CN107655504B - 基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法，其步骤如下：一，基于光纤法布里‑珀罗可调谐滤波器解调法搭建光纤光栅传感器解调系统并将经光电转换后的中心波长反射谱信号进行模拟数字转换；二，采用一阶滞后滤波平滑采集到的数字信号，从而使信号的波形更加的平整；三，基于自适应阈值的限幅滤波滤除脉冲干扰，从而提高解调的精度；四，利用滤波后的结果解调光纤光栅传感器，并比较验证滤波效果；通过以上步骤，本发明实现了一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法，能够高效准确的滤除光纤解调系统中的脉冲干扰，解决了在实际使用过程中光纤解调系统精度低的问题，便于在实际工程中的应用。
Description
技术领域
本发明提供名称为“基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法”，即“一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法”,通过设置根据实际数据变化的双阈值，能够高效准确的滤除光纤解调系统中的脉冲干扰，其目的是提高光纤解调系统的精度，以适应实际应用中结构健康监测的需求。此外，本发明所述方法有利于光纤传感器在实际工程领域的推广应用，属于结构健康监测技术领域。
背景技术
光纤传感器可对其布贴局部区域的应力应变进行实时监测，且具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、本征无源、易维护、重量轻、耐腐蚀等优点，使其在各种大型机电、石油化工、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中得到越来越广泛的应用。
常用的滤波方法有加权平均值滤波、滑动平均值滤波等方法，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光栅反射谱信号造成一定的影响。
基于以上现状和问题，本发明一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的法，通过设置根据实际数据变化的双阈值，能够高效准确的滤除光纤解调系统中的脉冲干扰，其目的是提高光纤解调系统的精度，以适应实际应用中结构健康监测的需求，在结构健康监测领域有很强的工程实用性，便于实际应用。
发明内容
(一)本发明的目的是：
本发明一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法，通过设置根据实际数据变化的双阈值，能够高效准确的滤除光纤解调系统中的脉冲干扰，其目的是提高光纤解调系统的精度，有利于光纤光栅传感器在实际工程领域的推广应用，便于对结构进行健康监测。
(二)其具体技术方案如下：
本发明一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法，其具体步骤如下：
步骤一，基于光纤法布里-珀罗可调谐滤波器解调法搭建光纤光栅传感器解调系统并将经光电转换后的中心波长反射谱信号进行模拟数字转换(Analog to digitalconversion即ADC)；
步骤二，采用一阶滞后滤波平滑采集到的数字信号，从而使信号的波形更加的平整；
步骤三，基于自适应阈值的限幅滤波滤除脉冲干扰，从而提高解调的精度
步骤四，利用滤波后的结果解调光纤光栅传感器，并比较验证滤波效果；
其中，在步骤一中所述的“光纤法布里-珀罗可调谐滤波器”是指一种由两块平行的玻璃板组成的多光束滤波器，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率，特性为当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率；所述的“基于光纤法布里-珀罗可调谐滤波器解调法”是指在使用光纤法布里-珀罗可调谐滤波器的基础上对光纤进行解调的方法。
其中，在步骤一中所述的“基于光纤法布里-珀罗可调谐滤波器解调法搭建光纤光栅传感器解调系统并将经光电转换后的中心波长反射谱信号进行模拟数字转换(Analogto digital conversion即ADC)”；其作法如下：选择型号为EDF-MP980的光纤传感器，采用光纤法布里-珀罗可调谐滤波器解调法，将宽带光源的光通过F-P腔，经过光耦合器后分为两路光，第一路光进入光纤光栅传感器，另外一路光进入光梳状滤波器。第一路光的反射信号经过光耦合器的输出。通过测量光梳状滤波器的透射光和光纤光栅反射光，并经过计算，并可以得到光纤光栅反射光的波长，实现光纤光栅传感器的解调。
