CN109506683B - 一种面向海洋环境监测的fbg光纤传感解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种面向海洋环境监测的FBG光纤传感解调系统，包括：信号输入源以及信号传感模块；还包括解调技术模块以及信号处理模块。其中，解调技术模块用于接收和解调所述信号传感模块输出的反射光信号，输出解调后的透射光信号，并将所述透射光信号转换为电信号，信号处理模块对解调技术模块输出的电信号进行采集，并通过信号处理算法，获得解调后被监测变量的信息。本系统基于可调谐光纤FP滤波器，采用了寻峰算法和自适应滤波改进算法相结合的级联算法，在硬件设施不更改的前提下，提高系统的解调精度，改善系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及海洋传感器和光纤通信领域，具体涉及一种用于海洋环境检测的FBG光纤传感器的解调系统。
背景技术
目前海洋监测的主要手段有卫星遥感、船舶浮漂等自动监测以及桩基平台固定监测等，这些都离不开海洋传感器技术，传统的物理学传感器在海洋监测中其稳定性差，成本高，大多是基于电信号的传输，通常结构较大不耐用，难以嵌入测量内部特性的结构，并且这类传感器属于局部(或点)传感器，被限制只能测量当前位置上的一种参数，不能轻易复用。另外，无法实现长期的在线预警，已经不能满足当前应用的需求。为了解决上述问题，提出了一种新型的光纤传感监测技术。光纤传感技术不仅提供了实时且远距离监测桩体结构的可能性，还能够兼顾指定参数传感或同时传感多种海底参数信息。其中功能性的传感原件，布拉格光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating，FBG)具有绝缘、抗电磁干扰以及耐水、耐腐蚀等优点，都是传统传感器无可比拟的，特别是光纤光栅在性能上更稳定、更可靠、更准确，且成本更低。
FBG传感器属于波长调制型光纤传感器，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位光栅，相当于一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当外界环境改变时，Bragg中心波长发生漂移，测量此波长的漂移量就可检测外界被测量的变化，即通过获取传感器输出信号的光谱来实现信号解调。目前限制光纤光栅传感器大量实际应用的最主要障碍就是光纤光栅传感信号的解调。使用光谱仪是解调最直接的方法，但由于光谱仪昂贵且不易携带，同时由于此类仪器并不是专门为测温、应变等所设计，因此只适合实验室研究，并不适用于现场检测。
现有技术中解调系统可分为两大块，信号解调模块以及信号处理模块。其中，信号解调模块的核心在于解调技术的选择。传统的光栅解调技术主要有匹配滤波法、非平衡马赫-曾德干涉解调法、可调谐窄带光源解调法、可调谐光纤FP(Fabry-Perot,F-P)滤波解调法等。鉴于可调谐光纤FP滤波器的灵敏度高、调谐范围大，稳定性好等，在用于海洋环境监测时选择基于此解调技术来设计。
光纤解调系统中还有一个核心模块是信号处理模块，其中信号的处理算法通常单独采用寻峰算法或者是其他的滤波算法对采集到的信号进行去噪处理以获取更加精准的光谱峰值波长。在FBG传感解调系统中，由于光路和电路都涉及到很多硬件电路模块，其解调过程中必然存在很大的噪声。结合海洋领域监测参数的精度需求，需要更加优化的信号处理模块，用于提高系统的解调精度，以获得更加精准有价值的海洋信息。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是如何优化光纤解调系统的信号解调子系统，用于提高系统的解调精度，以获得更加精准有价值的海洋信息。
为解决上述技术问题，本发明提出一种面向海洋环境监测的FBG光纤传感解调系统，包括：
信号传感子系统，包括信号输入源以及信号传感模块，其中，信号输入源用于产生系统所需的光源信号，光源信号经传输光纤进入信号传感模块，信号传感模块通过FBG传感元件采集和获取被监测变量影响而产生的反射光信号；
信号解调子系统，包括解调技术模块以及信号处理模块，其中，解调技术模块用于接收和解调所述信号传感模块输出的反射光信号，输出解调后的透射光信号，并将所述透射光信号转换为电信号，信号处理模块对解调技术模块输出的电信号进行采集，并通过寻峰算法和自适应滤波改进算法级联的信号处理算法，获得解调后被监测变量的信息。
根据本发明的一种具体实施例，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，包括程序，所述程序能够被处理器执行以实现如上所述的算法。
依据上述实施例的一种面向海洋环境监测的FBG光纤传感解调系统，基于可调谐光纤FP滤波器，采用了寻峰算法和自适应滤波改进算法相结合的级联算法，在硬件设施不更改的前提下，提高系统的解调精度，改善系统性能。
