CN110260898B - 抗干扰的光栅波长解调方法及系统 - Google Patents

抗干扰的光栅波长解调方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗干扰的光栅波长解调方法及系统，其中方法包括步骤：采集光谱数据，进行光谱寻峰；推算光栅个数；根据各个光栅的设定波长范围，推算每个光栅对应的波峰横轴位置区间；对于一次采样，如在相应的波峰位置区间内，只有一个波峰，将此波峰作为光栅的波峰；若不只一个波峰，选择峰值最高的那个波峰作为波峰；若没有任何波峰，选择前面某一次或后面某一次采集的光谱数据中此区间内的波峰作为光栅的波峰。如果不容易设定光栅的波长范围，就用波峰相距邻近条件代替多峰条件，用波峰相距较远条件代替缺峰条件。本发明可提高解调的抗干扰能力，增强稳定性。

Description

抗干扰的光栅波长解调方法及系统
技术领域
本发明涉及光栅波长解调领域，尤其涉及一种抗干扰的光栅波长解调方法及系统。
背景技术
光栅传感在近几十年内有较快发展，在许多光栅传感系统中，采用数字解调波长的方法，根据光谱数据解调光栅波长，然后利用波长来做其他应用，波长解调是其中一个重要的基础环节。但光栅由于受到某些干扰，导致光谱曲线中，偶尔出现某些光栅存在一个以上的波峰或者对应的波峰缺失，从而引起系统异常。
要抵抗这些干扰，可以采用物理方法，但器件工艺控制难度增大，同时物料成本提高，而本发明的重点是利用数学方法，零物料成本解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于光栅传感信号在受到干扰时如何采用零物料成本的数学方法进行解调。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种抗干扰的光栅波长解调方法，包括以下步骤：
采集光谱数据，进行光谱寻峰；
根据寻峰结果推算光栅个数；
根据各个光栅的波长范围，推算每个光栅对应的波峰横轴位置区间；
若推算出每个光栅对应的波峰横轴位置区间，对于一次采样，如果在相应的波峰位置区间内，只有一个波峰，将此波峰作为光栅的波峰；若不只一个波峰，选择峰值最高的那个波峰作为波峰；若没有任何波峰，选择前面某一次或后面某一次采集的光谱数据中此区间的波峰作为光栅的波峰；
若无法推算出个光栅对应的波峰横轴位置区间，则根据波长范围的长度进行判断波峰是否过多或者缺失：
若相邻两个波峰邻近，则合并两个波峰，邻近的判定条件为：
Tj-1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,且abs(Tj.Pi-Tj-1.Pi)<Si,且abs(Tj.Pi+1-Tj-1.Pi)<Si；
或者Tj+1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,且abs(Tj.Pi-Tj+1.Pi)<Si,且abs(Tj.Pi+1-Tj+1.Pi)<Si；
其中，Tj.Pi为第j次采集的光栅i的波峰横轴位置，Si为光栅i的波峰横轴位置的移动范围长度；
若相邻两个波峰相距较远，将Tj-1.Pi或者Tj+1.Pi插补到Tj中，将插补的峰位置作为Tj这次采样时光栅i的峰位置，相距较远的判定条件为：
Tj-1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj-1.Pi>Tj.Pi-1；
或者Tj+1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj+1.Pi>Tj.Pi-1。
接上述技术方案，该方法还包括步骤：存储处理后的波峰位置，作为历史数据参考。
接上述技术方案，该方法还包括步骤：根据波峰位置，计算光栅波长。
本发明还提供了一种抗干扰的光栅波长解调系统，包括：
采集寻峰模块，用于采集光谱数据，进行光谱寻峰；
光栅个数推算模块，用于根据寻峰结果推算光栅个数；
波峰横轴位置区间计算模块，用于根据各个光栅的波长范围，推算每个光栅对应的波峰横轴位置区间；
