CN108645431A - 一种用于光纤法珀传感器腔长相关解调的拟合寻峰方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于光纤法珀传感器腔长相关解调的拟合寻峰方法，用于精确确定光楔式相关解调系统中相关干涉信号的峰值位置，获取光纤法珀传感器的腔长，其寻峰过程为：通过采样电路获取CCD线阵探测到的相关干涉信号的光强分布信息，光强和对应的位置信息以两个数列形式输出，先对相关干涉信号数据进行预处理去除基底信号，并提取预处理后的相关干涉信号的上包络点，再对其进行高斯拟合，精确确定峰值位置，解算出光纤法珀传感器的腔长。由于采用高斯拟合的方法，提高了因CCD像素单元大小与数量而被限制的分辨率，提高了光纤法珀传感器光楔式相关解调系统的腔长解算精度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于光纤法珀传感器腔长相关解调的拟合寻峰方法。
背景技术
光纤法珀传感器由于其重量轻、体积小、灵敏度高、动态响应范围大和抗电磁干扰能力强等特点，已经成为光纤传感领域的重要研究方向之一，尤其是在强电磁干扰、高温、高压等恶劣环境下的应用更是具有传统传感器无法比拟的优势。光纤法珀传感器光楔法解调系统多采用卤钨灯、LED、SLD等宽带光源，其中卤钨灯和LED，带宽较大，可产生对比度较高的相关干涉信号，但其出射光发散角较大，耦合进光纤的能量较小，致使CCD线阵的积分时间变长，解调速率变低。SLD光源，其优势在于发散角小，耦合进光纤的能量远大于卤钨灯、LED，可减小CCD的积分时间，提高解调速率。目前市场上主流的SLD光源3dB带宽以几十纳米为主，产生的相关干涉信号对比度低，影响了峰值位置的准确提取，导致解调出的光纤法珀传感器的腔长信息不精确。进一步的，通过增加光源的带宽，在一定程度上可提高相关干涉信号的对比度，有利于提高腔长解调的精确度，但由于光探测元件CCD线阵是由一系列的像素单元线性排列构成的，具有离散性，其固有的像素单元尺寸限制了CCD线阵的分辨率，因此，即使增加光源带宽，仍然难以解决腔长信息的精确解调问题。
发明内容
针对CCD线阵像素单元尺寸对分辨率的限制和宽带光源带宽有限导致相关干涉信号对比度较低的问题，本发明提供一种用于光纤法珀传感器腔长相关解调的拟合寻峰方法，提高了光纤法珀传感器的解调精度。
为了达成上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种用于光纤法珀传感器腔长相关解调的拟合寻峰方法，是以CCD线阵探测的相关干涉信号为原始数据，将光强和对应的位置信息以两个数列形式输出，先对相关干涉信号数据进行预处理去除基底信号，并提取预处理后的相关干涉信号的上包络点，再对其进行高斯拟合，精确确定峰值位置，解算出光纤法珀传感器的腔长。
进一步的，包含以下步骤：
步骤1：获取CCD线阵探测的干涉信号原始数据；
步骤2：对原始干涉信号进行预处理，即根据聚焦照射于CCD线阵的光场空间分布的特征，使用数学模型构建无相关干涉条件下的光场空间分布，求出不同位置x处的光强值Is，进而用干涉信号各个点的光强值Iout除以对应位置的Is，将与干涉信号叠加的光源空间高斯分布基底信号去除；
步骤3：通过对预处理后的数字序列的区间单调变化方向进行判断，提取干涉信号极大值点，其构成干涉信号的上包络；
步骤4：设定阈值，截取拟合区间；
步骤5：由所选区间内的n个极大值点处的光强值yi组成n×1矩阵Y＝(y1y2y3...yn)T，其对应的位置信息组成n×1矩阵X＝(x1x2x3...xn)T，这两个矩阵构成了高斯拟合寻峰的数据；
步骤6：用高斯函数拟合数据点(xi,yi)(1≤i≤n)；
首先构造n×1单位列向量A＝(111...1)T,再对X矩阵中的每一个元素求平方，并构造n×1列向量组合3个n×1列向量组合成n×3矩阵B：
