CN107560645A - 一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，步骤如下：一，搭建光纤布拉格光栅解调系统硬件平台；二，实时读取AD采样的值并进行一阶滞后滤波；三，设定一个阈值，并实时读取一阶滞后滤波的结果；四，记下此时该范围中的最大值并设为DATA_MAX及其相应的位置记为NUM_MAX；五，初始化所有参数，继续实时寻找峰值，直至关闭解调系统，结束寻峰方法。通过以上步骤，本发明实现了对光纤布拉格光栅波长解调过程中的峰值位置和数值的寻找，达到了实时寻峰、程序化实现等目标，解决了实际应用中由于寻峰方法的复杂性而影响到光纤布拉格光栅传感器解调的精度和速度的问题。
Description
技术领域
本发明提供一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，它涉及一种光纤布拉格光栅传感器波长解调系统中寻找光纤布拉格光栅传感器反射谱信号峰值的方法,属于结构健康监测技术领域。
背景技术
光纤布拉格光栅传感器以其绝缘性能好、抗电磁干扰、质量轻等多方面优势，被广泛应用于军事、航天航空、大型工矿企业、大型基础建筑工程等领域。光纤布拉格光栅传感器通过施加外力时中心波长随之产生线性变化的原理对被测基体所受的应力、温度等进行实时测量。所以，光纤布拉格光栅传感器中心波长的解调是该种传感器应用和推广的前提与基础。
光纤布拉格光栅解波长调中，寻峰算法是解调的核心内容之一。只有寻找传感器反射光谱峰值所在的位置，才能实现中心波长的解调。现今光纤布拉格光栅解调方法中的寻峰方法均较为复杂，需要占用较大的运算资源，并且程序实现较为困难。所以，一种简单的、占用资源少且易于实现的寻峰方法是目前光纤布拉格光栅传感器波长解调亟待解决的问题。基于以上现状和问题，本发明提出一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法。
发明内容
(一)本发明的目的是：
针对光纤布拉格光栅传感器波长解调中传感器反射谱峰值寻找方法复杂，运算资源消耗率高和难以代码实现等缺陷，提出一种简洁的寻峰方法，该寻峰方法以其简单、占用运算资源少、容易程序实现等优点，能对光纤布拉格光栅传感器反射光谱进行实时寻峰，并得到峰值位置，从而提高光纤布拉格光栅波长解调的速度以及精度。
(二)其具体技术方案如下：
本发明一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，其具体步骤如下：
步骤一，搭建光纤布拉格光栅解调系统硬件平台，使用现场可编程逻辑门阵列(即“FPGA”)进行高速模拟-数字转换(即：AD采集)，采集由光路系统提供的光纤布拉格光栅传感器反射光谱经光电转换后的电信号；
步骤二，实时读取AD采样的值并进行一阶滞后滤波；为了降低噪声对传感器反射光谱的影响，对实时采样的数据使用一阶滞后滤波法进行滤波；
步骤三，设定一个阈值，并实时读取一阶滞后滤波的结果；当采样值刚大于该阈值时，假定有峰值产生，并实时记录此时的位置和数据值；继续读取一阶滞后滤波结果，若数据值大于以前数据的最大值，对最大值和位置进行实时更新；
步骤四，当一阶滞后结果刚小于阈值时，认为此时已经寻找到峰值，峰值为滤波结果从刚开始大于阈值到刚开始小于阈值范围内所有数据的最大值及其对应的位置；记下此时该范围中的最大值并设为DATA_MAX及其相应的位置记为NUM_MAX；
步骤五，初始化所有参数，继续实时寻找峰值，直至关闭解调系统，结束寻峰方法。
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“光纤布拉格光栅解调系统”，是指能对光纤布拉格光栅传感器中心波长进行解调的系统，该系统能根据光纤布拉格光栅传感器的性质，实时获取传感器的中心波长数值。
其中，在步骤一中所述的“搭建光纤布拉格光栅解调系统硬件平台，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“实时读取AD采样的值并进行一阶滞后滤波”，是指为了降低噪声对传感器反射光谱的影响，对实时采样的数据使用一阶滞后滤波法进行滤波；一阶滞后滤波方法的实现如下所示：
yn＝(1-α)xn+α·xn-1
其中，α为一阶滞后的系数，代表了滤波的程度以及滞后的程度。yn为滤波后的值，xn为当前时刻的采样值，xn-1为上一时刻的值；
其中，在步骤三中所述的“设定一个阈值”，其具体做法为：根据反射谱信号的最高电压值的大小确定阈值，判断是否有峰值产生：
Δ＝Vmax/3
Δ为阈值，Vmax为反射谱信号最高电压值，也即峰值；取峰值的1/3作为阈值，用于判断峰值是否产生。
其中，在步骤四中所述的“DATA_MAX”，是指滤波结果从刚开始大于阈值到刚开始小于阈值范围内所有数据的最大值；所述的“NUM_MAX”是指DATA_MAX所对应的位置，是寻峰方法需要得到的结果；
其中，在步骤五中所述的“初始化所有参数，继续实时寻找峰值”，其作法如下：将峰值信息传递到波长解调模块后，初始化阈值、DATA_MAX、NUM_MAX、一阶滞后滤波方法各参数等，然后转到步骤二继续进行寻峰。
通过以上步骤，实现了对光纤布拉格光栅波长解调过程中的峰值位置和数值的寻找，达到了实时寻峰、程序化实现等目标，解决了实际应用中由于寻峰方法的复杂性而影响到光纤布拉格光栅传感器解调的精度和速度的问题。
本发明的优点在于：
1、本发明所述寻峰方法实现方式简洁，有利于实际应用。
2、本发明所述寻峰方法占用运算资源少，在实际应用中具有低功耗的特点，有利于该方法的推广应用。
3、与其他寻峰方法相比，本发明所述方法更有利于程序实现，可实现寻峰方法的高实时性，有利于提高光纤布拉格光栅传感器波长解调的速度和精度。