附图说明
图1为一种实施例的面向海洋环境监测的FBG光纤传感解调系统示意图；
图2为一种实施例的信号传感子系统示意图；
图3为一种实施例的信号解调子系统示意图；
图4为一种实施例的寻峰算法和自适应滤波改进算法级联示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
在本发明实施例中，一种面向海洋环境监测的FBG光纤传感解调系统基于可调谐光纤FP滤波器，采用寻峰算法和自适应滤波改进算法相结合的级联算法，在硬件设施不更改的前提下，提高系统的解调精度。
FBG光纤传感解调系统的工作原理介绍如下：参考图1-3，系统中的宽带光源发出的光经过隔离器进入耦合器，进而射入FBG传感器，在外界被监测变量的物理变化作用下，FBG传感器的反射光信号发生偏移，反射光信号经过耦合器进入可调谐光纤FP滤波器，可调谐光纤FP滤波器在驱动电压的作用下对反射回来的FBG传感器的光信号进行腔长调制。当FBG传感器反射光的波长和可调谐光纤FP滤波器的透射光波长一致时，即可探测到最大光强，光电探测将光信号转换为电信号，电信号通过信号处理模块的算法处理提取出与最大峰值对应的可调谐光纤FP滤波器驱动电压，由于驱动电压与透射光波长近似线性相关即可得到反射光波长，从而得到反射光信号偏移量，获取到被监测变量的信息。
本发明所采用的寻峰算法和自适应滤波改进算法相结合的级联算法原理介绍如下：由于FBG传感器的传感信号是反射光谱的峰值波长，基于LM(Levenberg-Marquardt,LM)算法拟合是对一般高斯拟合法的优化，通过自适应调整阻尼因子实现收敛，在进行FBG光谱信号拟合优化过程中能得到相对稳定的峰值波长解调结果。本系统所选择的自适应滤波改进算法是基于卡尔曼滤波算法的扩展，用最佳估计值替代测量值作为解调系统的输出，可减小测量误差的影响，提高系统的解调精度，同时，自适应滤波改进算法要求其测量误差模型是零均值高斯白噪声，因为系统包含光路和电路结构，其误差模型通常是非零均值的。对此，本发明中自适应滤波改进算法包括预处理算法和自适应滤波算法，以期望值代替均值，在自适应滤波改进算法的每一次循环过程中，将测量结果减去误差期望值作为算法输入的当前测量值，这样，算法迭代过程中的测量值其误差模型满足零均值高斯白噪声的条件，根据这一基本思想，通过处理一系列带有误差的光波长信息值而得到波长值的最佳估算值，提高系统的解调精度。
在本实施例中，参考图1-3，一种面向海洋环境监测的FBG光纤传感解调系统，具体包括：
信号传感子系统01，包括信号输入源11以及信号传感模块12，其中，信号输入源11用于产生系统所需的光源信号，光源信号经传输光纤进入信号传感模块12，信号传感模块12通过FBG传感元件采集和获取被监测变量影响而产生的反射光信号。
信号解调子系统02，包括解调技术模块21以及信号处理模块22，其中，解调技术模块21用于接收和解调所述信号传感模块12输出的反射光信号，输出解调后的透射光信号，并将所述透射光信号通过光电探测转换为电信号，信号处理模块22对解调技术模块21输出的电信号进行采集，并通过寻峰算法和自适应滤波改进算法级联的信号处理算法，获得解调后被监测变量的信息。
如图3所示，解调技术模块21包括可调谐光纤FP滤波器，用于接收和过滤所述信号传感模块12输出的反射光信号，所述可调谐光纤FP滤波器输出的、包含特定中心波长信息的透射光信号，再通过光电探测转换为电信号。
解调技术模块21还包括驱动电路，用于产生锯齿波电压，周期循环调制所述可调谐光纤FP滤波器的腔距。
在本实施例中，所述信号处理模块中的自适应滤波改进算法是基于卡尔曼滤波算法的扩展，在误差模型为零均值高斯白噪声前提下，用最佳估计值替代测量值作为信号解调子系统的输出，获得解调后被监测变量的信息。
参见图4，寻峰算法采用基于LM的峰值拟合算法，通过对解调后的电信号和透射光信号进行拟合优化，获得第一峰值波长信号Yk，并作为自适应滤波改进算法输入信号中的当前测量值；所述第一峰值波长信号Yk中包含非零均值高斯白噪声信号，表示为
Yk＝HkXk+dk+sk (1)
其中，对于第k次采样的一组数据，Yk是当前测量值，Xk是FBG光纤传感解调系统所监测的变量，Hk代表所监测的变量与测量值之间的关系，dk是测量噪声信号中的直流分量值，sk是零均值高斯白噪声信号。
自适应滤波改进算法包括预处理算法，用于消除第一峰值波长信号Yk中的直流分量dk，具体包括：取第k次采样前的n次采样数据，自定义阈值，未达到阈值前，n即为过去所有的测量值，达到阈值后，n取阈值，对其做滑窗平均运算，其中窗口大小即为n；得到测量噪声的均值估计dk为
其中，
表示的是第i时刻FBG光纤传感解调系统所监测的变量最佳估计值，
是第i时刻信号解调子系统解调出的峰值波长信号；令
