CN108303196B - 全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测方法及其系统，其中方法包括以下步骤：对光纤光栅反射光谱功率信号进行采样，得到等时间间隔的采样数据；对采样数据进行等间隔抽样，并对抽样数据进行前向差分，通过差分结果的符号变化判断光栅反射峰的底部和顶部的粗略位置；若顶部功率与底部功率之差大于等于预设的峰高门限，则该峰为光栅反射峰；根据光栅反射峰顶部附近的采样数据计算反射峰的峰顶功率；对峰顶功率进行衰减得到动态阈值，将该动态阈值与反射峰采样数据长波长方向的交点对应的时间作为前沿时间，根据前沿时间算出前沿波长；根据前沿波长计算区域的实时温度。本发明可有效辨析波长该变量并真实反映区域实际温度变化。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅数字解调，尤其涉及一种全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测方法及其系统。
背景技术
光纤光栅传感器在温度监测领域具有广泛的应用，目前产品均为不同波长的光纤光栅串联形成传感阵列，但这一方法受限于解调仪表的波长范围。例如解调仪表波长范围为40nm，则最多仅能承载20个不同波长的光纤光栅传感器。在实际应用中，如油罐、隧道等火灾监测系统，通常都是需要大范围区域温度监测，采用逐点光纤光栅传感器面临传感范围和传感器密度双重受限难题。
为解决上述难题，期望用一台光纤光栅解调器可以测量更多的传感器，全同光纤光栅区域温度监测方案应运而生。全同光纤光栅就是选取一系列同一温度下中心波长相同的多个光纤光栅串联，一个监测区域采用同一波段的光纤光栅温度传感器，使传感距离有了成倍增加，在油罐、隧道等火灾监测领域具备了与分布式光纤传感技术相匹敌的成本优势。但由于全同光纤光栅的中心波长的重叠，如何辨析波长改变量及换算温度是该技术的难点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中采用全同光纤光栅时，由于中心波长的重叠，无法有效辨析波长该变量及进行温度换算的缺陷，提供一种可有效辨析波长该变量及进行温度换算的全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测方法及其系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测方法，包括以下步骤：
对光纤光栅反射光谱功率信号进行采样，得到等时间间隔的采样数据；
对所述采样数据进行等间隔抽样，并对抽样数据进行前向差分，通过差分结果的符号变化判断光栅反射峰的底部和顶部的粗略位置；
若顶部功率与底部功率之差大于等于预设的峰高门限，则该峰为光栅反射峰；
根据光栅反射峰顶部附近的采样数据计算反射峰的峰顶功率；
对峰顶功率进行衰减得到动态阈值，将该动态阈值与反射峰采样数据长波长方向的交点对应的时间作为前沿时间，根据前沿时间算出前沿波长；
根据前沿波长计算区域的实时温度。
本发明所述的方法中，步骤根据光栅反射峰顶部附近的采样数据计算反射峰的峰顶功率具体为：对光栅反射峰顶部附近的采样数据的时间进行功率加权平均，得到反射峰顶部的精确时间，再通过该精确时间计算峰顶功率。
本发明还提供一种全同光纤光栅数字化解调及温度区域监测系统，包括：
信号采样模块，用于对光纤光栅反射光谱功率信号进行采样，得到等时间间隔的采样数据；
光栅反射峰粗判模块，用于对所述采样数据进行等间隔抽样，并对抽样数据进行前向差分，通过差分结果的符号变化判断光栅反射峰的底部和顶部的粗略位置，若顶部功率与底部功率之差大于等于预设的峰高门限，则该峰为光栅反射峰；
光栅反射峰精算模块，用于根据光栅反射峰顶部附近的采样数据计算反射峰的峰顶功率；