附图说明
图1本发明所述方法流程图。
图2本发明寻峰过程示意图。
图中序号、符号、代号说明如下：
图2中：“DATA_MAX”，是指滤波结果从刚开始大于阈值到刚开始小于阈值范围内所有数据的最大值，“NUM_MAX”是指DATA_MAX所对应的位置
具体实施方式
本发明一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，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，实时读取AD采样的值并进行一阶滞后滤波。为了降低噪声对传感器反射光谱的影响，对实时采样的数据使用一阶滞后滤波法进行滤波。一阶滞后滤波算法的实现如下所示：
yn＝(1-α)xn+α·xn-1
其中，α为一阶滞后的系数，代表了滤波的程度以及滞后的程度。yn为滤波后的值，xn为当前时刻的采样值，xn-1为上一时刻的值。
步骤三，寻峰过程如图2所示，设定一个阈值，并实时读取一阶滞后滤波的结果。当采样值刚大于该阈值时，假定有峰值产生，并实时记录此时的位置和数据值。继续读取一阶滞后滤波结果，若数据值大于以前数据的最大值，对最大值和位置进行实时更新。
步骤四，当一阶滞后结果刚小于阈值时，认为此时已经寻找到峰值，峰值为滤波结果从刚开始大于阈值到刚开始小于阈值范围内所有数据的最大值及其对应的位置。记下此时该范围中的最大值并设为DATA_MAX及其相应的位置记为NUM_MAX；
步骤五，初始化所有参数，继续实时寻找峰值。将峰值信息传递到波长解调模块后，初始化阈值、DATA_MAX、NUM_MAX、一阶滞后滤波方法各参数等，若解调系统未关闭，寻峰过程未结束，则转到步骤二继续进行寻峰，若解调系统关闭，则寻峰过程结束。
Claims (8)
1.一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，其特征在于：其具体步骤如下：
步骤一，搭建光纤布拉格光栅解调系统硬件平台，使用现场可编程逻辑门阵列即“FPGA”进行高速模拟-数字转换即AD采集，采集由光路系统提供的光纤布拉格光栅传感器反射光谱经光电转换后的电信号；
步骤二，实时读取AD采样的值并进行一阶滞后滤波；为了降低噪声对传感器反射光谱的影响，对实时采样的数据使用一阶滞后滤波法进行滤波；
步骤三，设定一个阈值，并实时读取一阶滞后滤波的结果；当采样值刚大于该阈值时，假定有峰值产生，并实时记录此时的位置和数据值；继续读取一阶滞后滤波结果，若数据值大于以前数据的最大值，对最大值和位置进行实时更新；
步骤四，当一阶滞后结果刚小于阈值时，认为此时已经寻找到峰值，峰值为滤波结果从刚开始大于阈值到刚开始小于阈值范围内所有数据的最大值及其对应的位置；记下此时该范围中的最大值并设为DATA_MAX及其相应的位置记为NUM_MAX；
步骤五，初始化所有参数，继续实时寻找峰值，直至关闭解调系统，结束寻峰方法；
通过以上步骤，实现了对光纤布拉格光栅波长解调过程中的峰值位置和数值的寻找，达到了实时寻峰、程序化实现等目标，解决了实际应用中由于寻峰方法的复杂性而影响到光纤布拉格光栅传感器解调的精度和速度的问题。
2.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，其特征在于：
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。
3.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“光纤布拉格光栅解调系统”，是指能对光纤布拉格光栅传感器中心波长进行解调的系统，该系统能根据光纤布拉格光栅传感器的性质，实时获取传感器的中心波长数值。
4.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“搭建光纤布拉格光栅解调系统硬件平台，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。
5.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“实时读取AD采样的值并进行一阶滞后滤波”，是指为了降低噪声对传感器反射光谱的影响，对实时采样的数据使用一阶滞后滤波法进行滤波；一阶滞后滤波方法的实现如下所示：
yn＝(1-α)xn+α·xn-1
其中，α为一阶滞后的系数，代表了滤波的程度以及滞后的程度；yn为滤波后的值，xn为当前时刻的采样值，xn-1为上一时刻的值。
6.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“设定一个阈值”，其具体做法为：根据反射谱信号的最高电压值的大小确定阈值，判断是否有峰值产生：
Δ＝Vmax/3
Δ为阈值，Vmax为反射谱信号最高电压值，也即峰值；取峰值的1/3作为阈值，用于判断峰值是否产生。
7.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，其特征在于：
在步骤四中所述的“DATA_MAX”，是指滤波结果从刚开始大于阈值到刚开始小于阈值范围内所有数据的最大值；所述的“NUM_MAX”是指DATA_MAX所对应的位置，是寻峰方法需要得到的结果。
8.根据权利要求1所述的一种光纤布拉格光栅传感器波长解调寻峰方法，其特征在于：
在步骤五中所述的“初始化所有参数，继续实时寻找峰值”，其作法如下：将峰值信息传递到波长解调模块后，初始化阈值、DATA_MAX、NUM_MAX、一阶滞后滤波方法各参数，然后转到步骤二继续进行寻峰。
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