CN106767960B - 基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法，包括：扫描得到光谱纹波；对光谱纹波进行拟合获得静态光谱；将光谱纹波与静态光谱进行差分处理获得差值信号；对光谱纹波的极值点进行拟合获得上下边缘包络曲线；对上下边缘包络曲线进行差分处理获得光谱变化函数，将差值信号与光谱变化函数进行归一化处理，获得去包络后差值信号，根据扫描速度和初始波长将波长换算为时间，获得去包络后时域动态信号。本方法对纹波光谱及其拟合曲线进行差分获得动态信号，可以消除诸如温度、湿度等环境干扰，且恢复的动态信号几乎没有直流分量，同时采用宽带光作为光纤传感器的输入，简化光纤传感装置复杂度。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体的，涉及一种基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法。
背景技术
近年来，由于地震、矿难、输油管道泄漏等自然灾害与安全事故的不断发生，声波与振动信号传感引起了越来越多的关注。基于光纤技术的动态信号传感器与传统的电学式或机械式传感器相比，具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，耐腐蚀以及易于组网复用等优点。为了实现对动态信号的准确测量，光纤传感动态信号解调方法也受到了国内外学者的广泛研究。对动态信号进行准确的测量在很多工程应用场合有着重要的应用，例如结构健康监测、地震灾害预警、管道泄漏监测、海洋勘探与水声通信等。
为了实现对声波或振动信号的准确测量，国内外研究人员针对光纤动态信号解调方法开展了大量的研究。目前比较常见的方法有三种，包括强度解调、斜边滤波解调与相位解调。基于强度解调的动态信号传感通常基于动态声波或振动信号对传感器的光学损耗产生动态调制，通过直接检测光强度变化获得动态信号。这种方法与斜边滤波和相位解调技术相比准确度较低。斜边滤波是基于动态信号对传感器光谱产生动态调制，通过采用一个单波长激光器，将波长对应在光谱斜边线性区中心处(Q点)，将光谱的变化转化为该波长处光强度的变化。这种方法需要对光谱工作点(Q点)进行精确控制，且极易受到环境参数的干扰，例如温度、压力、湿度等。相位解调与前两种方法相比稳定度与精确度都更高，但常见的相位解调方法例如相位生成载波调制(PGC)或正交双波长解调方法都较复杂，PGC方法需要额外的频率调制，正交双波长方法需要精确的波长间隔控制。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法，旨在解决现有解调方法受到环境干扰的影响导致解调信号不准确的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法，采用宽带光源作为光纤传感器的输入信号，包括以下步骤：
(1)对光纤传感器输出的光信号从起始波长到终止波长进行扫描获得光谱纹波；
(2)对光谱纹波进行拟合获得光纤传感器的静态光谱；
(3)将光谱纹波与静态光谱进行差分处理，获得差值信号；
(4)根据扫描速度和起始波长将差值信号从波长域转化为时间域，获得时域的动态信号。
采用宽带光源作为光纤传感器的输入信号，当对传感器光谱进行扫描时，不同的时间点扫描至不同的波长，因此每个波长上的光谱上包含有不同时间点的动态信号信息，通过扫描得到的光谱纹波进行拟合，得到光纤传感器的静态光谱，然后采用差分算法，将光谱波纹中非动态信号减去，获得差值信号，最后通过扫描速度和起始波长与时间关系，将差值信号从波长域转化为时间域，获得时间域动态信号。
进一步，在步骤(4)之前，且在步骤(3)之后还包括以下步骤：
(a)获得光谱纹波的极大值点和极小值点；
(b)对所有极大值点进行拟合得到上边缘包络曲线，对所有极小值点进行拟合得到下边缘包络曲线；
(c)将上边缘包络曲线和下边缘包络曲线进行差分处理，得到光纤传感器光谱变化函数；
(d)将差值信号与光纤传感器光谱变化函数进行归一化处理获得去包络后差值信号。
由于传感器在不同波长处对同样幅值的动态信号的响应光强不同，导致解调出的动态信号幅值包含有光纤传感器光谱相应函数信息，通过获得光纤传感器的光谱变化函数，并将差值信号与光纤传感器光谱变化函数进行归一化处理，获得去包络后差值信号能真实反映动态信号的幅值。
进一步地，步骤(d)根据公式λ1≤λi≤λn进行归一化处理获得去包络后差值信号；
