阵InGaAs光电阵列扫描的FBG解调系统100。所述解调系统包括宽谱光源101、光纤耦合器102、光纤布拉格光栅(FBG)103以及线阵InGaAs光电探测器104。具体的工作过程如下：首先，由宽谱光源101发出的光经过光纤耦合器102入射到光纤布拉格光栅(FBG)103中，再经过光纤布拉格光栅103反射后，将带有解调信息的反射谱光信号经光纤耦合器102传至线阵InGaAs光电探测器104。
其中宽谱光源101的波长范围优选为1525nm至1570nm或1510nm至1595nm；光纤耦合器为3dB光纤耦合器，且其分光比50：50；光纤布拉格光栅(FBG)103只要保证解调系统能分辨出FBG中心波长漂移的情况下，FBG布拉格波长可以是解调波段内的任意波长。
该线阵InGaAs光电探测器104主要包括光学预处理部分和线阵光电探测成像部分。光学部分通过色散原理把光信号投射到线阵光电探测器上，每个光敏元由InGaAs光电二极管组成，可以探测红外波长的光学信号，探测范围为900～1700nm，由于色散的影响，不同光敏元对应不同的光谱谱线。
此外所述解调系统100还包括用于寻峰算法的计算装置105。
FBG中心波长寻峰
为了实现FBG传感的实时采集，采用高斯拟合寻峰算法，即将采集获得到的光纤光栅反射谱数据，通过高斯函数进行拟合处理。反射光谱经过线阵InGaAs光电探测器104处理后得到FBG反射谱的光强信息，并且与线阵探测器的像素点一一对应。通过设置阈值，将FBG传感链上的光谱分段，再分别对每一段FBG反射谱离散数据进行拟合，如图2所示。
具体地，在所述光强阀值设置的过程中，首先应保证宽谱光源101在光强足够大(至少为20mW或13dBm)，且FBG反射谱最小峰值应大于InGaAs探测器104电流噪声，则当光强阈值低于FBG反射谱的最小峰值时即可实现对所有的峰值定位。
设置好光强阈值后，将设置的阈值参数与InGaAs探测器的每一个像素点的光强值进行比较，并得到高于阀值的多个FBG反射峰，且每个FBG反射峰均由连续几个像素点构成，进一步以像素点及其光强值为数据进行高斯拟合。通过线阵InGaAs光电探测器输出并得到每个像素点对应的光强信息(Pi，Ii)，其中Pi为像素点编号或位置，256个像素点分别对应有一个编号Pi，每个编号均对应一个像素点位置，Ii为像素点的光强值，即每一个像素点位置Pi对应的一个光强值Ii，且I与P之间的高斯函数(或拟合模型)如式(3)所示：
使用最小二乘法进行高斯拟合，得到上述高斯函数或拟合模型的峰值对应的像素点位置Pc，将Pc代入标定的像素点与波长对应关系式，从而得到lc，该lc值也就是FBG反射谱的峰值即FBG的中心波长值，如图3所示。
由上述可知为了获得反射谱的中心波长值，通过最小二乘原理判定最佳拟合曲线，公式(4)是最小二乘法的基本公式：
所述最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。
此外上述用于标定的像素点与波长的对应关系如式(5)所示：
l[nm]＝a+b1p+b2p2+b3p3+b4p4+b5p5 (5)
式中，p＝0..255表示线阵探测器的像素点数；5阶多项式的系数(a、b1、b2、b3、b4和b5)均由可调谐激光器标定得到。
所述可调谐激光器标定是为了确定光谱波长与InGaAs探测器像素之间的对应关系。选用1525-1570nm范围内的可调谐光源，调谐步长为0.1nm，利用可调谐光源输出波长来模拟光纤光栅受到外界作用而发生的反射波长变化，从而根据已知的波长lp和像素编号P可以拟合出像素点与对应波长的关系，具体地，将多组波长lp和像素编号P数据代入到式(5)中并建立方程组，从而可以求解得出式(5)中的参数值。由于本发明的传感解调方法的光路部分的元件是固定的，所以上述拟合出的像素点与对应波长的关系可以用于测量其他光谱时确定被测波长。
综上所述，可以总结得出基于线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法的具体实现步骤。图4示意性示出本发明所述的传感解调方法的实现步骤图：
步骤401：宽谱光源101发出的光信号经光纤耦合器102传输至光纤布拉格光栅(FBG)103中；
步骤402：光信号经光纤布拉格光栅(FBG)103反射后再次经光纤耦合器102将带有解调信息的反射谱光信号传输至线阵InGaAs光电探测器104；
步骤403：所述反射谱光信号经过线阵InGaAs光电探测器104处理后得到与线阵InGaAs光电探测器104中像素点一一对应的反射谱光强信息；
步骤404：通过设置反射谱光强阀值将反射谱分成多段；
步骤405：对每段反射谱对应的像素点位置与光强数据进行高斯函数拟合分析，并通过最小二乘法判定最佳拟合参数，进一步获取光强峰值对应的像素点位置；
