CN110501076B - 一种基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法。该方法步骤如下：获取所测光强信息：根据时分复用光纤传感器阵列的工作原理，获得系统产生的同步脉冲信号以及光纤传感器信号的接收光强波形信息；定义一个形状函数，该形状函数是光强波形信息在理想情况下的函数形式，使同步脉冲信号曲线与光强波形信号曲线的时序关系可视化；将该形状函数的初始非零值与沿时间轴的同步脉冲信号对齐，并沿时间轴移动形状函数曲线并与传感器信号曲线作互相关运算，得到结果的最大值即为时间延时量，该过程可以通过交替进行两条曲线之间的互相关操作来完成。本发明方法处理方式简单，缩短了工作时间，同时能精确确定光纤传感器阵列的时间窗口。

Description

一种基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法。

背景技术

在过去四十年，光纤传感技术由于其一系列吸引人的优点，例如抗电磁干扰，远程检测，高灵敏度和多路复用能力等被广泛研究与应用。而在大多数实际情况中，由于成本原因，主要以阵列形式组织，而实现传感器阵列的几种最着名的技术包括波分复用(WDM)，时分复用(TDM)，频分复用(FDM)，空分复用(SDM)和相干域复用(CDM)计划。时分复用方案已被证明具有低串扰和高灵敏度，是最成功和高效的复用技术之一。在时分复用方案中，人们必须解决阵列中每个传感器的有效时间窗口问题，从而进一步解调出传感器携带的传感测量值。

崔珂等人在《一种基于FPGA的高度紧凑和高效的光纤传感器阵列的询问控制器》提出了一种基于FPGA的询问控制器的时分复用传感器阵列的高度紧凑和高效的设计。询问控制器通过引入额外的可调延迟来精确地和自适应地同步每个传感器的往返时间，并且在整个实时相位计算和相位解缠中快速检索被测量对象引起的相位信号。但是在此方案实施过程中存在着手动寻找时间延时的过程，此人工介入过程需要停下计算机的工作，耗时又耗费人力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种处理方式简单、工作时间短的基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法，从而精确确定光纤传感器阵列的时间窗口。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法，包括以下步骤：

步骤1，获取所测光强信息：根据时分复用光纤传感器阵列的工作原理，获得系统产生的同步脉冲信号以及光纤传感器信号的接收光强波形信息；

步骤2，定义一个形状函数，该形状函数是光强波形信息在理想情况下的函数形式，使同步脉冲信号曲线与光强波形信号曲线的时序关系可视化；

步骤3，将该形状函数的初始非零值与沿时间轴的同步脉冲信号对齐，并沿时间轴移动形状函数曲线并与传感器信号曲线作互相关运算，得到结果的最大值即为时间延时量。

进一步地，步骤1所述获取所测光强信息，采用基于移相信号调制的传感器阵列调制解调装置，具体如下：

(1.1)打开激光器光源，其发出的激光经过光开关SW和相位调制器PM后形成经过相位调制的激光信号；

(1.2)现场可编程门阵列芯片FPGA向光开关SW产生同步脉冲，并向相位调制器PM产生相位调制信号；

(1.3)经过调制的激光信号进入基于时分复用的干涉型传感器阵列并反馈回来；

(1.4)传感器反馈的光强信息由光电探测器PD接收，并通过模数转换系统ADC将光信号转换成电信号，得到所测光强信息。

进一步地，步骤2所述的形状函数，具体如下：

s(t)＝100·[u(t)-u(t-n_p)-u(t-n_p-1)+u(t-2n_p-1)]；

其中，u(t)为脉冲函数，t为时间，N是同步周期的总数；a是传感器阵列中的传感器个数，n_rep是整个周期的时间长度，n_p是特定相位调制的持续时间，n_s是相邻传感器之间的时间间隔，n_off为要寻找的时间延迟。

进一步地，步骤3所述的互相关运算，具体如下：

其中，c(t)为互相关曲线，M为采样点总数；

最后计算出互相关结果，最大值所对应的时间坐标即为时间延时量。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)处理方式简单，中间无需进行耗时的人工介入，缩短了处理时间，同时能精确确定光纤传感器阵列的时间窗口；(2)有效解决了在时分复用方案的干涉型光纤传感器阵列中对于传感器时间窗口定位的方法，能精确确定光纤传感器阵列的时间窗口。

附图说明

图1为本发明基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法的操作流程图。

图2为本发明基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法中理想情况下TDM传感器阵列的时间窗口示意图。