式中，ΔS(λi)为差值信号在第i个波长处的光强，Sw(λi)为光纤传感器光谱变化函数，ΔSq(λi)为去包络后差值信号在第i个波长处的光强，λ1为起始波长，λn终止波长，λi为第i个波长。
进一步地，根据公式ΔS(ti)＝ΔS(λi),λ1≤λi≤λn将差值信号从波长域转化为时间域，获得时间域动态信号；
式中，V为扫描速度，ΔS(ti)为时间域的动态信号在第i个时间点ti的振动强度，ΔS(λi)为差值信号在第i个波长λi的光强，λ1为起始波长，λn终止波长，λi为第i个波长。
进一步地，对光谱波纹进行拟合时根据光纤传感器类型确定拟合函数。
进一步地，起始波长和终止波长、扫描速度与波长分辨率根据动态信号的频率确定。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法，采用宽带光作为光纤传感器光源，基于对光纤传感器输出的光谱数据处理解调时域动态信号，因此无需对光源进行复杂的波长控制，也无需额外的相位调制，简化光纤传感装置复杂度。
(2)本发明提供的基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法，基于光谱纹波与其自身拟合曲线做差分运算来恢复时域动态信号，因此所得到的时域动态信号近乎没有直流分量。
(3)本发明提供的基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法，基于光谱纹波与其自身拟合曲线做差分运算来恢复时域动态信号，可以消除环境因素的影响，例如温度、湿度、压力、折射率等。当外界环境因素发生变化时，光谱发生漂移或强度变化，因此其自身拟合出的曲线也经历了相同的变化，通过二者差分可以消除环境因素干扰。
附图说明
图1是本发明提供的基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法的流程图；
图2为本发明提供的光纤传感动态信号解调方法中光谱纹波、静态光谱、上边缘包络曲线和下边缘包络曲线的关系示意图；
图3是本发明提供的实施例中验证基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法所用到的光纤声波传感装置的示意图；
图4是本发明实施例中光纤声波传感装置受到200Hz声波作用时记录的光谱纹波以及通过极值点拟合出的上下边缘包络曲线；
图5时本发明实施例中光纤声波传感装置受到200Hz声波作用时从光谱纹波上寻找出的极值点；
图6是本发明实施例中光纤声波传感装置受到200Hz声波作用时根据光纤传感动态信号解调算法恢复出的时域动态信号；
图7是本发明实施例中光纤声波传感装置分别处在不同环境参数下响应200Hz声波信号时的波形图，其中，(a)为在不同环境参数下时响应200Hz声波信号时光谱纹波，(b)根据不同环境参数下响应200Hz声波信号时光谱纹波恢复出200Hz声波时域信号。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明提供的基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法的流程图，步骤包括：
(1)对光纤传感器输出的光信号从起始波长到终止波长进行扫描获得光谱纹波。起始波长与终止波长、扫描速度以及扫描时频率分辨率根据动态信号频率确定。
(2)对光谱纹波进行拟合获得光纤传感器的静态光谱。光纤传感器的类型不同，光纤传感器的静态光谱所服从的函数也不同。例如，对长周期光栅型传感器可采用洛伦兹函数拟合，对光纤布拉格光栅型传感器可采用高斯函数拟合，对干涉型传感器可采用三角函数或高斯函数拟合。
(3)将光谱纹波与静态光谱进行差分处理，获得差值信号。
差分处理是指获取光谱波纹在第i个波长λi处的光强，同时获得静态光谱在第i个波长λi处的光强，将光谱波纹在第i个波长λi处的光强与静态光谱在第i个波长λi处的光强相减，获得动态信号在第i个波长λi处的振动强度，1≤i≤n，λ1≤λi≤λn，n为扫描次数，λ1为起始波长，λn终止波长。
(4)根据扫描速度和起始波长将去差值信号从波长域转化为时间域，获得时域的动态信号。
根据公式ΔS(ti)＝ΔS(λi),λ1≤λi≤λn将差值信号从波长域转化为时间域，获得时间域动态信号；
式中，V为扫描速度，ΔS(ti)为时间域的动态信号在第i个时间点ti的强度，ΔS(λi)为差值信号在第i个波长λi的光强。
