CN113739829A - 光纤光栅解调方法及解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅解调方法及解调系统，解调系统采用解调方法对光纤光栅传感器进行解调，解调方法包括：首先，按照扫描规律周期性地向光纤光栅传感器输出相应的调谐光，并同步对光纤光栅传感器的反射光光强进行采样并记录采样次数；然后，通过采样次数和扫描规律确定每个采样点对应的光波长数据，并结合相应的光强数据组合成每个采样点的二维数据组；最后，基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算，得出光纤光栅传感器的峰值波长。以消除对反射光光强进行采样引入的噪声干扰，提高解调的分辨力，减小因扫描光源衰减带来的影响。解调系统还可以根据反射光光强的变化自适应调整放大增益，进一步减小因扫描光源光强衰减导致的解调误差。
Description
技术领域
本发明涉及采用光学装置进行测量的技术领域，具体涉及一种光纤光栅解调方法及其解调系统。
背景技术
应用光纤光栅技术的光纤光栅应变、位移、温度等传感器在结构监控领域等应用越来越广发，因其具有传输距离远且衰减小，抗电磁干扰能力强，传感器无需供电、灵敏度高等优点。然而结构监控领域对于光纤光栅解调仪的尺寸和功耗有要求，因为结构监控是一个漫长的过程，需要光纤光栅解调仪长期工作，而且光纤光栅解调仪所处的工作环境通常较为恶劣，因此光纤光栅解调仪的扫描光源光强出现衰减，从而影响解调仪的解调精度，甚至导致解调仪失效。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种光纤光栅解调方法及其解调系统，通过采集多个采样点的光强数据和光波长数据进行拟合，可以提取出数据采样的趋势信息，以提高解调的分辨力，减小因扫描光源出现衰减带来的影响。
具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种光纤光栅解调方法，包括：
按照扫描规律周期性地向光纤光栅传感器输出相应的调谐光，并同步对光纤光栅传感器的反射光光强进行采样并记录采样次数；
通过采样次数和扫描规律确定每个采样点对应的光波长数据，并结合相应的光强数据组合成每个采样点的二维数据组；
基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，所述扫描规律包括：所述调谐光在一定波长范围内，按照预设的波长间距依次递增。
结合第一方面，在第一方面的第二种可实现方式中，所述基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算包括：
根据采样顺序对所有采样点的二维数据组进行排序，构建样本数据集；
遍历样本数据集中的所有采样点的光强数据，选取出最大光强值对应的二维数据组及其相邻一定范围内的二维数据组构建有效样本集；
根据有效样本集中的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
结合第一方面的第二种可实现方式中，在第一方面的第三种可实现方式中，所述根据有效样本集中的二维数据组进行拟合计算包括：
基于所述有效样本集中所有的二维数据组进行多项式拟合，得出有效样本集对应的拟合多项式；
对所述拟合多项式进行求导计算，计算出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
结合第一方面的第三种可实现方式中，在第一方面的第四种可实现方式中，所述基于所述有效样本集中所有的二维数据组进行多项式拟合，包括：
设定需要拟合的三次多项式；
基于所述有效样本集中所有的二维数据组，采用最小二乘法计算出参数矩阵；
对参数矩阵进行Doolittle分解，得到L矩阵和U矩阵；
通过L矩阵和U矩阵对设定的三次多项式进行拟合，得到所述拟合多项式。
第二方面，提供了一种光纤光栅解调系统，该系统采用如第一方面、第一方面的第一至四种可实现方式中的任意一种光纤光栅解调方法进行解调。
结合第二方面，在第二方面的第一种可实现方式中，所述系统包括：
扫描光源，经光环形器连接光纤光栅传感器，配置为按照扫描规律周期性地向光纤光栅传感器输出相应的调谐光；
光电转换器，输入端连接所述光环形器的反馈端，输出端经自动增益控制模块连接数据采集模块；