步骤406：将所述光强峰值对应的像素点位置带入至像素点位置与波长的对应关系式中并得出该段反射谱的中心波长值，从而实现对反射光谱的解调处理。
然而，除了图1示出的单通道单个FBG反射谱的传感解调外，本发明的方法还可应用于单通道多个FBG反射谱的传感解调，实现单通道并行处理。单通道同时解调FBG(103)的数量取决于FBG的带宽和中心波长的漂移范围。单位应变引起的相对波长漂移约为1.2pm/με，以光栅布拉格波长中心，如过要测量应变最大范围的±4000με，那么中心波长左右需要各漂移5nm，另外光栅反射谱本身存在谱宽，一般2～4nm左右，那么至少在中心波长两侧留出7nm的间隔来复用，总的解调谱宽范围是45nm，单通道同时解调FBG传感器的数量可达到6个点。
最后，FBG传感解调方法的寻峰稳定性还会受到多种因素影响，除了宽谱光源101功率外，影响光纤波导中的光功率因素还有光纤光路中元器件的损耗等，因此在光纤光栅传感应用中，尤其在远距离监测时，还需要考虑光路系统中的光强损耗。
本发明提供的基于线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法具有良好的应用前景，特别是针对高速解调领域，具有单通道并行处理功能、响应速度快、稳定性高等优点，且实现该方法的系统还具有结构简单、无机械调节部件等优点。
所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (8)
1.一种基于线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法，该方法包括以下步骤：
a)宽谱光源发出的光信号经光纤耦合器传输至FBG；
b)所述光信号经FBG反射后将带有解调信息的反射谱光信号传输至线阵InGaAs光电探测器；
c)所述反射谱光信号经过线阵InGaAs光电探测器处理后得到与线阵InGaAs光电探测器中像素点位置一一对应的反射谱光强信息；
d)通过设置反射谱的光强阀值将反射谱光信号分成多段；
e)对每段反射谱对应的像素点位置与光强数据进行高斯函数拟合分析，并通过最小二乘法判定最佳拟合参数，进一步获取光强峰值对应的像素点位置；所述像素点位置与所述反射谱光强的拟合模型为：
<mrow>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>P</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>I</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mi>exp</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mo>-</mo>
<mn>4</mn>
<mi>l</mi>
<mi>n</mi>
<mn>2</mn>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>P</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>D</mi>
<mi>P</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
式中I为反射谱光强，P为像素点位置，Pc为拟合模型峰值对应的像素点位置；
f)将所述光强峰值对应的像素点位置带入至像素点位置与波长的对应关系式中并得出该段反射谱的中心波长值，实现对反射光谱的解调处理；
g)利用所述传感解调方法同时对多个FBG反射谱进行单通道并行传感解调处理。
2.根据权利要求1所述的传感解调方法，其特征在于：所述线阵InGaAs光电探测器为256像元。
3.根据权利要求1所述的传感解调方法，其特征在于：像素点位置与波长的对应关系式为：
l[nm]＝a+b1p+b2p2+b3p3+b4p4+b5p5
式中l为波长、p为像素点位置、a、b1、b2、b3、b4和b5为关系式的参数。
4.根据权利要求3所述的传感解调方法，其特征在于：所述关系式的参数通过可调谐激光器标定得到。
5.根据权利要求4所述的传感解调方法，其特征在于：所述可调谐激光器输出的波长范围为1525-1570nm，且调谐步长为0.1nm。
6.根据权利要求1所述的传感解调方法，其特征在于：所述宽谱光源的波长范围为1525～1570nm或1510～1595nm。
7.根据权利要求1所述的传感解调方法，其特征在于：所述宽谱光源的光强应大于20mW或13dBm，且FBG反射谱最小峰值应大于InGaAs探测器电流噪声。
8.根据权利要求1所述的传感解调方法，其特征在于：所述光纤耦合器为3dB光纤耦合器，且分光比50：50。
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