CN108548548A - 基于密集全同光栅分区传感的解调方法 - Google Patents

基于密集全同光栅分区传感的解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明所设计的基于密集全同光栅分区传感的解调方法，它包括如下步骤：步骤1：确定密集全同光栅的分区光谱阈值；步骤2：得到密集全同光栅的分区光谱在满足分区光谱阈值条件下，波长最大处所对应的位置；步骤3：获取待测温度Ti下密集全同光栅的分区光谱与所述分区光谱阈值的交叉点，该交叉点对应位置即为待测温度Ti下密集全同光栅的分区光谱前沿位置λi，计算前沿位置的变化量Δλi；步骤4：解调温度；该方法能有效的解决使用寻峰算法解调在分区光谱上的应用误差和在不规则光谱上的限制，提高了温度解调精度。

Description

基于密集全同光栅分区传感的解调方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体地指一种基于密集全同光栅分区传感的解调方法。
技术背景
基于密集全同光栅的传感网络不仅具备光纤布拉格光栅FBG(Fiber BraggGrating)的优点(具有抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、体积小、重量轻、传输损耗小、可实现多点分布式测量、测量范围广等)，同时基于密集光栅的传感网络系统采用分区光谱拼接实现对区域内每个光栅变化都能够响应，提高了光纤传感器的空间分辨率。同时将整个分区的光栅作为一个整体计算分区光谱，提高了解调速度。
基于FBG的中心波长即Bragg波长与其经受的应变或温度的关系，理论上，FBG的反射光谱呈高斯分布，反射值在中心波长处的幅值最大，因此一种常见的温度解调方法就是寻找反射谱曲线的峰值确定FBG中心波长，通过中心波长的偏移量解调温度。
但基于分区时分型光栅阵列光纤线型感温系统框图如图1所示。在光栅间距很小的情况下，由于脉宽的限制一个分区光栅的反射光谱会发生混叠，无法解析出单个光栅的光谱，采用分区解调的方法提高光栅传感的空间分辨率，结合WDM(Wavelength DivisionMultiplexing)技术，同一分区内为间距很小的密集全同光栅，相邻分区光栅中心波长不同，因此相邻分区不会发生混叠。把一个分区内的密集光栅看作一个整体进行测温，一个分区的光栅反射信号相互混叠，虽然我们无法解调出单个光栅的光谱，但是将区域内反射光谱的和作为整区光谱，可以通过整区光谱的变化解调温度。
分区光谱与单光栅反射光谱特性有所不同，密集光栅分区光谱可以看作分区内几十个光栅的光谱包络，在整个分区处于同一温度条件下分区光谱宽度不会变化，光谱随着温度的变化整体飘移(如图2)；若分区内部分光栅温度发生变化，其他光栅温度保持不变的情况下，以升温为例，分区光谱谱型由于部分光栅的光谱发生偏移，整体包络从光谱展宽到分离出两个波峰(如图3)。由于分区光谱随温度变化的情况有多种情况，使用寻峰算法的温度解调方法容易发生误判不再适用，此外在实际应用中，由于密集光栅分区内每个光栅不是严格的全同光栅，分区内几十个光栅的光谱相互叠加，同时存在较大的相互干涉影响，造成分区光谱波形锯齿严重，光谱波动较剧烈，为提高波长解调的精度，就不能采用寻峰算法得到的光谱峰值来进行波长解调。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于密集全同光栅分区传感的解调方法，该方法能有效的解决使用寻峰算法解调在分区光谱上的应用误差和在不规则光谱上的限制，提高了温度解调精度。同样能够解调出分区内任意光栅温度变化，提高了系统的空间分辨率。
为实现此目的，本发明所设计的一种基于密集全同光栅分区传感的解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：确定密集全同光栅的分区光谱阈值，该分区光谱阈值用于滤除密集全同光栅的分区光谱中的噪声和旁瓣，密集全同光栅的分区光谱阈值根据公式[maxd＝d0，d1d，d3]确定，其中，d0为密集全同光栅的分区光谱噪声值、d1为密集全同光栅的旁瓣值、d3为单密集全同光栅受热情况下飘出峰值；