其中，在步骤二中所述的“一阶滞后滤波”，是指将之前的数据与当前的数据利用函数进行计算，从而达到滤除干扰波形的作用。
其中，在步骤二中所述的“采用一阶滞后滤波平滑采集到的数字信号”；其作法如下：利用如下公式平滑波形：
Y(t)＝(1-α)X(t)+αX(t-1)
其中α是一阶滞后滤波器系数；Y(t)表示滤波效果；X(t)表示检测到的电压数字信号；X(t-1)表示上一次的检测值。
其中，在步骤三中所述的“基于自适应阈值的限幅滤波滤除脉冲干扰”；其作法如下：自适应阈值滤波使用了两种阈值，分别为光纤光栅反射谱峰的宽度阈值和峰值判断阈值，峰值判断阈值为ε(m)，用来判断峰是否存在，光纤光栅反射谱峰的宽度阈值为
用来判断峰的真实性。
其中，在步骤四中所述的“利用滤波后的结果解调光纤光栅传感器，并比较验证滤波效果”；其作法如下：搭建光纤光栅解调仪光路与电路硬件平台进行试验的验证。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。然后对光纤光栅传感器进行解调，对比滤波前后的解调结果，验证本发明所述方法在滤除光纤光栅解调系统中脉冲干扰中的作用。
通过以上步骤，本发明实现了一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法，能够高效准确的滤除光纤解调系统中的脉冲干扰，解决了在实际使用过程中光纤解调系统精度低的问题，便于在实际工程中的应用。
(三)本发明的优点在于：
本发明一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法，能够滤除光纤解调系统中的脉冲干扰，从而提高解调系统的精度，实现方式简单，无复杂算法，适用性和可操作性强，与其他滤波方法相比，本发明最大程度上保护了原始光纤光栅反射谱信号，对脉冲干扰和反射谱信号的分辨率高，并且基于自适应的双阈值设置，能够更准确的滤除脉冲干扰。
附图说明
图1本发明所述方法流程图。
图2光开关级联模块示意图。
图3不采取滤波得到的解调结果。
图4本发明所述滤波方法后得到的解调结果。
图中序号、符号、代号说明如下：
图2中：“ε(m+1)”为pm+1的阈值；“Y(t)”为滤波效果；“pm”为光纤光栅反射谱的峰值；“τ(m)”为pm的宽度；“tm”为峰值开始的时刻；“t′m”为峰值结束的时刻；“Tm”为展宽的开始时刻；“T′m”为展宽的终止时刻。
具体实施方式
本发明一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法，见图1所示，其具体步骤如下：
步骤一，基于光纤法布里-珀罗可调谐滤波器解调法搭建光纤光栅传感器解调系统并将经光电转换后的中心波长反射谱信号进行模拟数字转换(Analog to digitalconversion即ADC)
选择型号为EDF-MP980的光纤传感器，采用光纤法布里-珀罗可调谐滤波器解调法，将宽带光源的光通过F-P腔，经过光耦合器后分为两路光，第一路光进入光纤光栅传感器，另外一路光进入光梳状滤波器。第一路光的反射信号经过光耦合器的输出。通过测量光梳状滤波器的透射光和光纤光栅反射光，并经过计算，并可以得到光纤光栅反射光的波长，实现光纤光栅传感器的解调。利用上述方法搭建解调系统，将经光电转换后的中心波长反射谱信号进行模拟数字转换，得到反射谱的数字信号。
步骤二，一阶滞后滤波器通过抑制原始信号中的随机噪声和脉冲噪声来平滑反射谱数字信号，可以通过下面的公式实现：Y(t)＝(1-α)X(t)+αX(t-1)
其中α是一阶滞后滤波器系数；Y(t)表示滤波效果；X(t)表示检测到的电压数字信号；X(t-1)表示上一次的检测值。
步骤三，自适应阈值滤波使用了两种阈值，分别为光纤光栅反射谱峰的宽度阈值和峰值判断阈值，峰值判断阈值为ε(m)，用来判断峰是否存在，光纤光栅反射谱峰的宽度阈值为
用来判断峰的真实性。假设p1，p2，…，pm，…，pn(n∈N*)是光纤光栅反射谱的峰值，以pm为例计算pm+1的自适应阈值，如图2所示；
如果一阶滞后滤波器的值大于ε(m)则峰是存在的，而峰值宽度小于
的是脉冲信号。也就是说，只有当一阶滞后滤波器的值大于ε(m)并且峰值宽度比
大峰值可以作为反射谱的真正的峰。
ε(m)定义如下:
其中ε(m+1)是pm+1的阈值，Y(t)时一阶滞后的结果，tm是峰值开始的时刻；t′m是峰值结束的时刻。
当Y(t)≥ε(m+1)，说明pm+1被检测出了但是不能判断它的真实性，
由如下公式定义用来找到真实的峰:
其中
是pm+1的宽度阈值，τ(m)是pm的宽度，γ是安全裕量，γ∈(0，1)。
当
峰值被认为是真的，否则将被视为脉冲干扰。
