CN106706011A - 一种滤除光纤布拉格光栅传感器解调中脉冲杂波的方法 - Google Patents
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Abstract
一种滤除光纤布拉格光栅传感器解调中脉冲杂波的方法，其步骤如下：一，搭建光纤光栅解调仪光路与电路硬件平台，并进行光纤光栅解调，使用现场可编程逻辑门阵列进行高速AD采集；二，实时读取AD采样值，并设定一个“判峰阈值”，即采样值超过该阈值就假定有峰值产生，并记下此时的位置和最大数据值；三，当前采样值开始小于阈值时，算出从最开始大于阈值到最开始小于阈值间的距离d；四，进行脉冲干扰信号滤波，设定“展宽阈值”；通过以上步骤，实现了对光纤布拉格光栅解调过程中存在的脉冲干扰的滤波，达到了提高光纤布拉格光栅解调准确度和稳定性的效果，解决了实际应用中光纤布拉格光栅解调受脉冲干扰影响的实际问题。
Description
技术领域
本发明提供一种滤除光纤布拉格光栅传感器解调中脉冲杂波的方法，它涉及一种对光纤布拉格光栅传感器解调系统中经过光电转换、高速模数转换(即“AD”)并进行采集后得到的数字信号存在的脉冲杂波的滤除方法,属于结构健康监测技术领域。
背景技术
光纤布拉格光栅是一种基于改变光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅。其中心波长随温度、应力等外界影响因素的改变而变化。近年来，光纤布拉格光栅以其绝缘、抗电磁干扰、抗腐蚀、质量小等多方面优势，广泛应用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域。随着应用领域的拓广，对光纤布拉格光栅传感器解调精度和稳定性的要求也越来越高。
在光纤光栅解调算法中，数字滤波是提高解调精度的一个极为重要的方面。现今大多数解调方法中多采用加权平均值滤波、滑动平均值滤波等方法对AD采集的数字信号进行滤波，以达到平整波形、滤除高频小信号的目的。但是对于数字信号中存在的脉冲信号的干扰不能起到较为有效的滤除作用，并且会影响波形的灵敏度。另一方面，数字滤波中对于脉冲干扰多采用防脉冲干扰平均滤波方法，但这种方法用于光纤光栅解调数字信号的滤波时会对光纤布拉格光栅反射谱信号造成一定的影响。基于以上现状和问题，提出一种滤除光纤布拉格光栅传感器解调中脉冲杂波的方法。
发明内容
本发明的目的是：
针对光纤布拉格光栅解调过程中经光电转换、高速AD采集后数字信号中存在的脉冲干扰信号，提出一种在不影响光纤布拉格光栅反射谱信号的条件下，滤除脉冲干扰信号的方法，从而提高光纤布拉格光栅解调的精度和稳定性。
本发明一种滤除光纤布拉格光栅传感器解调中脉冲杂波的方法，其具体步骤如下：
步骤一，搭建光纤光栅解调仪光路与电路硬件平台，并进行光纤光栅解调，使用现场可编程逻辑门阵列(即“FPGA”)进行高速AD采集；
步骤二，实时读取AD采样值，并设定一个“判峰阈值”，设为DATA，即采样值超过该阈值就假定有峰值产生，并记下此时的位置和最大数据值(为了说明本发明中滤除脉冲干扰信号的效果，默认采用直接寻峰法进行实验，并观测光纤布拉格光栅中心波长解调结果)，继续读取AD采样值，若采样值大于上一刻数据的最大值，对最大值和位置进行实时更新，直到当前采样值小于“判峰阈值”。
步骤三，当前采样值开始小于阈值时，算出从最开始大于阈值到最开始小于阈值间的距离d，设为“峰值范围”，即光纤布拉格光栅反射光谱中心波长可能存在的位置范围；并记下此时峰值范围中的最大值DATA_MAX及其对应的位置NUM_MAX；
