CN111426371A - 采用双方波和b-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅 - Google Patents

采用双方波和b-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用双方波和B‑样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅。它包括如下步骤，步骤一：由数字信号发生器产生双方波信号驱动声光调制器，使连续单频激光器转换为双方波激光；步骤二：弱反射光纤布拉格光栅反射双方波激光，步骤三：光电探测器接收光强信号；步骤四：提取连续多个周期双方波信号下干涉区间的干涉特征值，形成干涉强度信号；步骤五：对干涉强度信号进行B‑样条小波降噪处理；步骤六：对降噪处理后的干涉强度信号进行希尔伯特变换；步骤七：对干涉强度信号和相移后的信号的比值进行反正切运算，最终得到干涉相位信号以反映外界振动信号。本发明具有能获得稳定的振动信号，结构简单，运算量小的优点。

Description

采用双方波和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅
技术领域
本发明涉及光纤传感系统的信号处理技术领域，更具体地说它是一种采用双方波和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅。
背景技术
弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)由拉丝塔在线制备而成，具有相同的弱反射率、中心波长和间隔长度。通过对WFBG时分复用，以进行水下潜艇探测、地震预警和结构健康监测等。WFBG信号解调是实现应用的关键，日益受到广大学者的关注。
微波光子方法能够实现高速信号解调，但由于频移、差频和鉴频器件的存在，解调结构庞大而复杂。可调谐激光器方法和可调谐Fabry-Perot滤波器方法用以检测WFBG的中心波长漂移，但很难检测漂移很小的中心波长。
非平衡Michelson干涉仪方法和Mach-Zehnder干涉仪方法采用匹配光纤和3×3耦合器实现对称解调，但系统复杂，运算量较大。采用两个声光调制器(AOM)调制双偏振脉冲方法以降低光路的偏振衰减，而上述采用Faraday反射镜的非平衡Michelson干涉仪结构也能起到类似作用。
单脉冲方法，设置单脉冲宽度为4/3倍相邻WFBG间光纤中激光往返传输的时间，则相邻WFBG反射的脉冲有1/3脉宽重叠干涉，对干涉区和左右非干涉区进行简单的数学运算，得到干涉信息；同样的脉冲结合3×3耦合器对称解调也可用于检测干涉信息，这两种方法的核心问题是干涉长度短，对WFBG的间距精度要求高。
双脉冲方法，其中单个脉冲周期等于相邻WFBG间光纤中激光往返传输的时间，该解调系统简单，但抗噪声能力弱，通过探测的信号均方根值变化来鉴定是否有异物入侵(LIU Tao,WANG Feng,ZHANG Xu-ping,et al.Phase sensitive distributed vibrationsensing based on ultraweak fiber Bragg grating array using double-pulse[J].Optical Engineering,2017,56(8):084104.)。为了降低噪声，采用同样的双脉冲，并增加一路10％的光源信号对双脉冲形成的干涉信号进行补偿，获得了稳定的PZT振动信号(LIUTao,WANG Feng,ZHANG Xu-ping,et al.Interrogation of ultra-weak FBG array usingdouble-pulse and heterodyne detection[J].Ieee Photonics Technology Letters,2018,30(8):677-680.)。
因此，现亟需开发一种解调系统简单、能获得稳定的振动信号的WFBG解调方法。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种采用双方波和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅，能获得稳定的振动信号，结构简单，运算量小。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种采用双方波和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：由数字信号发生器产生双方波信号驱动声光调制器(AOM)，使连续单频激光器转换为双方波激光；
步骤二：弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)反射双方波激光，其中相邻WFBG中，前WFBG反射的后方波与后WFBG产生的前方波重叠发生干涉；