步骤四，搭建光纤光栅解调仪光路与电路硬件平台进行试验的验证。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。分别使用滤波前后的数字信号进行光纤光栅的解调，不进行滤波得到的解调结果如图3所示，其结果受到脉冲干扰的影响较为明显；反之，采取本发明所述滤波方法后得到的解调结果如图4所示，其结果的精度有明显上升，说明本发明所述方法对光纤光栅传感器解调系统中的脉冲干扰有很好的滤除作用。
Claims (3)
1.一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法，其特征在于：其具体步骤如下：
步骤一，基于光纤法布里-珀罗可调谐滤波器解调法搭建光纤光栅传感器解调系统并将经光电转换后的中心波长反射谱信号进行模拟数字转换即ADC；
步骤二，采用一阶滞后滤波平滑采集到的数字信号，从而使信号的波形更加的平整；
步骤三，基于自适应阈值的限幅滤波滤除脉冲干扰，从而提高解调的精度；
步骤四，利用滤波后的结果解调光纤光栅传感器，并比较验证滤波效果；
在步骤一中所述的“光纤法布里-珀罗可调谐滤波器”，是指一种由两块平行的玻璃板组成的多光束滤波器，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率，特性为当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率；所述的“基于光纤法布里-珀罗可调谐滤波器解调法”是指在使用光纤法布里-珀罗可调谐滤波器的基础上对光纤进行解调的方法；
在步骤一中所述的“基于光纤法布里-珀罗可调谐滤波器解调法搭建光纤光栅传感器解调系统并将经光电转换后的中心波长反射谱信号进行模拟数字转换即ADC”；其作法如下：选择型号为EDF-MP980的光纤光栅传感器，采用光纤法布里-珀罗可调谐滤波器解调法，将宽带光源的光通过F-P腔，经过光耦合器后分为两路光，第一路光进入光纤光栅传感器，另外一路光进入光梳状滤波器；第一路光的反射信号经过光耦合器的输出；通过测量光梳状滤波器的透射光和光纤光栅反射光，并经过计算，得到光纤光栅反射光的波长，实现光纤光栅传感器的解调；
在步骤二中所述的“采用一阶滞后滤波平滑采集到的数字信号”；其作法如下：利用如下公式平滑波形：
Y(t)＝(1-α)X(t)+αX(t-1)
其中α是一阶滞后滤波器系数；Y(t)表示滤波效果；X(t)表示检测到的电压数字信号；X(t-1)表示上一次的检测值；
在步骤三中所述的“基于自适应阈值的限幅滤波滤除脉冲干扰”；其作法如下：自适应阈值滤波使用了两种阈值，分别为光纤光栅反射谱峰的宽度阈值和峰值判断阈值，峰值判断阈值为ε(m)，用来判断峰是否存在，光纤光栅反射谱峰的宽度阈值为φ(m)，用来判断峰的真实性；假设p1，p2，…，pm，…，pn是光纤光栅反射谱的峰值，n∈N*，计算pm+1的自适应阈值；如果一阶滞后滤波器的值大于ε(m)则峰是存在的，而峰值宽度小于φ(m)的是脉冲信号；也就是说，只有当一阶滞后滤波器的值大于ε(m)并且峰值宽度大于φ(m)时，才算检测到真正的峰；
ε(m)定义如下:
其中ε(m+1)是pm+1的阈值，Y(t)是一阶滞后的结果，tm是峰值开始的时刻；t′m是峰值结束的时刻；
当Y(t)≥ε(m+1)，说明pm+1被检测出了但是不能判断它的真实性，φ(m)由如下公式定义用来找到真实的峰:
其中φ(m+1)是pm+1的宽度阈值，τ(m)是pm的宽度，γ是安全裕量，γ∈(0，1)；“Tm”为展宽的开始时刻；“T′m”为展宽的终止时刻；当τ(m+1)≥φ(m+1),峰值被认为是真的，否则将被视为脉冲干扰。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法，其特征在于：在步骤二中所述的“一阶滞后滤波”，是指将之前的数据与当前的数据利用函数进行计算，从而达到滤除干扰波形的作用。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应阈值的滤除光纤解调系统中脉冲干扰的方法，其特征在于：在步骤四中所述的“利用滤波后的结果解调光纤光栅传感器，并比较验证滤波效果”；其作法如下：搭建光纤光栅解调仪光路与电路硬件平台进行试验的验证；使用的FPGA板型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702，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；然后对光纤光栅传感器进行解调，对比滤波前后的解调结果，验证本发明所述方法在滤除光纤光栅传感器解调系统中脉冲干扰中的作用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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