Zk作为自适应滤波改进算法的测量值，则Zk＝HkXk+sk。
在本实施例中，如图4所示，通过寻峰算法的解调信号进行自适应滤波改进算法处理时，首先经过预处理算法，然后经过自适应滤波算法更新卡尔曼增益，从而获得变量当前的最佳估计值，随后所述当前最佳估计值再次输入至预处理算法中，用于修正当前测量值，同时作为迭代估计的输入进行下一轮的预测估计；通过迭代反馈和估计值修正，获取最优的解调输出结果，即获得被监测变量的信息。
在本实施例中，面向海洋环境监测的FBG光纤传感解调系统可以监测的变量包括温度、应变或位移，但不限于上述变量。
在本实施中，信号解调子系统02还包括存储器和处理器，其中，存储器，用于存储程序；处理器，用于通过执行所述存储器存储的程序以实现上述的算法。
本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。
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 (7)
1.一种面向海洋环境监测的FBG光纤传感解调系统，其特征在于包括：
信号传感子系统，包括信号输入源以及信号传感模块，其中，信号输入源用于产生系统所需的光源信号，光源信号经传输光纤进入信号传感模块，信号传感模块通过FBG传感元件采集和获取被监测变量影响而产生的反射光信号；
信号解调子系统，包括解调技术模块以及信号处理模块，其中，解调技术模块用于接收和解调所述信号传感模块输出的反射光信号，输出解调后的透射光信号，并将所述透射光信号转换为电信号，信号处理模块对解调技术模块输出的电信号进行采集，并通过寻峰算法和自适应滤波改进算法级联的信号处理算法，获得解调后被监测变量的信息；
所述信号处理模块中的自适应滤波改进算法是基于卡尔曼滤波算法的扩展，在误差模型为零均值高斯白噪声前提下，用最佳估计值替代测量值作为信号解调子系统的输出，获得解调后被监测变量的信息；
所述寻峰算法采用基于LM的峰值拟合算法，通过对解调后的电信号和透射光信号进行拟合优化，获得第一峰值波长信号Yk，并作为自适应滤波改进算法输入信号中的当前测量值；所述第一峰值波长信号Yk中包含非零均值高斯白噪声信号，表示为
Yk＝HkXk+dk+sk (1)
其中，对于第k次采样的一组数据，Yk是当前测量值，Xk是FBG光纤传感解调系统所监测的变量，Hk代表所监测的变量与测量值之间的关系，dk是测量噪声信号中的直流分量值，sk是零均值高斯白噪声信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述解调技术模块包括可调谐光纤FP滤波器，用于接收和过滤所述信号传感模块输出的反射光信号，所述可调谐光纤FP滤波器输出的、包含特定中心波长信息的透射光信号，再通过光电探测转换为电信号。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述解调技术模块还包括驱动电路，用于产生锯齿波电压，周期循环调制所述可调谐光纤FP滤波器的腔距。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自适应滤波改进算法包括预处理算法，用于消除第一峰值波长信号Yk中的直流分量dk，具体包括：取第k次采样前的n次采样数据，自定义阈值，未达到阈值前，n即为过去所有的测量值，达到阈值后，n取阈值，对其做滑窗平均运算，其中窗口大小即为n；得到测量噪声的均值估计
为
其中，
表示的是第i时刻FBG光纤传感解调系统所监测的变量最佳估计值，
是第i时刻信号解调子系统解调出的峰值波长信号；令
Zk作为自适应滤波改进算法的测量值，则Zk＝HkXk+sk。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述通过寻峰算法的解调信号进行自适应滤波改进算法处理时，首先经过预处理算法，然后经过自适应滤波算法，从而获得变量的当前最佳估计值，随后所述当前最佳估计值再次输入至预处理算法中，用于修正当前测量值，同时作为迭代估计的输入进行下一轮的预测估计；通过迭代反馈和估计值修正，获取解调输出结果，即获得被监测变量的信息。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述被监测变量包括温度、应变或位移。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号解调子系统还包括存储器和处理器，其中，存储器，用于存储程序；处理器，用于通过执行所述存储器存储的程序以实现信号处理算法。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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