第一解调模块，用于在能够推算出每个光栅对应的波峰横轴位置区间的情况下，对于一次采样，如果在相应的波峰位置区间内，只有一个波峰，将此波峰作为光栅的波峰；若不只一个波峰，选择峰值最高的那个波峰作为波峰；若没有任何波峰，选择前面某一次或后面某一次采集的光谱数据中此区间的波峰作为光栅的波峰；
第二解调模块，用于在无法推算出个光栅对应的波峰横轴位置区间的情况下，则根据波长范围的长度进行判断波峰是否过多或者缺失：
若相邻两个波峰邻近，则合并两个波峰，邻近的判定条件为：
Tj-1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,且abs(Tj.Pi-Tj-1.Pi)<Si,且abs(Tj.Pi+1-Tj-1.Pi)<Si；
或者Tj+1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,且abs(Tj.Pi-Tj+1.Pi)<Si,且abs(Tj.Pi+1-Tj+1.Pi)<Si；
其中，Tj.Pi为第j次采集的光栅i的波峰横轴位置，Si为光栅i的波峰横轴位置的移动范围的长度；
若相邻两个波峰相距较远，将Tj-1.Pi或者Tj+1.Pi插补到Tj中，将插补的峰位置作为Tj这次采样时光栅i的峰位置，相距较远的判定条件为：
Tj-1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj-1.Pi>Tj.Pi-1；
或者Tj+1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj+1.Pi>Tj.Pi-1。
接上述技术方案，该系统还包括存储模块，用于存储处理后的波峰位置，作为历史数据参考。
接上述技术方案，该系统还包括波长计算模块，用于根据波峰位置，计算光栅波长。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述抗干扰的光栅波长解调方法的步骤。
本发明产生的有益效果是：本发明通过在不同的判定条件下对光谱数据进行临峰合并、缺峰增补，可提高解调的抗干扰能力，增强稳定性。
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是多个光栅对应的波峰横轴位置范围；
图2是本发明实施例抗干扰的光栅波长解调方法流程图；
图3是一组光栅的两次采样的光谱数据图像，上方是没有受到明显干扰时的数据图像，下方是受到某些干扰时的数据图像；
图4是一组光栅的两次采样的光谱数据图像，上方是没有受到明显干扰时的数据图像，下方是受到某些干扰时的数据图像；
图5是本发明实施例抗干扰的光栅波长解调系统结构示意图。
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。
光栅波长数字解调时，在光谱曲线中，正常情况下，一个光栅和一个波峰一一对应，由于每个光栅有其特定的波长范围，所以每个光栅的波峰横轴位置应该在特定的范围内(一组光栅内的两个不同光栅，它们的波长范围是应该不相交的)，这个范围可以根据实际情况设定或推算。但当严重干扰出现时，光谱曲线中就会偶尔出现某些光栅对应的波峰不是一个,而是多个或零个。这些干扰会使系统出现异常。
光栅有其特定的波长范围，在编组时，组内不同光栅的波长范围是不相交的。当光栅受到激励时，波长会发生变化，光谱图中对应的波峰横轴位置也就变化，由于不同光栅的波长范围不相交，所以，对应的波峰位置的范围也不相交。如图1所示，光栅1对应的波峰横轴位置范围是[P1.b,P1.e]，光栅2对应的波峰横轴位置范围是[P2.b,P2.e]，…当第i个光栅受到激励时，其波峰横轴位置就会在范围[Pi.b，Pi.e]中移动，令Si＝Pi.e–Pi.b。
本发明实施例的抗干扰的光栅波长解调方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、采集光谱数据，进行光谱寻峰；
S2、根据寻峰结果推算光栅个数；
S3、是否容易设定各个光栅的波长范围？是否容易由具体使用场景决定和选择的光栅而定。
S4、如果容易设定各个光栅的波长范围，则根据波长范围推算波峰横轴位置区间；