本发明提供的光纤传感动态信号解调方法中，采用普通的宽带光源，通过对光纤传感器输出光谱进行波长扫描，得到光纤传感器在响应动态信号时产生光谱波纹，对该光谱纹波进行拟合获得光纤传感器的静态光谱，将光谱与光纤传感器的静态光谱做差分处理，并通过扫描速度和起始波长将差值信号换算时间域动态信号。这种解调方法本身不需要对光源精确的波长控制或额外的调制器，且由于对时域动态信号的恢复是基于传感器动态响应时的光谱纹波与光谱纹波自身拟合曲线做差分，因此可以消除掉环境参数抖动的干扰，包括温度、湿度、压力、折射率等。同时使得获得时域动态信号无直流分量。
当光纤传感器响应动态信号时，传感器的光谱会由于动态信号的扰动而随时间变化。换言之，响应动态信号时传感器的光谱纹波是波长和时间的函数：
S(λ,t)＝S0(λ)+ΔS(λ,t)
S(λ,t)为光纤传感器响应动态信号时输出光谱纹波，S0(λ)为光纤传感器静态光谱函数，ΔS(λ,t)为差值信号，由于差值信号是响应动态信号而出现的，能够反映动态信号信息。
常见的应用于检测动态信号的光纤传感器，其光谱的变化(波长漂移或强度变化)与动态信号的强度成正比，因此，若动态信号是单频正弦信号，则通过扫描获得光谱纹波可以表示为：
ΔSw(λ)表示受到动态信号扰动时光谱变化函数，从上式中可以看出，当单频动态信号作用于传感器时，扫描一周会形成周期性的纹波，纹波波长周期由动态信号频率与扫描速度决定。
扫描速度一定时，纹波波长周期间隔与动态信号频率成反比；当动态信号频率一定时，纹波波长周期间隔与扫描速度成正比。当扫描速度一定时，在一定的扫描波长范围内扫描时间相同，因此动态信号频率越高，在一个扫描周期被记录在光谱上的信号周期越多，因此纹波波长周期间隔越小；当动态信号频率一定时，扫描速度越快，在一定的扫描波长范围内扫描时间越短，被记录在光谱上的信号周期越少，因此纹波波长周期间隔更大。
由于光谱是在一定波长范围内匀速扫描获得的，因此可通过扫描速度将时间用波长表示，即
式中，λ1≤λ≤λn，λ1为扫描光谱纹波时起始波长，λn扫描光谱纹波时起始波长，V为扫描速度。
代入光谱纹波函数中，光谱纹波函数为：
因此，可以扫描获得光纤传感器在响应动态信号时输出的光谱纹波进行解调获得时域动态信号。
本发明提供的基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法，包括：
(1)对光纤传感器输出的光信号从起始波长到终止波长进行扫描获得光谱纹波。
(2)对光谱纹波进行拟合获得光纤传感器的静态光谱。
(3)将光谱纹波与静态光谱进行差分处理，获得差值信号。
(4)对差值信号进行去包络处理，包括子步骤(a)至子步骤(d)：
(a)获得光谱纹波的极大值点和极小值点。
根据极大值搜寻公式
[S(λi-1)-S(λi)]·[S(λi)-S(λi+1)]<0,S(λi-1)-S(λi)<0
获得光谱纹波的极大值点。
根据极大值搜寻公式
[S(λi-1)-S(λi)]·[S(λi)-S(λi+1)]<0,S(λi-1)-S(λi)>0
获得光谱纹波的极小值点。
式中，S(λi)为在光谱纹波中第i个波长λi处的光强。
(b)对所有极大值点拟合得到上边缘包络曲线，对所有极小值点拟合得到下边缘包络曲线。
(c)将上边缘包络曲线和下边缘包络曲线进行差分处理，得到光纤传感器光谱变化函数。
差分处理与步骤(3)中处理方式相同，将相同波长处的上边缘包络曲线的光强和下边缘包络曲线的光强进行相减，获得光纤传感器在该波长处的光强。
(d)将差值信号与光纤传感器光谱变化函数进行归一化处理获得去包络后差值信号。
根据公式λ1≤λi≤λn进行归一化处理获得去包络后差值信号；
式中，ΔS(λi)为差值信号在第i个波长处的光强，Sw(λi)为光纤传感器光谱变化函数，ΔSq(λi)为去包络后差值信号第i个波长处的光强。
(5)根据扫描速度和起始波长将去包络后差值信号从波长域转化为时间域，获得去包络时间域的动态信号。
根据公式ΔSq(ti)＝ΔSq(λi),λ1≤λi≤λn将去包络差值信号从波长域转化为时间域，获得时间域动态信号；
式中，V为扫描速度，ΔSq(ti)为去包络后时间域的动态信号在第i个时间点ti的振动强度，ΔSq(λi)为去包络后差值信号在第i个波长λi的光强。
为了更清楚的描述本发明提供的光纤传感动态信号解调方法，如图2给出了光谱纹波、静态光谱、上边缘包络曲线和下边缘包络曲线的关系示意图。
若动态信号是单频正弦信号，则通过扫描获得光谱纹波可以表示为：