前沿波长计算模块，用于对峰顶功率进行衰减得到动态阈值，将该动态阈值与反射峰采样数据长波长方向的交点对应的时间作为前沿时间，根据前沿时间算出前沿波长；
区域温度测算模块，用于根据前沿波长计算区域的实时温度。
本发明所述的系统中，光栅反射峰精算模块具体用于：对光栅反射峰顶部附近的采样数据的时间进行功率加权平均，得到反射峰顶部的精确时间，再通过该精确时间计算峰顶功率。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，包括可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序具体执行上述技术方案的全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测方法。
本发明产生的有益效果是：本发明将光栅反射峰顶功率衰减一定dB作为动态阈值的方法解调全同光纤光栅，避免了由于光栅反射光谱功率变化导致的解调误差。每个光栅反射峰均有各自的动态阈值，仅受自身峰顶功率的影响，避免由于所有光栅反射峰使用相同阈值导致的相互影响的问题。另外，本发明对采样数据进行抽样的方法，提高了光栅反射峰粗判的效率，避免了由于密集的采样数据的抖动导致光栅反射峰误判的问题以及由于光栅反射旁瓣导致的反射峰误判问题。本发明还使用全同光纤光栅前沿波长来计算对应区域的实时温度，避免了使用全同光纤光栅中心波长无法真实反映区域实际温度变化的问题。
进一步地，本发明对光栅反射峰顶部附近的采样数据的时间进行功率加权平均，对采样数据滤波的同时得到反射峰顶部的精确时间，从而得到准确而稳定的峰顶功率，避免了直接使用最大的采样值作为峰顶功率会受采样误差影响而发生较大抖动的问题。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的全同光纤光栅动态阈值方法示意图；
图3是本发明实施例全同光纤光栅数字化解调及温度区域监测系统的结构示意图；
图4是本发明提供的全同光纤光栅AD采样光谱图；
图5是本发明提供的全同光纤光栅抽样光谱图。
图6是本发明实施例提供的区域2传感器加热至50℃时的AD采样光谱图；
图7是本发明实施例提供的各区域的温度监测图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测方法包括以下步骤：
S101、对光纤光栅反射光谱功率信号进行采样，得到等时间间隔的采样数据；
S102、对所述采样数据进行等间隔抽样；对采样数据进行抽样的方法，提高了光栅反射峰粗判的效率，避免了由于密集的采样数据的抖动导致光栅反射峰误判的问题以及由于光栅反射旁瓣导致的反射峰误判问题。
S103、对抽样数据进行前向差分；
S104、通过差分结果的符号变化判断光栅反射峰的底部和顶部的粗略位置；如果差分结果的符号从正变为负，可以确定是光栅反射峰的顶部；如果差分结果的符号从负变为正，可以确定是光栅反射峰的底部。
S105、判断顶部功率P顶部与底部功率P低部之差是否大于等于峰高门限；
S106、若顶部功率与底部功率之差小于预设的峰高门限，则继续判断抽样数据是否都处理完，若是，则重新开始下一周期的采样；若否，则转入步骤S103。
若顶部功率与底部功率之差大于等于预设的峰高门限，则该峰为光栅反射峰，可进一步处理；否则，判断抽样数据是否处理完。可根据光栅反射峰顶部附近的采样数据计算反射峰的峰顶功率；本发明的一个实施例中，S107、可对光栅反射峰顶部附近的N个采样数据的时间进行功率加权平均得到反射峰顶部的精确时间；S108、通过反射峰顶部的精确时间算出峰顶功率P峰顶。对光栅反射峰顶部附近的一定数量的采样数据的时间进行功率加权平均，对采样数据滤波的同时得到反射峰顶部的精确时间，从而得到准确而稳定的峰顶功率，避免了直接使用最大的采样值作为峰顶功率会受采样误差影响而发生较大抖动的问题。