图3为本发明基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法的一个实施例所采用的实验系统图。

图4为本发明基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法的一个实施例中的原始信号波形图，其中(b)是(a)中信号的局部放大图。

图5为本发明基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法的一个实施例中的原波形曲线以及用形状函数曲线代替同步脉冲信号之后的信号图，其中(b)是(a)中信号的局部放大图。

图6为本发明基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法的一个实施例中一个周期内做完互相关运算之后的结果波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法，包括以下步骤：

步骤1，获取所测光强信息：根据时分复用光纤传感器阵列的工作原理，获得系统产生的同步脉冲信号以及光纤传感器信号的接收光强波形信息；

步骤2，定义一个形状函数，该形状函数是光强波形信息在理想情况下的函数形式，使同步脉冲信号曲线与光强波形信号曲线的时序关系可视化；

步骤3，将该形状函数的初始非零值与沿时间轴的同步脉冲信号对齐，并沿时间轴移动形状函数曲线并与传感器信号曲线作互相关运算，得到结果的最大值即为时间延时量。

作为一种具体方案，步骤1所述获取所测光强信息，采用基于移相信号调制的传感器阵列调制解调装置，具体如下：

(1.1)打开激光器光源，其发出的激光经过光开关SW和相位调制器PM后形成经过相位调制的激光信号；

(1.2)现场可编程门阵列芯片FPGA向光开关SW产生同步脉冲，并向相位调制器PM产生相位调制信号；

(1.3)经过调制的激光信号进入基于时分复用的干涉型传感器阵列并反馈回来；

(1.4)传感器反馈的光强信息由光电探测器PD接收，并通过模数转换系统ADC将光信号转换成电信号，得到所测光强信息。

作为一种具体方案，步骤2所述的形状函数，具体如下：

s(t)＝100·[u(t)-u(t-n_p)-u(t-n_p-1)+u(t-2n_p-1)]；

其中，u(t)为脉冲函数，t为时间，N是同步周期的总数；a是传感器阵列中的传感器个数，n_rep是整个周期的时间长度，n_p是特定相位调制的持续时间，n_s是相邻传感器之间的时间间隔，n_off为要寻找的时间延迟。

作为一种具体方案，步骤3所述的互相关运算，具体如下：

其中，c(t)为互相关曲线，M为采样点总数；

最后计算出互相关结果，最大值所对应的时间坐标即为时间延时量。

作为本发明所述基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法的一种优选方案，其中：采用的“基于移相信号调制的传感器阵列调制解调方法及装置”中，窄线宽激光光源的输出首先被调制成脉冲，然后光脉冲以π/2的量进行相位调制。

作为本发明所述基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法的一种优选方案，其中：光纤传感器阵列由一个内核为现场可编程门阵列(FPGA)芯片的询问仪控制，实现实时相位信号的计算。

作为本发明所述基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法的一种优选方案，其中：询问一控制仪向光开关产生同步脉冲，并向相位调制器产生相位调制信号。

作为本发明所述基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法的一种优选方案，其中：询问控制器通过引入额外的可调延迟来精确地和自适应地同步每个传感器的往返时间，并且在整个实时相位计算和相位解缠中快速检索被测量引起的相位信号。

作为本发明所述基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法的一种优选方案，其中：在干涉型光纤传感器阵列系统获得的实际波形中重新定义一个形状函数，通过沿时间轴移动形状函数曲线并与传感器信号曲线比较获得互相关结果的最大时间量。

实施例1

图1为寻找时间延时的步骤框图。图2为理想状态下四路传感器信号传回的光强信息波形图，每个时间窗口中，包含了三个不同值，分别对应于-π/2,π/2,0这三个不同的相位。

结合图3～6，为本发明的一个实施例，本实施例提供了一种基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法。本发明是在时分复用干涉型传感阵列中所用的“基于移相信号调制的传感器阵列调制解调方法及装置”基础上，在传感器信号波形图中引入一个形状函数，解决现场可编程门阵列的高度紧凑和高效的询问控制器中对于时间窗口延时的查找问题。