步骤2：得到密集全同光栅的分区光谱在满足分区光谱阈值条件下，波长最大处所对应的位置，具体方法为，在任意选定温度T0下密集全同光栅的分区光谱与所述分区光谱阈值的交叉点，即为本步骤中任意选定温度T0下所述波长最大处所对应的位置，定义该位置为任意选定温度T0下密集全同光栅的分区光谱初始前沿位置λ0；
步骤3：获取待测温度Ti下密集全同光栅的分区光谱与所述分区光谱阈值的交叉点，该交叉点对应位置即为待测温度Ti下密集全同光栅的分区光谱前沿位置λi，计算前沿位置的变化量Δλi；
Δλi＝λi-λ0
步骤4：解调温度，前沿位置的变化量Δλi与温度变化量ΔTi之间的关系满足线性关系，确定该线性关系的斜率K，通过如下公式，计算得到待测温度Ti；
ΔTi＝K*Δλi
Ti＝T0+ΔTi。
本发明所设计的应用于密集光栅分区光谱温度解调的方法，通过实验观察到分区光谱前沿对温度变化的响应规律，滤除噪声和旁瓣影响选取合适的阈值，确定光谱前沿的波长值后，根据前沿波长的变化确定温度变化。
由于分区光谱由分区内多个光栅反射光谱干涉和叠加而成，分区光谱的峰值在分区内单光栅受热的情况下基本没有变化(如图3)，此外采用前沿位置变化解调温度忽略了分区光谱前半部分的形状，因此该方法能有效的解决使用寻峰算法解调在分区光谱上的应用误差和在不规则光谱上的限制，提高了温度解调精度。同样能够解调出分区内任意光栅温度变化，提高了系统的空间分辨率。
附图说明
图1为现有分区时分型光栅阵列光纤线型感温系统框图；
图2为密集光纤光栅分区光谱分区一致温度下光谱变化；
图3为密集光纤光栅分区光谱部分光栅升温的光谱变化；
图4为温度解调流程图；
图5为阈值选取范围示意图；
图6为前沿位置获取示意图；
图7为具体实施例的光谱图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的基于密集全同光栅分区传感的解调方法，如图4～6所示，它包括如下步骤：
步骤1：确定密集全同光栅的分区光谱阈值，该分区光谱阈值用于滤除密集全同光栅的分区光谱中的噪声和旁瓣，密集全同光栅的分区光谱阈值根据公式[maxd＝d0，d1d，d3]确定，其中，d0为密集全同光栅的分区光谱噪声值、d1为密集全同光栅的旁瓣值、d3为单密集全同光栅受热情况下飘出峰值(阈值的选取关乎温度解调的精度，阈值要求能够滤除分区光谱的噪声和旁瓣，根据不同分区光谱噪声与旁瓣的大小选取阈值。如图5所示，对同一个分区光谱而言，阈值确定后在解调过程中不能更改)；
步骤2：得到密集全同光栅的分区光谱在满足分区光谱阈值条件下，波长最大处所对应的位置，具体方法为，在任意选定温度T0下密集全同光栅的分区光谱与所述分区光谱阈值的交叉点，即为本步骤中任意选定温度T0下所述波长最大处所对应的位置，定义该位置为任意选定温度T0下密集全同光栅的分区光谱初始前沿位置λ0(将即为初始前沿位置(T0,λ0)作为标定，如图6中前沿点1)；
步骤3：获取待测温度Ti下密集全同光栅的分区光谱与所述分区光谱阈值的交叉点，该交叉点对应位置即为待测温度Ti下密集全同光栅的分区光谱前沿位置λi(如图6中前沿点2)，计算前沿位置的变化量Δλi，为了减少误差可选取多次前沿变化量的均值；
Δλi＝λi-λ0
步骤4：解调温度，具体方法为前沿位置的变化量Δλi与温度变化量ΔTi之间的关系满足线性关系，确定该线性关系的斜率K，通过如下公式，计算得到待测温度Ti；
ΔTi＝K*Δλi
Ti＝T0+ΔTi。
上述技术方案中，所述任意选定温度T0选取25℃。
以一个1m分区内有10个中心波长为1551nm光栅的密集光栅分区光谱作为实施例(如图7所示)，选取25℃时光谱前沿作为标定。
步骤一：密集全同光栅的分区光谱阈值范围为[-38.9dBm,-37.3dBm]，选取阈值为-38.7dBm；