S5、对于一次采样，如果在相应的波峰位置区间内，只有一个波峰，将此波峰作为光栅的波峰；若不只一个波峰，选择峰值最高的那个波峰作为波峰；若没有任何波峰，选择前面某一次或后面某一次采集的光谱数据中此区间的波峰作为光栅的波峰；
S6、如果不容易设定各个光栅的波长范围，则根据波长范围的长度进行判断波峰是否过多或者缺失：
若相邻两个波峰邻近，则合并两个波峰，邻近的判定条件为：
Tj-1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,且abs(Tj.Pi-Tj-1.Pi)<Si,且abs(Tj.Pi+1-Tj-1.Pi)<Si；
或者Tj+1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,且abs(Tj.Pi-Tj+1.Pi)<Si,且abs(Tj.Pi+1-Tj+1.Pi)<Si；
其中，Tj.Pi为第j次采集的光栅i的波峰横轴位置，Si为光栅i的波峰横轴位置的移动范围；
若相邻两个波峰相距较远，将Tj-1.Pi或者Tj+1.Pi插补到Tj中，将插补的峰位置作为Tj这次采样时光栅i的峰位置，相距较远的判定条件为：
Tj-1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj-1.Pi>Tj.Pi-1；
或者Tj+1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj+1.Pi>Tj.Pi-1。
本发明的一个较佳实施例中，抗干扰的光栅波长解调方法包括以下步骤：
1.较短时间内的多次(以采集10次光谱数据为例)AD采样后，得到多次光谱数据，用光谱数据寻峰后，这10次波峰横轴位置依次记为
T1:{P1,P2,…}；
T2:{P1,P2,…}；
…
T10{P1,P2,…}
记这10次得到的波峰数依次为C1,C2…,C10
2.推算光栅数：求数列{C1,C2,…C10}的众数C，C就是可能的光栅数。
将这C个光栅依次记为G1,G2…
3.如果容易设定各个光栅的波长范围，也就是说容易得到各个光栅对应的波峰横轴位置的区间[P1.b,P1.e],[P2.b,P2.e]…
(1)对于一次采样，如果在波峰位置区间[Pi.b,Pi.e]内，只有一个波峰，将此波峰作为光栅Gi的波峰即可。
(2)如果区间[Pi.b,Pi.e]，不只一个波峰，就选择最高的那个波峰作为光栅Gi的波峰。
(3)如果区间[Pi.b,Pi.e],没有任何波峰，就选择前面某一次(或后面某一次)光谱数据中此区间的那个波峰作为光栅Gi的波峰。
4.如果不容易设定各个光栅的波长范围，但此时通常是容易设定波长范围的长度的，也就是说可以设定{S1，S2,…}
(1)区间[Pi.b,Pi.e]内不止一个波峰，等价于Tj.Pi和Tj.Pi+1邻近，和图3相似，就可以合并这两个峰。取这两个峰中的高峰位置作为Tj这次采样时光栅Gi的峰位置。
波峰相距邻近判定条件如下：
·Tj-1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,并且abs(Tj.Pi-Tj-1.Pi)<Si,并且abs(Tj.Pi+1-Tj-1.Pi)<Si
·或者Tj+1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,并且abs(Tj.Pi-Tj+1.Pi)<Si,并且abs(Tj.Pi+1-Tj+ 1.Pi)<Si
(2)区间[Pi.b,Pi.e]内没有任何波峰，等价于Tj.Pi和Tj.Pi-1较远,和图4相似，就可以将Tj-1.Pi(或者Tj+1.Pi)插补读到Tj中，将插补的峰位置作为Tj这次采样时光栅Gi的峰位置。
波峰相距较远的判定条件如下：
·Tj-1.Pi-Tj.Pi>Si,并且Tj.Pi>Tj-1.Pi>Tj.Pi-1
·或者Tj+1.Pi-Tj.Pi>Si,并且Tj.Pi>Tj+1.Pi>Tj.Pi-1
(3)如果不是上面两种情况，就直接将Tj.Pi作为Tj这次采样时光栅Gi的峰位置。
可以理解的是，上面只是给出了一种波峰相距邻近和相距较远的判定方法，实际可能不止这一种方法，可以根据具体情况采用不同的方法。