本实例中包含了四个传感器阵列。系统结构图如3所示，主要步骤：

(1)打开激光器光源，其发出的激光经过光开关(SW)和相位调制器(PM)后形成经过相位调制的激光信号。

(2)现场可编程门阵列芯片(FPGA)向光开关(SW)产生同步脉冲并向相位调制器(PM)产生相位调制信号。

(3)经过调制的激光信号进入基于时分复用的干涉型传感器阵列并反馈回来。

(4)传感器反馈的光强信息由光电探测器(PD)接收，并将光信号转换成电信号进入采集系统。

由模数转换芯片(ADC)收集信号数据，并检索相位信号。

传感器反馈的光强信号波形图如图4(a)所示，包含四个传感器，每个时间窗口中，包含了三个不同值，分别对应于-π/2,π/2,0这三个不同的相位。系统内部生成的同步脉冲信号用来作为传感器反馈信息的参考。图4(b)是在图4(a)中信号波形的局部放大图，可以清晰的看出同步脉冲信号与四个传感信号的波形图像。

(5)在光纤传感器系统获得的实际波形中重新定义一个形状函数，该形状函数是信号在理想情况下的函数形式，用来代替同步脉冲信号函数，使同步脉冲信号曲线与传感器信号波形曲线之间的时序关系变得可视化。如图5(a)所示，图5(b)是图5(a)中曲线的局部放大图。其数学表达式为：

s(t)＝100·[u(t)-u(t-5)-u(t-6)+u(t-11)]；

f(t)＝s(t)+s(t-100)+s(t-200)+s(t-300)；

其中，N是同步周期的总数。在上面的等式中，n_rep是整个周期的时间长度，n_p是特定相位调制的持续时间，n_s是相邻传感器之间的时间间隔，n_off就是要寻找的时间延迟，根据事先特定的实验设置配置，我们设置了n_rep＝400，n_p＝5和n_s＝100。

(6)将该形状函数的初始非零值与沿时间轴的同步脉冲信号对齐，并沿时间轴移动辅助曲线并与传感器信号曲线作以下互相关运算：

c(t)为互相关曲线，M为采样点总数。最后计算出互相关结果如图6所示，可以清晰地看出图中最大相关结果的时间量为81，即n_off＝81。

(7)利用三组移项干涉信号，通过下述公式，得到传感器接收的信号波形图。

通过收集位于第i个时间窗的三个相移区域中的三个光强值

和

根据三步移相法，第i个传感器的被缠绕的相位信号

可以被计算为：

(8)通过相位解缠算法，解包出对象的相位信息，

与

的关系为：

此处，k代表干涉序号。

重要的是，应注意，在本发明示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取所测光强信息：根据时分复用光纤传感器阵列的工作原理，获得系统产生的同步脉冲信号以及光纤传感器信号的接收光强波形信息；

步骤2，在光纤传感器系统获得的实际波形中重新定义一个形状函数，该形状函数是光强波形信息在理想情况下的函数形式，用来代替同步脉冲信号函数，使同步脉冲信号曲线与传感器信号波形曲线之间的时序关系变得可视化；

步骤3，将该形状函数的初始非零值与沿时间轴的同步脉冲信号对齐，并沿时间轴移动形状函数曲线并与传感器信号曲线作互相关运算，得到结果的最大值即为时间延时量。

2.根据权利要求1所述的基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法，其特征在于，步骤1所述获取所测光强信息，采用基于移相信号调制的传感器阵列调制解调装置，具体如下：

(1.1)打开激光器光源，其发出的激光经过光开关SW和相位调制器PM后形成经过相位调制的激光信号；

(1.2)现场可编程门阵列芯片FPGA向光开关SW产生同步脉冲，并向相位调制器PM产生相位调制信号；

(1.3)经过调制的激光信号进入基于时分复用的干涉型传感器阵列并反馈回来；

(1.4)传感器反馈的光强信息由光电探测器PD接收，并通过模数转换系统ADC将光信号转换成电信号，得到所测光强信息。

3.根据权利要求1所述的基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法，其特征在于，步骤2所述的形状函数，具体如下：

s(t)＝100·[u(t)-u(t-n_p)-u(t-n_p-1)+u(t-2n_p-1)]；

其中，u(t)为脉冲函数，t为时间，N是同步周期的总数；a是传感器阵列中的传感器个数，n_rep是整个周期的时间长度，n_p是特定相位调制的持续时间。

4.根据权利要求3所述的基于形状函数的光纤传感器阵列自动时窗定位方法，其特征在于，步骤3所述的互相关运算，具体如下：

其中，c(t)为互相关曲线，M为采样点总数；

最后计算出互相关结果，最大值所对应的时间坐标即为时间延时量。

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