通过对光谱纹波拟合的方式得到静态光谱曲线S0(λ)，将纹波光谱与静态光谱做差，并通过扫描速度将波长换算为时间，可以得到时域信号为ΔSw(λ)cos(ωt)。由于光谱变化函数△S(λ)在不同的波长处函数值不同，会导致恢复出的时域信号被一个大包络调制。通过找出光谱纹波的极值点，并将极大值点和极小值点分别拟合，得到光谱纹波的上下边缘包络曲线，将上下边缘包络曲线做差可以得到光谱变化函数在不同波长处的函数值。因此将差值信号与光谱变化函数在对应波长处进行除法运算，可以将大包络消除，得到最终的时域信号。
采用宽带光源作为光纤传感器的输入信号，当对传感器光谱进行扫描时，不同的时间点扫描至不同的波长，因此每个波长上的光谱上包含有不同时间点的动态信号信息，通过扫描得到的光谱纹波进行拟合，得到光纤传感器的静态光谱，然后采用差分算法，将光谱波纹中非动态信号减去，获得差值信号，由于传感器在不同波长处对同样幅值的动态信号的响应光强不同，导致解调出的动态信号幅值包含有光纤传感器光谱相应函数信息，通过获得光纤传感器的光谱变化函数，并将差值信号与光纤传感器光谱变化函数进行归一化处理，获得去包络后差值信号能真实反映动态信号的幅值。
以下结合实施例提供的基于长周期光栅的声波传感器，进一步阐述本发明；本发明实施例的光纤声波传感装置的结构如图3所示，包括宽带光源1、PET膜片2、长周期光栅3、光谱仪4、光谱数据处理5、扬声器6、信号发生器7；宽带光源1与长周期光栅3相连，长周期光栅3被拉直固定在PET膜片2上；长周期光栅3的输出端与光谱仪4相连接；光谱仪4记录的传感器光谱数据由光谱数据处理5按照本发明所述解调算法进行处理；扬声器6固定在距离PET膜片2距离一定的固定位置上，并与信号发生器7相连接。
具体地，实施例中，长周期光栅3与宽带光源1以及光谱仪4之间利用FC/APC光纤接头通过法兰盘对接。
长周期光栅3被固定在起声学换能作用的PET膜片2上，并保持拉直状态；当声波作用于PET膜片2时会引起薄膜的振动，从而对固定于薄膜上的长周期光栅3的曲率产生周期性的调制。
下面结合实施例对上述光纤声波传感及解调方法的原理进行阐述。
宽带光源1发出的光进入到固定在PET膜片2上的长周期光栅3，当光信号通过长周期光栅3时，由于有纤芯模耦合到包层模，导致在长周期光栅的谐振波长处出现损耗峰；由长周期光栅3出射的光信号进入光谱仪4，并由光谱仪4记录下长周期光栅3的光谱数据。信号发生器7可产生单频正弦信号，并驱动扬声器6产生单频正弦声波。
当外界声波作用于该传感器时会导致声学换能薄膜的振动，薄膜振动会对固定于薄膜上的长周期光栅的曲率产生周期性的动态调制，且调制频率与声频相同，进而导致其损耗峰处光强度发生变化。当光谱仪通过扫描方式记录长周期光栅在响应声波信号时的光谱时，由于不同波长处的信号是在不同的时间点记录下的，而在不同的时间点由于声波对长周期光栅的动态曲率调制导致其光谱处在不同位置，因此一周期扫描之后形成的光谱会显示出周期性的纹波。通过对光谱纹波进行洛伦兹拟合得到长周期光栅的静态光谱，并将光谱纹波与长周期光栅的静态光谱做差分运算，获得差值信号，通过扫描速度和起始波长将波长换算为时间，可以得到解调出的时域动态信号。
由于长周期光栅的光谱在响应相同强度的动态信号变化时，不同的波长处强度变化量不同，因此对同一声波信号的响应会在不同的时间有不同的幅值，即解调信号被一个包络调制。通过对光谱纹波的极值进行搜寻，并将极大值点与极小值点分别进行洛伦兹拟合得到光谱的上边缘包络曲线与下边缘包络曲线，将两条边缘包络曲线在相同波长处做差分，可得到在由于光谱变化在波长上的不一致性产生的包络，即获得光谱变化函数，通过将差值信号与光谱变化函数进行除法运算可以消除掉加载在解调时域动态信号上的包络。
由于本方法基于纹波光谱与其自身拟合曲线的差分算法，当环境变化导致长周期光栅的静态光谱发生变化时，在响应动态信号时产生的带有纹波的光谱与其自身拟合出的曲线经历了相同的光谱变化，因此差分运算可以消除诸如温度、湿度等环境干扰。
本发明实施例中，当200Hz正弦声波信号作用于传感器时，光谱仪记录下的光谱纹波及拟合出的上下边缘包络曲线如图4所示；通过极大值搜寻公式和极小值搜寻公式找出的极大值与极小值如图5所示；通过差分算法与扫描速度解调出的时域信号(去除包络前与去除包络后)如图6所示；当传感器外界环境参数发生变化时，响应相同的200Hz声波信号时所记录的光谱纹波及根据本发明所述算法解调出的时域信号如图7所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于光谱拟合与差分算法的光纤传感动态信号解调方法，其特征在于，采用宽带光源作为光纤传感器的输入信号，包括如下步骤：