步骤三：光电探测器接收光强信号；
步骤四：提取连续多个周期双方波信号下干涉区间的干涉特征值，形成干涉强度信号；
步骤五：对干涉强度信号进行B-样条小波降噪处理；
步骤六：对降噪处理后的干涉强度信号进行希尔伯特变换，形成π/2相移；
步骤七：对干涉强度信号和相移后的信号的比值进行反正切运算，最终得到干涉相位信号以反映外界振动信号。
在上述技术方案中，在步骤一中，由数字信号发生器产生双方波信号驱动声光调制器(AOM)，使连续单频激光器转换为双方波激光，其中单个方波的周期等于相邻WFBG间光纤中激光往返传输的时间，占空比设置为85％。
在上述技术方案中，在步骤五中，由B-样条小波降噪技术对干涉强度信号进行无失真地降噪处理。
本发明具有如下优点：
(1)本发明可以用于对WFBG振动信号实施解调；本发明使用B-样条小波对干涉强度信号进行预处理，预处理后的信号再经过希尔伯特变换和反正切运算得到干涉相位信号，解调精度提高了，并且信号不失真；
(2)本发明的整个系统与其他解调系统比结构简单，运算量小。
附图说明
图1为本发明WFBG解调系统图。
图2为本发明实施例中3-WFBG反射光时域图。
图3为本发明实施例中光电探测器探测的光强图。
图4为本发明实施例中干涉强度信号提取图。
图5为本发明实施例中500Hz、区域2系统解调的干涉相位信号。
图6为本发明实施例中500Hz、区域4系统解调的干涉相位信号。
图7为本发明实施例中1K Hz、区域3系统解调的干涉相位信号。
图8为本发明实施例中1K Hz、区域5系统解调的干涉相位信号。
图9为本发明实施例中干涉区2提取的未去噪干涉强度信号。
图10为本发明实施例中干涉区2提取的去噪后的干涉强度信号。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：一种采用双方波和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅，包括如下步骤，
步骤一：由数字信号发生器产生AOM，使连续单频激光器转换为双方波激光；
步骤二：WFBG反射双方波激光，其中相邻WFBG中，前WFBG反射的后方波与后WFBG产生的前方波重叠发生干涉；
步骤三：光电探测器接收光强信号；
步骤四：提取连续多个周期双方波信号下干涉区间的干涉特征值，形成干涉强度信号；
步骤五：对干涉强度信号进行B-样条小波降噪处理；
步骤六：对降噪处理后的干涉强度信号进行希尔伯特变换，形成π/2相移；
步骤七：对干涉强度信号和相移后的信号的比值进行反正切运算，最终得到干涉相位信号以反映外界振动信号(如图1所示)，获得稳定的振动信号，结构简单，运算量小。
进一步地，在步骤一中，由数字信号发生器产生AOM，使连续单频激光器转换为双方波激光，其中单个方波的周期等于相邻WFBG间光纤中激光往返传输的时间，占空比设置为85％；保证了相邻WFBG中，前WFBG反射的后方波与后WFBG产生的前方波重叠发生干涉。
进一步地，在步骤五中，由B-样条小波降噪技术对干涉强度信号进行无失真地降噪处理，以提高后续干涉强度信号提取相位信息的精度。
采用本发明方法解调的干涉相位信号能较好地反映外界振动信息；使用本发明解调方法的优点在于搭设的解调光路简单，并且数据处理也不复。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的采用双方波和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表1所示：
表1对比结果表
Figure BDA0002371214530000051
由上表可知，本发明所述的采用双方波和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅与现有技术相比，解调精度提高了，并且信号不失真，能获得稳定的振动信号，结构简单，运算量小。
实施例
现以本发明应用于某项目为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其他项目解调弱反射光纤布拉格光栅同样具有指导作用。
1550nm波长的连续激光器连接声光调制器(由数字信号发生器双方波信号驱动)，连接掺铒光纤放大器，连接环形器1端口，环形器2端口连接弱反射光纤布拉格光栅，环形器3端口连接光电探测器。光电探测器接收到的光强信号由采集卡采集到计算机中进行处理。双方波信号中的方波周期设置为相邻WFBG光纤中激光往返传输的时间，占空比设置为85％。WFBG反射方波激光信号见图2所示(以3-WFBG仿真为例)。则t1t0和t7t6为两个反射区，为无用信号，t3t2和t5t4形成两个干涉区，对干涉区内的光强值取平均值，作为该干涉区的干涉特征值，连续多个双方波信号下的干涉特征值则形成该区域的干涉强度信号。对干涉强度信号进行B-样条小波降噪，而后进行希尔伯特变换形成π/2相移，对未相移和相移信号的比值进行反正切运算，即可得到干涉相位信号。