步骤二：获取25℃下密集全同光栅的分区光谱初始前沿位置λ0＝1552.305nm；
步骤三：获取对单光栅分别加温到T1和T2温度下的分区光谱前沿位置
Δλ1＝0.2050nm
Δλ2＝0.4100nm
步骤四：根据选取光栅的光谱-温度特性K＝98℃/nm，由温度解调公式可以计算未知温度
T1＝25+98*0.2050＝45.09℃
T2＝25+98*0.4100＝65.18℃
与实际温度T1＝45℃，T2＝65℃相比解调误差小于±1％满足系统要求的解调精度。
所述步骤1获取光谱前沿的方法需要对前沿位置信息进行提取，前沿位置的提取方法还有边沿检测，边沿拟合等方法，不限于举例所用阈值与光谱交叉点作为前沿位置的方法。
所述步骤4温度调教结果在系统应用时采用实时数据的时间窗口平均值作为当前温度的解调结果。
本发明设计了一种应用于密集全同光纤光栅分区光谱的新的分区传感解调的方法，主要根据密集全同光纤光栅分区光谱在不同情况下光谱随温度变化的特点，替代光谱寻峰算法的一种新的可靠地解调算法。该算法能够解调一个分区内任意一个光栅的温度变化，有效地提高系统的空间分辨率。密集全同光栅分区光谱与单光栅的光谱特性有很大的不同，寻峰算法不再适用。此外对于形状不规则的光谱，采用寻峰算法的方法误差较大，采用前沿算法忽略了光谱形状上的误差，在分区光栅不规则光谱的情况下具备了更好的准确性与可靠性。首先根据光谱形状和噪声选取合适的阈值，根据阈值与光谱前沿的交叉点确定前沿位置，由前沿位置的差值计算温度差值即可解调温度。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种基于密集全同光栅分区传感的解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：确定密集全同光栅的分区光谱阈值，该分区光谱阈值用于滤除密集全同光栅的分区光谱中的噪声和旁瓣，密集全同光栅的分区光谱阈值根据公式[maxd＝d0，d1d，d3]确定，其中，d0为密集全同光栅的分区光谱噪声值、d1为密集全同光栅的旁瓣值、d3为单密集全同光栅受热情况下飘出峰值；
步骤2：得到密集全同光栅的分区光谱在满足分区光谱阈值条件下，波长最大处所对应的位置，具体方法为，在任意选定温度T0下密集全同光栅的分区光谱与所述分区光谱阈值的交叉点，即为本步骤中任意选定温度T0下所述波长最大处所对应的位置，定义该位置为任意选定温度T0下密集全同光栅的分区光谱初始前沿位置λ0；
步骤3：获取待测温度Ti下密集全同光栅的分区光谱与所述分区光谱阈值的交叉点，该交叉点对应位置即为待测温度Ti下密集全同光栅的分区光谱前沿位置λi，计算前沿位置的变化量Δλi；
Δλi＝λi-λ0
步骤4：解调温度，具体方法为前沿位置的变化量Δλi与温度变化量ΔTi之间的关系满足线性关系，确定该线性关系的斜率K，通过如下公式，计算得到待测温度Ti；
ΔTi＝K*Δλi
Ti＝T0+ΔTi。
2.根据权利要求1所述的基于密集全同光栅分区传感的解调方法，其特征在于：所述密集全同光栅的分区光谱为一个1m分区内有10个中心波长为1551nm光栅的密集光栅分区光谱。
3.根据权利要求2所述的基于密集全同光栅分区传感的解调方法，其特征在于：所述任意选定温度T0选取25℃。
4.根据权利要求3所述的基于密集全同光栅分区传感的解调方法，其特征在于：
步骤1：密集全同光栅的分区光谱阈值范围为[-38.9dBm，-37.3dBm]；
步骤2：获取25℃下密集全同光栅的分区光谱初始前沿位置λ0＝1552.305nm；
步骤3：获取对密集全同光栅到Ti温度下的分区光谱前沿位置；
Δλi＝0.2050nm
步骤4：前沿位置的变化量Δλi与温度变化量ΔTi之间的关系满足线性关系的斜率K＝98℃/nm，由温度解调公式可以计算未知温度
Ti＝25+98*0.2050＝45.09(℃)。
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