S109、对峰顶功率P峰顶衰减一定dB作为动态阈值P阈值；使用光栅反射峰顶功率衰减一定dB作为动态阈值的方法解调全同光纤光栅，避免了由于光栅反射光谱功率变化导致的解调误差。每个光栅反射峰均有各自的动态阈值，仅受自身峰顶功率的影响，避免由于所有光栅反射峰使用相同阈值导致的相互影响的问题。
S110、动态阈值P阈值与反射峰采样数据长波长方向的交点对应的时间作为前沿时间t前沿；
S111、根据前沿时间算出前沿波长λ前沿，可将前沿时间t前沿代入波长线性方程λ(t)＝kt+b算出前沿波长λ前沿。
S112、根据前沿波长计算区域的实时温度T，可将前沿波长λ前沿代入温度线性方程T(λ前沿)＝(1/k光栅)*(λ前沿-λ0)+T0算出区域的实时温度T，其中k光栅为光纤光栅前沿波长随温度变化的速率，λ0为光纤光栅在温度T0下的前沿波长。本发明实施例使用全同光纤光栅前沿波长来计算对应区域的实时温度，避免了使用全同光纤光栅中心波长无法真实反映区域实际温度变化的问题。
本发明实施例全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测系统，用于实现上述方法，如图3所示，该系统包括信号采样模块10、光栅反射峰粗判模块20、光栅反射峰位置粗判模块30、前沿波长计算模块40和区域温度测算模块50，其中：
信号采样模块10，用于对光纤光栅反射光谱功率信号进行采样，得到等时间间隔的采样数据；
光栅反射峰粗判模块20，用于对所述采样数据进行等间隔抽样，并对抽样数据进行前向差分，通过差分结果的符号变化判断光栅反射峰的底部和顶部的粗略位置，若顶部功率与底部功率之差大于等于预设的峰高门限，则该峰为光栅反射峰；
光栅反射峰精算模块30，用于根据光栅反射峰顶部附近的采样数据计算反射峰的峰顶功率；本发明的一个实施例中，具体用于：对光栅反射峰顶部附近的采样数据的时间进行功率加权平均，得到反射峰顶部的精确时间，再通过该精确时间计算峰顶功率。
前沿波长计算模块40，用于对峰顶功率进行衰减得到动态阈值，将该动态阈值与反射峰采样数据长波长方向的交点对应的时间作为前沿时间，根据前沿时间算出前沿波长；
区域温度测算模块50，用于根据前沿波长计算区域的实时温度。
本发明的一个实施例中，信号采样模块10利用AD转换器采样光纤光栅反射光谱功率信号，得到一系列等时间间隔的AD采样数据，单周期采样数据的个数为2000，AD采样光谱图如图4所示。光源带宽为40nm，故每两个采样数据相差40nm/2000＝20pm。光栅反射峰粗判模块20对信号采样模块10的采样数据进行等间隔抽样，抽样光谱图如图5所示。由于使用的光栅反射峰3dB带宽大于等于200pm，反射峰3dB带宽内的采样数据个数大于等于200pm/20pm＝10，故每隔8个AD采样数据抽取一次可使反射峰3dB带宽内的抽样个数大于等于10/8≈1，保证在反射峰3dB带宽内始终可以寻到反射峰顶部的粗略位置，并且光栅反射峰底部持续时间较长，始终可以寻到反射峰底部的粗略位置。而光栅反射旁瓣由于比较窄，底部持续时间较短，带宽小于120pm，采样数据小于120pm/20pm＝6，故每隔8个AD采样数据抽取一次可使光栅反射旁瓣的抽样个数小于6/8≈1，不满足反射峰至少由3个点构成的条件即不可能通过差分的方式被认为是光栅反射峰。如果不使用抽样方式，而直接使用2000个点的AD采样数据，光栅反射旁瓣将有可能会被误判为光栅反射峰。由于系统噪声高度小于8dB，故使用8dB作为峰高门限。对抽样数据进行前向差分，通过差分结果的符号变化判断光栅反射峰的底部和顶部的粗略位置。如果顶部功率P顶部与底部功率P低部之差大于等于峰高门限8dB，则可以判断这确实是光栅反射峰，而不是干扰噪声。
光栅反射峰精算模块30对光栅反射峰粗判模块20得出的光栅反射峰顶部附近的(抽样间隔*2+1)即17个AD采样数据的时间进行功率加权平均得到反射峰顶部的精确时间t峰顶(如公式1所示)，通过反射峰顶部的精确时间t峰顶附近的3个AD采样数据功率平均算出峰顶功率P峰顶(如公式2所示)。