(1)对光纤传感器输出的光信号从起始波长到终止波长进行扫描获得光谱纹波；
(2)对所述光谱纹波进行拟合获得光纤传感器的静态光谱；
(3)将所述光谱纹波与所述静态光谱进行差分处理，获得差值信号；
(4)根据扫描速度和所述起始波长将所述差值信号从波长域转化为时间域，获得时间域的动态信号。
2.如权利要求1所述的光纤传感动态信号解调方法，其特征在于，在步骤(4)之前且在步骤(3)之后，还包括以下步骤：
(a)获得所述光谱纹波的极大值点和极小值点；
(b)对所有所述极大值点进行拟合得到上边缘包络曲线，对所有所述极小值点进行拟合得到下边缘包络曲线；
(c)将所述上边缘包络曲线和所述下边缘包络曲线进行差分处理，得到光纤传感器光谱变化函数；
(d)将所述差值信号与所述光纤传感器光谱变化函数进行归一化处理获得去包络后差值信号。
3.如权利要求2所述的光纤传感动态信号解调方法，其特征在于，所述步骤(d)根据公式进行归一化处理获得去包络后差值信号；
式中，ΔS(λi)为差值信号在第i个波长处的光强，Sw(λi)为光纤传感器光谱变化函数，ΔSq(λi)为去包络后差值信号在第i个波长处的光强，λ1为起始波长，λn终止波长，λi为第i个波长。
4.如权利要求1所述的光纤传感动态信号解调方法，其特征在于，所述步骤(4)根据公式将差值信号波长域从波长域转化为时间域，获得时间域动态信号；
式中，V为扫描速度，ΔS(ti)为时间域的动态信号在第i个时间点ti的强度，ΔS(λi)为差值信号在第i个波长λi的光强，λ1为起始波长，λn终止波长，λi为第i个波长。
5.如权利要求1至4任一项所述的光纤传感动态信号解调方法，其特征在于，所述步骤(2)对光谱波纹进行拟合时根据光纤传感器类型确定拟合函数。
6.如权利要求1至4任一项所述的光纤传感动态信号解调方法，其特征在于，所述起始波长和所述终止波长、所述扫描速度与扫描时波长分辨率根据动态信号的频率确定。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7623790B2 (en) * | 2005-09-24 | 2009-11-24 | Alcatel-Lucent Usa Inc. | Signal identification method |
| CN102928003A (zh) * | 2012-10-31 | 2013-02-13 | 西安交通大学 | 一种具有实时参考的光纤光栅解调系统 |
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| CN104316089A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-01-28 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种botdr空间分辨率提升方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7623790B2 (en) * | 2005-09-24 | 2009-11-24 | Alcatel-Lucent Usa Inc. | Signal identification method |
| US8395763B2 (en) * | 2009-09-16 | 2013-03-12 | Photon Kinetics, Inc. | Method of testing a passive optical element |
| CN102928003A (zh) * | 2012-10-31 | 2013-02-13 | 西安交通大学 | 一种具有实时参考的光纤光栅解调系统 |
| CN104316089A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-01-28 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种botdr空间分辨率提升方法 |
| CN104535094A (zh) * | 2015-01-14 | 2015-04-22 | 华北电力大学（保定） | 一种脉冲光的光纤布里渊谱拟合方法 |
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