该方法还包括步骤：
5.存储处理后的波峰位置，以供以后参考。
6.根据波峰位置，计算光栅波长。
图3是一组光栅的两次采样的光谱数据图像，上方是没有受到明显干扰时的数据图像，下方是受到某些干扰时的数据图像。其中一个光栅(竖线标记带内)在受到干扰时，出现两个波峰，如果还把波峰序号作为光栅序号，那么就会出现错位现象，误把下方图中的第10个波峰(圆圈标记)和上方图像中的第10个波峰(圆圈标记)都当作第10个光栅的波峰，导致P10的位置改变量明显超出S10.实际上这是错误的，应该将上方图中第9个波峰横轴邻域内的下方图中的两个波峰合并成1个。
图4是一组光栅的两次采样的光谱数据图像，上方是没有受到明显干扰时的数据图像，下方是受到某些干扰时的数据图像。其中一个光栅(竖线标记带内)在受到干扰时，波峰丢死，如果还把波峰序号作为光栅序号，那么就会出现错位现象，误把下方图中的第5个波峰(圆圈标记)和上方图像中的第5个波峰(圆圈标记)都当作第5个光栅的波峰，导致P5的位置改变量明显超出S5.实际上这是错误的，应该将上方图中第5个波峰横轴位置插补到下方图像。
可见通过本发明的光栅波长解调方法可以实现抗干扰的解调。
本发明还提供了一种抗干扰的光栅波长解调系统，如图5所示，包括：
采集寻峰模块，用于采集光谱数据，进行光谱寻峰；
光栅个数推算模块，用于根据寻峰结果推算光栅个数；
波峰横轴位置区间计算模块，用于根据各个光栅的波长范围，推算每个光栅对应的波峰横轴位置区间；
第一解调模块，用于在能够推算出每个光栅对应的波峰横轴位置区间的情况下，对于一次采样，如果在相应的波峰位置区间内，只有一个波峰，将此波峰作为光栅的波峰；若不只一个波峰，选择峰值最高的那个波峰作为波峰；若没有任何波峰，选择前面某一次或后面某一次采集的光谱数据中此区间的波峰作为光栅的波峰；
第二解调模块，用于在无法推算出个光栅对应的波峰横轴位置区间的情况下，则根据波长范围的长度进行判断波峰是否过多或者缺失：
若相邻两个波峰邻近，则合并两个波峰，邻近的判定条件为：
Tj-1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,且abs(Tj.Pi-Tj-1.Pi)<Si,abs(Tj.Pi+1-Tj-1.Pi)<Si；
或者Tj+1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,并且abs(Tj.Pi-Tj+1.Pi)<Si,并且abs(Tj.Pi+1-Tj+1.Pi)<Si；
其中，Tj.Pi为第j次采集的光栅i的波峰横轴位置，Si为光栅i的波峰横轴位置的移动范围；
若相邻两个波峰相距较远，将Tj-1.Pi或者Tj+1.Pi插补到Tj中，将插补的峰位置作为Tj这次采样时光栅i的峰位置，相距较远的判定条件为：
Tj-1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj-1.Pi>Tj.Pi-1；
或者Tj+1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj+1.Pi>Tj.Pi-1。
进一步地，该系统还包括存储模块，用于存储处理后的波峰位置，作为历史数据参考。
进一步地，该系统还包括波长计算模块，用于根据波峰位置，计算光栅波长。
本发明还保护一种计算机可读存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述抗干扰的光栅波长解调方法的步骤。
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 (7)

1.一种抗干扰的光栅波长解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集光谱数据，进行光谱寻峰；
根据寻峰结果推算光栅个数；
根据设定的各个光栅的波长范围，若能推算出每个光栅对应的波峰横轴位置区间，对于一次采样，如果在相应的波峰位置区间内，只有一个波峰，将此波峰作为光栅的波峰；若不只一个波峰，选择峰值最高的那个波峰作为波峰；若没有任何波峰，选择前面某一次或后面某一次采集的光谱数据中此区间的波峰作为光栅的波峰；