接下来对矩阵Y＝(y1y2y3...yn)T中的每一个元素代入公式Zi＝lnyi，其运算后的数据构成n×1列向量Z＝(z1z2z3...yn)T，对矩阵B求逆后左乘Z矩阵，计算后得到3×1列向量(b0,b1,b2)T，得到高斯拟合参数b0，b1，b2；
步骤7：将求得的高斯拟合参数b1，b2，代入公式和确定相关干涉信号的峰值在光楔上对应的位置xmax，并由腔长和位置信息的对应关系获得腔长L，从而确定被测物理参量。
进一步的，所述步骤4中，是将相关干涉信号强度最大值的1/2设为阈值，计算半高全宽xFWHM，以相关干涉信号强度最大值所对应的位置xpeak为中心，截取高斯拟合区间(xFWHM-xpeak,xFWHM+xpeak)。
本发明的有益效果：
1、本发明在光纤法珀传感器光楔式相关解调系统中，采用高斯函数数学模型对光源空间分布进行构建，更有利于基底信号的去除，首先通过预处理，去除了与干涉信号叠加的光源空间高斯分布基底信号，排除了基底信号峰值位置对相关干涉信号峰值位置判断的干扰，然后将干涉信号峰值半高宽度设置为阈值条件，确定了高斯拟合寻峰区间，减小了数据处理量，提高了解调算法的实时性。相比于直接提取CCD线阵探测到的峰值位置信息，本方法可以精确确定光楔法解调光纤传感器腔长的相关干涉信号峰值位置，从而突破了因CCD线阵像素单元固有尺寸而受到限制的腔长分辨率，实现了对光纤法珀传感器腔长的高精度解调。
2、本发明的方法与设备自身宽带光源的带宽没有关系，只要使用本发明的方法就可以有效提高解调精度，适用范围更广泛。
附图说明
图1为相关干涉信号采集装置示意图。
图2为高斯拟合寻峰流程图。
图3为CCD探测的原始干涉信号。
图4为预处理后的干涉信号。
图5为上包络曲线。
图6为高斯拟合寻峰效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种用于光纤法珀传感器腔长相关解调的拟合寻峰方法，其寻峰过程为：通过采样电路获取CCD线阵探测到的相关干涉信号的光强分布信息，光强和对应的位置信息以两个数列形式输出，先对相关干涉信号数据进行预处理去除基底信号，并提取预处理后的相关干涉信号的上包络点，再对其进行高斯拟合，精确确定峰值位置，解算出光纤法珀传感器的腔长信息，提高了光纤法珀传感器的解调精度。
探测装置如图1所示，准直器1出射的圆形光斑经过柱透镜2透射后，形成线性光斑，在光楔3内又发生多光束干涉，光楔下表面输出的的干涉信号光强分布信息由CCD线阵4探测接收，CCD线阵4将所探测的光信号以电信号输出，并经由AD转换模块转换为数字信号以供高斯拟合寻峰。其中光楔上表面和下表面的夹角为θ，由可知，得到xmax的值，就可以求出光楔在xmax处对应的楔厚h的值，从而得到腔长的信息，确定传感器测量物理参量。
参见图2，一种用于光纤法珀传感器腔长相关解调的拟合寻峰方法，具体包含以下步骤：
步骤1：获取CCD线阵探测的干涉信号原始数据，其相关干涉信号如图3所示；
步骤2：对原始干涉信号进行预处理，即根据聚焦照射于CCD线阵的光场空间分布的特征，使用数学模型构建无相关干涉条件下的光场空间分布，求出不同位置x的光强值Is，进而用干涉信号各个点的光强值Iout除以对应位置的Is，将与干涉信号叠加的光源空间高斯分布基底信号去除，经预处理后的相关干涉信号如图4所示；
步骤3：提取上包络点。如图5所示，通过对预处理后的数字序列的区间单调变化方向进行判断，提取干涉信号极大值点，其构成干涉信号的上包络；
步骤4：设定阈值，截取拟合区间。将相关干涉信号强度最大值的1/2设为阈值，计算半高全宽xFWHM，以相关干涉信号强度最大值所对应的位置xpeak为中心，截取高斯拟合区间(xFWHM-xpeak,xFWHM+xpeak)；
步骤5：求取高斯拟合参数。由所选区间内的n个极大值点处的光强值yi组成n×1矩阵Y＝(y1y2y3...yn)T，其对应的位置信息组成n×1矩阵X＝(x1x2x3...xn)T，这两个矩阵构成了高斯拟合寻峰的数据；