步骤四，进行脉冲干扰信号滤波，设定“展宽阈值”，设为D，若峰值范围为d小于展宽阈值D，则判断该峰为脉冲干扰信号，舍弃该峰值范围内的最大值DATA_MAX及其对应的位置NUM_MAX，并重复步骤二至步骤四；若峰值范围d大于展宽阈值D，则判断该峰为正常光纤布拉格光栅反射光谱对应的峰值。进行进一步的解调，输出中心波长；
其中，在步骤一中所述的“FPGA”，是指现场可编程逻辑门阵列，所述的“AD”是指模数转换；
其中，在步骤一中所述的“搭建光纤光栅解调仪光路与电路硬件平台，并进行光纤光栅解调，使用FPGA进行高速AD采集”，其作法如下：使用宽带光源，光衰减器、法布里-珀罗谐振腔、光分路器、光纤布拉格光栅、光梳状滤波器组成光纤布拉格光栅解调光路系统，再利用光电探测器将光纤布拉格光栅反射谱光信号转化成电信号，最后使用FPGA对光纤布拉格光栅反射谱信号(模拟信号)进行高速AD采集。
其中，在步骤二中所述的“DATA”，是指判峰阈值，用于判定是否有峰值产生；
其中，在步骤三中所述的“d”是峰值范围，主要用于滤除脉冲干扰信号；“DATA_MAX”是峰值大小，“NUM_MAX”是峰值位置，是用于光纤布拉格光栅解调的关键数据；
其中，在步骤四中所述的“D”，是指展宽阈值，用于与“d”对比进行脉冲干扰的滤波。
其中，在步骤四中所述的“进行进一步的解调，输出中心波长”，其作法如下：利用光纤布拉格光栅反射谱中心波长与反射谱峰值位置呈线性分布的规律，根据光梳状滤波器的透射光谱(各峰值对应的中心波长大小已知)和光纤布拉格光栅的反射光谱信号的对比，即可解调出光纤布拉格光栅的中心波长。
通过以上步骤，实现了对光纤布拉格光栅解调过程中存在的脉冲干扰的滤波，达到了提高光纤布拉格光栅解调准确度和稳定性的效果，解决了实际应用中光纤布拉格光栅解调受脉冲干扰影响的实际问题。
本发明的优点在于：
1、解决了光纤布拉格光栅解调过程中经过光电转换、高速AD采集后数字信号中脉冲干扰的影响。
2、实现方式简单，无复杂算法，适用性和可操作性强，配合FPGA高速采集能实现实时快速滤除脉冲干扰信号的作用，对光纤布拉格光栅解调精度和稳定性的改善明显。
3、与其他滤波方法相比，本发明最大程度上保护了原始光纤布拉格光栅反射谱信号，对脉冲干扰和反射谱信号的分辨率高，有利于进一步寻峰算法的开展。
附图说明
图1本发明所述方法流程图。
图2 AD采样值数据分布。
图3波峰范围分布图。
图4未设置脉冲干扰滤波光纤布拉格光栅解调结果。
图5设置脉冲干扰滤波后光纤布拉格光栅解调结果。
图中序号、符号、代号说明如下：
图1中：“k”为标志位，用于判断当前采样值是否在峰值范围内；“max”为当前最大值，如果下一个采样值大于max，则max会进行更新；“num_max”为当前最大值位置，随着max的更新而更新。
具体实施方式
本发明一种滤除光纤布拉格光栅传感器解调中脉冲杂波的方法，如图1所示，其具体步骤如下：
步骤一：搭建光纤光栅解调仪光路与电路硬件平台。使用的FPGA板型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702(南京米联电子)，配合型号为AD9244的高速AD采集芯片进行AD采集，采样频率为5MHz。
步骤二：抽样观测采样数据，如图2所示。因判峰阈值取的越小，对脉冲干扰的滤除效果越好，而阈值设的太小又会引起其他干扰信号的影响，故取观测数据最大值的1/2为判峰阈值。由图可知最大值约为12000，则取判峰阈值为6000。