前沿波长计算模块40对P峰顶衰减5dB作为动态阈值P阈值，动态阈值P阈值与反射峰AD采样数据长波长方向的交点对应的时间作为前沿时间t前沿，将前沿时间代入波长线性方程λ(t)＝0.02t+1530算出前沿波长λ前沿。如图2所示，原始的光栅反射光谱功率信号的两个反射峰的动态阈值分别为P阈值11和P阈值21，对应的前沿时间分别为t前沿1和t前沿2；衰减后的光栅反射光谱功率信号的两个反射峰的动态阈值分别为P阈值12和P阈值22，对应的前沿时间依然分别为t前沿1和t前沿2。由此可见，光栅反射光谱功率虽然发生变化，由于使用了动态阈值方法，解调的前沿时间并没有任何改变。而且光栅反射光谱功率信号的两个反射峰使用独立的动态阈值，仅受自身峰顶功率的影响，避免由于所有光栅反射峰使用相同阈值导致的相互影响的问题。
区域温度测算模块50根据前沿波长算出区域的实时温度T，可将前沿波长λ前沿代入温度线性方程T(λ前沿)＝(1/k光栅)*(λ前沿-λ0)+T0算出区域的实时温度T，其中k光栅＝10pm/℃为光纤光栅前沿波长随温度变化的速率，λ0为光纤光栅在温度T0＝20℃下的前沿波长，λ0是已知的，不同的光纤光栅具有各自的λ0。。本发明的一个实施例中，环境温度为15℃，将区域2的一个光纤光栅温度传感器加热至50℃时，AD采样光谱图如图6所示。各区域的温度监测如图7所示，区域2的实时温度从15℃上升至50℃，真实反映了区域温度变化的情况。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
对光纤光栅反射光谱功率信号进行采样，得到等时间间隔的采样数据；
对所述采样数据进行等间隔抽样，并对抽样数据进行前向差分，通过差分结果的符号变化判断光栅反射峰的底部和顶部的粗略位置；
若顶部功率与底部功率之差大于等于预设的峰高门限，则该峰为光栅反射峰；
根据光栅反射峰顶部附近的采样数据计算反射峰的峰顶功率；
对峰顶功率进行衰减得到动态阈值，将该动态阈值与反射峰采样数据长波长方向的交点对应的时间作为前沿时间，根据前沿时间算出前沿波长；
根据前沿波长计算区域的实时温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤根据光栅反射峰顶部附近的采样数据计算反射峰的峰顶功率具体为：对光栅反射峰顶部附近的多个采样数据的时间进行功率加权平均，得到反射峰顶部的精确时间，再通过该精确时间计算峰顶功率。
3.一种全同光纤光栅数字化解调及区域温度监测系统，其特征在于，包括：
信号采样模块，用于对光纤光栅反射光谱功率信号进行采样，得到等时间间隔的采样数据；
光栅反射峰粗判模块，用于对所述采样数据进行等间隔抽样，并对抽样数据进行前向差分，通过差分结果的符号变化判断光栅反射峰的底部和顶部的粗略位置，若顶部功率与底部功率之差大于等于预设的峰高门限，则该峰为光栅反射峰；
光栅反射峰精算模块，用于根据光栅反射峰顶部附近的采样数据计算反射峰的峰顶功率；
前沿波长计算模块，用于对峰顶功率进行衰减得到动态阈值，将该动态阈值与反射峰采样数据长波长方向的交点对应的时间作为前沿时间，根据前沿时间算出前沿波长；
区域温度测算模块，用于根据前沿波长计算区域的实时温度。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，光栅反射峰精算模块具体用于：对光栅反射峰顶部附近的采样数据的时间进行功率加权平均，得到反射峰顶部的精确时间，再通过该精确时间计算峰顶功率。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序具体执行如权利要求1所述的方法。
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