步骤6：用高斯函数拟合数据点(xi,yi)(1≤i≤n)，
首先构造n×1单位列向量A＝(111...1)T,再将X矩阵中的每一个元素平方，构造n×1列向量组合3个n×1列向量组合成n×3矩阵B：
接下来对矩阵Y＝(y1y2y3...yn)T中的每一个元素代入公式Zi＝lnyi，运算后的数据构成n×1列向量Z＝(z1z2z3...yn)T，对矩阵B求逆后左乘Z矩阵，计算后得到3×1列向量(b0,b1,b2)T，得到高斯拟合参数b0，b1，b2；
步骤7：确定腔长。将求得的高斯拟合参数b1，b2，代入公式和确定相关干涉信号的峰值在光楔上对应的位置xmax，并由腔长和位置信息的对应关系获得腔长L，从而确定被测物理参量。
参见图6，根据拟合参数绘制的高斯拟合曲线具有较好的对称性，峰值位置的确定依赖于数据整体，因此相比于直接寻峰具有更高的精度。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (3)
1.一种用于光纤法珀传感器腔长相关解调的拟合寻峰方法，其特征在于，是以CCD线阵探测的相关干涉信号为原始数据，将光强和对应的位置信息以两个数列形式输出，先对相关干涉信号数据进行预处理去除基底信号，并提取预处理后的相关干涉信号的上包络点，再对其进行高斯拟合，精确确定峰值位置，解算出光纤法珀传感器的腔长。
2.如权利要求1所述的一种用于光纤法珀传感器腔长相关解调的拟合寻峰方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：获取CCD线阵探测的干涉信号原始数据；
步骤2：对原始干涉信号进行预处理，即根据聚焦照射于CCD线阵的光场空间分布的特征，使用数学模型构建无相关干涉条件下的光场空间分布，求出不同位置x处的光强值Is，进而用干涉信号各个点的光强值Iout除以对应位置的Is，将与干涉信号叠加的光源空间高斯分布基底信号去除；
步骤3：通过对预处理后的数字序列的区间单调变化方向进行判断，提取干涉信号极大值点，其构成干涉信号的上包络；
步骤4：设定阈值，截取拟合区间；
步骤5：由所选区间内的n个极大值点处的光强值yi组成n×1矩阵Y＝(y1y2y3...yn)T，其对应的位置信息组成n×1矩阵X＝(x1x2x3...xn)T，这两个矩阵构成了高斯拟合寻峰的数据；
步骤6：用高斯函数拟合数据点(xi,yi)(1≤i≤n)；
首先构造n×1单位列向量A＝(1 1 1 ... 1)T,再对X矩阵中的每一个元素求平方，并构造n×1列向量组合3个n×1列向量组合成n×3矩阵B：
接下来对矩阵Y＝(y1y2y3...yn)T中的每一个元素代入公式Zi＝lnyi，其运算后的数据构成n×1列向量Z＝(z1z2z3...yn)T，对矩阵B求逆后左乘Z矩阵，计算后得到3×1列向量(b0,b1,b2)T，得到高斯拟合参数b0，b1，b2；
步骤7：将求得的高斯拟合参数b1，b2，代入公式和确定相关干涉信号的峰值在光楔上对应的位置xmax，并由腔长和位置信息的对应关系获得腔长L，从而确定被测物理参量。
3.如权利要求2所述的一种用于光纤法珀传感器腔长相关解调的拟合寻峰方法，其特征在于，所述步骤4中，是将相关干涉信号强度最大值的1/2设为阈值，计算半高全宽xFWHM，以相关干涉信号强度最大值所对应的位置xpeak为中心，截取高斯拟合区间(xFWHM-xpeak,xFWHM+xpeak)。
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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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