采用此方法以5-WFBG探测外界正弦振动信号为例。探测器接收到的光强信号如图3所示，其中区域1和6为反射信号，为无用信号，区域2至5是有用的干涉信号。提取干涉区2的强度信号如图4所示。直接对干涉强度信号进行希尔伯特变换和反正切运算即可得到图5-8中的干涉相位信号。由图5-8可知，干涉区2至5能够正确反映外界振动信号的频率500Hz和1KHz，但时域上看受噪声影响较大。通过对干涉强度信号进行B-样条小波降噪处理，而后再进行希尔伯特变换和反正切运算得到的干涉相位信号的信噪比则大大提高(如图9-10)。采用B-样条小波对干涉强度信号降噪处理，对后续提取的干涉相位信号的幅度、频率和相位没有多大改变，即B-样条小波降噪是无失真的(如表2中，对比了对干涉强度信号未经降噪和降噪得到的干涉相位信号拟合方程，则降噪对拟合的正弦曲线幅度、频率和相位差别分别小于0.05rad、4Hz和0.12rad)。
表2原始干涉强度信号与去噪干涉强度信号的相位信号拟合
Figure BDA0002371214530000061
图1中，环形器1、2、3分别表示环形器1端口、环形器2端口、环形器3端口；G1、G2、G3、G4、G5分别表示第1至第5个WFBG。L为相邻WFBG的间隔长度。
图2为3-WFBG仿真解调系统中探测器接收到的光强时域图，描述了双方波信号形成干涉区间的原理，即弱反射光栅G1反射的后方波与G2反射的前方波形成干涉区域，以及G2反射的后方波与G3反射的前方波形成干涉区域；
图2中，G1、G2、G3分别表示第1至3个WFBG。图2中的横坐标和纵坐标分别为时间和光强，无单位。
图2中，
Figure BDA0002371214530000071
t1t0＝t3t2；
t1t0＝85％t2t0；
t8t0＞(N+1)t2t0；
其中，t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8分别为时间轴上的时刻。neff为光纤有效折射率；c为光速；N为WFBG个数。
图3为5-WFBG实验解调系统中探测器接收到的光强时域图，验证了发射双方波信号，5个WFBG形成4个干涉区域，分别为图中的2、3、4、5区域；
图3中横坐标为采样点数。波峰上的1-6分别表示第1-6个区域。
图4显示了多个连续双方波发射信号下，提取的干涉区域2的干涉强度信号。提取干涉强度信号的方法为，分别对每个干涉区域内的光强值求平均值作为该干涉区域的干涉特征值，而后把系列干涉特征值连接在一起，即为干涉强度信号。图4中横坐标为采样点数。
图5-8分别为外界声波振动信号为500Hz和1KHz时候，干涉区域2至干涉区域5解调的干涉相位信号，干涉相位信号的频域信息与外界声波振动的频率一致。
图9为区域2原始干涉强度信号和它解调的干涉相位信号；图10为对区域2的干涉强度信号进行B-样条小波去噪后解调的干涉相位信号。对比图9和图10，说明通过B-样条小波变换对干涉强度信号去噪，有助于提高干涉相位信号的解调精度。
图10中，实验数据呈密集布置。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (3)

1.一种采用双方波和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：由数字信号发生器产生双方波信号驱动声光调制器，使连续单频激光器转换为双方波激光；
步骤二：弱反射光纤布拉格光栅反射双方波激光，其中相邻弱反射光纤布拉格光栅中，前弱反射光纤布拉格光栅反射的后方波与后弱反射光纤布拉格光栅产生的前方波重叠发生干涉；
步骤三：光电探测器接收光强信号；
步骤四：提取连续多个周期双方波信号下干涉区间的干涉特征值，形成干涉强度信号；
步骤五：对干涉强度信号进行B-样条小波降噪处理；
步骤六：对降噪处理后的干涉强度信号进行希尔伯特变换，形成π/2相移；
步骤七：对干涉强度信号和相移后的信号的比值进行反正切运算，最终得到干涉相位信号以反映外界振动信号。
2.根据权利要求1所述的采用双方波和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅，其特征在于：在步骤一中，由数字信号发生器产生双方波信号驱动声光调制器，使连续单频激光器转换为双方波激光，其中单个方波的周期等于相邻弱反射光纤布拉格光栅间光纤中激光往返传输的时间，占空比设置为85％。
3.根据权利要求2所述的采用双方波和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅，其特征在于：在步骤五中，由B-样条小波降噪技术对干涉强度信号进行无失真地降噪处理。
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