若无法推算出光栅对应的波峰横轴位置区间，则根据波长范围的长度进行判断波峰是否过多或者缺失：
若相邻两个波峰邻近，则合并两个波峰，邻近的判定条件为：
Tj-1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,且abs(Tj.Pi-Tj-1.Pi)<Si,abs(Tj.Pi+1-Tj-1.Pi)<Si；
或者Tj+1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,并且abs(Tj.Pi-Tj+1.Pi)<Si,并且abs(Tj.Pi+1-Tj+1.Pi)<Si；
其中，Tj.Pi为第j次采样的光栅i的波峰横轴位置，Si为光栅i的波峰横轴位置的移动范围长度；
若相邻两个波峰相距较远，将Tj-1.Pi或者Tj+1.Pi插补到Tj中，将插补的峰位置作为Tj这次采样时光栅i的峰位置，相距较远的判定条件为：
Tj-1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj-1.Pi>Tj.Pi-1；
或者Tj+1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj+1.Pi>Tj.Pi-1。
2.根据权利要求1所述的抗干扰的光栅波长解调方法，其特征在于，该方法还包括步骤：存储处理后的波峰位置，作为历史数据参考。
3.根据权利要求1所述的抗干扰的光栅波长解调方法，其特征在于，该方法还包括步骤：根据波峰位置，计算光栅波长。
4.一种抗干扰的光栅波长解调系统，其特征在于，包括：
采集寻峰模块，用于采集光谱数据，进行光谱寻峰；
光栅个数推算模块，用于根据寻峰结果推算光栅个数；
波峰横轴位置区间计算模块，用于根据各个光栅的波长范围，推算每个光栅对应的波峰横轴位置区间；
第一解调模块，用于在能够推算出每个光栅对应的波峰横轴位置区间的情况下，对于一次采样，如果在相应的波峰位置区间内，只有一个波峰，将此波峰作为光栅的波峰；若不只一个波峰，选择峰值最高的那个波峰作为波峰；若没有任何波峰，选择前面某一次或后面某一次采集的光谱数据中此区间的波峰作为光栅的波峰；
第二解调模块，用于在无法推算出个光栅对应的波峰横轴位置区间的情况下，则根据波长范围的长度进行判断波峰是否过多或者缺失：
若相邻两个波峰邻近，则合并两个波峰，邻近的判定条件为：
Tj-1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,且abs(Tj.Pi-Tj-1.Pi)<Si,且abs(Tj.Pi+1-Tj-1.Pi)<Si；
或者Tj+1.Pi+1-Tj.Pi+1>Si+1,且abs(Tj.Pi-Tj+1.Pi)<Si,且abs(Tj.Pi+1-Tj+1.Pi)<Si；
其中，Tj.Pi为第j次采集的光栅i的波峰横轴位置，Si为光栅i的波峰横轴位置的移动范围；
若相邻两个波峰相距较远，将Tj-1.Pi或者Tj+1.Pi插补到Tj中，将插补的峰位置作为Tj这次采样时光栅i的峰位置，相距较远的判定条件为：
Tj-1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj-1.Pi>Tj.Pi-1；
或者Tj+1.Pi-Tj.Pi>Si,且Tj.Pi>Tj+1.Pi>Tj.Pi-1。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，该系统还包括存储模块，用于存储处理后的波峰位置，作为历史数据参考。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，该系统还包括波长计算模块，用于根据波峰位置，计算光栅波长。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1-3中任一项所述的抗干扰的光栅波长解调方法的步骤。
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