步骤三：进行直接寻峰。输出每一个峰值的“峰值范围”，根据以下公式确定其“展宽阈值”。
其中dmax可认为是光纤布拉格光栅反射光谱的“峰值范围”，而dmin可认为是脉冲干扰形成的“假波峰”的“峰值范围”。峰值范围分布如图3所示，可知最大值约为800，最小值取1，则取展宽阈值为400。
步骤四，设置“展宽阈值”进行滤波。运用直接寻峰法进行波长解调，得到滤波后采样值结果和中心波长解调结果，与之对应的进行一组不设置“展宽阈值”的直接寻峰法解调，得到滤波前后中心波长解调结果如图4、5所示。说明该滤波方法很好的滤除了脉冲干扰，提高了光纤布拉格光栅的解调的精度和稳定性。
Claims (4)
1.一种滤除光纤布拉格光栅传感器解调中脉冲杂波的方法，其特征在于：其具体步骤如下：
步骤一，搭建光纤光栅解调仪光路与电路硬件平台，并进行光纤光栅解调，使用现场可编程逻辑门阵列进行高速AD采集；
步骤二，实时读取AD采样值，并设定一个“判峰阈值”，设为DATA，即采样值超过该阈值就假定有峰值产生，并记下此时的位置和最大数据值；继续读取AD采样值，若采样值大于上一刻数据的最大值，对最大值和位置进行实时更新，直到当前采样值小于“判峰阈值”；
步骤三，当前采样值开始小于阈值时，算出从最开始大于阈值到最开始小于阈值间的距离d，设为“峰值范围”，即光纤布拉格光栅反射光谱中心波长存在的位置范围；并记下此时峰值范围中的最大值DATA_MAX及其对应的位置NUM_MAX；
步骤四，进行脉冲干扰信号滤波，设定“展宽阈值”，设为D，若峰值范围为d小于展宽阈值D，则判断该峰为脉冲干扰信号，舍弃该峰值范围内的最大值DATA_MAX及其对应的位置NUM_MAX，并重复步骤二至步骤四；若峰值范围d大于展宽阈值D，则判断该峰为正常光纤布拉格光栅反射光谱对应的峰值；进行进一步的解调，输出中心波长；
通过以上步骤，实现了对光纤布拉格光栅解调过程中存在的脉冲干扰的滤波，达到了提高光纤布拉格光栅解调准确度和稳定性的效果，解决了实际应用中光纤布拉格光栅解调受脉冲干扰影响的实际问题。
2.根据权利要求1所述的一种滤除光纤布拉格光栅传感器解调中脉冲杂波的方法，其特征在于：在步骤一中所述的“搭建光纤光栅解调仪光路与电路硬件平台，并进行光纤光栅解调，使用FPGA进行高速AD采集”，其作法如下：使用宽带光源，光衰减器、法布里-珀罗谐振腔、光分路器、光纤布拉格光栅、光梳状滤波器组成光纤布拉格光栅解调光路系统，再利用光电探测器将光纤布拉格光栅反射谱光信号转化成电信号，最后使用FPGA对光纤布拉格光栅反射谱信号即模拟信号进行高速AD采集。
3.根据权利要求1所述的一种滤除光纤布拉格光栅传感器解调中脉冲杂波的方法，其特征在于：在步骤三中所述的“d”是峰值范围，用于滤除脉冲干扰信号；“DATA_MAX”是峰值大小，“NUM_MAX”是峰值位置，是用于光纤布拉格光栅解调的关键数据。
4.根据权利要求1所述的一种滤除光纤布拉格光栅传感器解调中脉冲杂波的方法，其特征在于：在步骤四中所述的“进行进一步的解调，输出中心波长”，其作法如下：利用光纤布拉格光栅反射谱中心波长与反射谱峰值位置呈线性分布的规律，根据光梳状滤波器的透射光谱和光纤布拉格光栅的反射光谱信号的对比，即能解调出光纤布拉格光栅的中心波长。
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