触发计数器，信号输入端与所述扫描光源信号连接，信号输出端与所述数据采集模块信号连接，配置为触发数据采集模块进行采样并记录采样次数；
数据采集模块，配置为通过光电转换器对光纤光栅传感器的反射光光强进行采样，并通过采样次数和扫描规律确定每个采样点对应的光波长数据，结合相应的光强数据组合成每个采样点的二维数据组，所述数据采集模块基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
结合第二方面的第一种可实现方式中，在第二方面的第二种可实现方式中，所述自动增益控制模块包括：
可变增益放大电路，输入端连接所述光电转换器的输出端，输出端连接所述数据采集模块；
峰值检波电路，输入端连接所述光电转换器的输出端，输出端连接所述可变增益放大电路的增益控制端。
结合第二方面的第三种可实现方式中，在第二方面的第三种可实现方式中，所述数据采集模块包括模数转换器和处理器FPGA，该模数转换器的输入端和输出端分别连接可变增益放大电路的输出端和处理器FPGA，输入范围控制端连接所述峰值检波电路的输出端。
结合第二方面，在第二方面的第四种可实现方式中，所述系统包括：
扫描光源，经光分器连接有多个光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器与光分器之间串接有光环形器，所述扫描光源配置为按照扫描规律周期性地输出相应的调谐光；
多个光电转换器，输入端分别连接不同光环形器的反馈端，输出端分别经结构一致的自动增益控制模块连接数据采集模块；
触发计数器，信号输入端与所述扫描光源信号连接，信号输出端与所述数据采集模块信号连接，配置为触发数据采集模块进行采样并记录采样次数；
数据采集模块，配置为通过光电转换器对光纤光栅传感器的反射光光强进行采样，并通过采样次数和扫描规律确定每个采样点对应的光波长数据，结合相应的光强数据组合成每个采样点的二维数据组，所述数据采集模块基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
有益效果：采用本发明的光纤光栅解调方法及其解调系统，通过采集多个采样点的光强数据和光波长数据进行拟合，不仅可以消除对反射光光强进行采样引入的噪声干扰，还可以提取出数据采样的趋势信息，以提高解调的分辨力，减小因扫描光源出现衰减带来的影响。而且，可以根据反射光光强的变化自适应调整放大增益，进一步减小因扫描光源长期工作光强衰减导致的解调误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例提供的解调方法的流程图；
图2为拟合计算的方法流程图；
图3为本发明一实施例提供的解调系统的系统框图；
图4为本发明另一实施例提供的解调系统的系统框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一、如图1所示的光纤光栅解调方法的流程图，该解调方法包括：
步骤1、按照扫描规律周期性地向光纤光栅传感器输出相应的调谐光，并同步对光纤光栅传感器的反射光光强进行采样并记录采样次数；
步骤2、通过采样次数和扫描规律确定每个采样点对应的光波长数据，并结合相应的光强数据组合成每个采样点的二维数据组；
步骤3、基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。具体而言：
首先，扫描光源可以按照预设的扫描规律周期性地输出相应波长的调谐光进行扫描，输出的调谐光传输至光纤光栅传感器处，光线光栅传感器可以反射特定波长的光，可以对光纤光栅传感器的反射光进行采样，确定反射光的光强，同时，可以记录采样次数。
然后，由于扫描光源发出的调谐光的波长是按照扫描规律变化，所以，通过扫描规律和记录的采样次数可以确定每个采样点对应的反射光的光波长数据。将采样点对应的光强数据和光波长数据组合成采样点的二维数据组。
最后，基于所有采样点的二维数据组进行多项式拟合计算出光纤光栅传感器的峰值波长，达到对光纤光栅传感器进行解调的目的。如此可以消除对光强进行采样引入的噪声干扰，而且能够提取采样点的光强变化趋势信息，提高解调的分辨力以减小因扫描光源长期工作光强衰减导致的解调误差。根据实验的测试结果，采样本发明解调方法，可以将解调装置的分辨力从8pm提高到1pm。
在本实施例中，优选的，所述扫描规律包括：所述调谐光在一定波长范围内，按照预设的波长间距依次递增。具体而言，扫描光源可以按照光波长每次增加1GHz(即8pm)的规律，在1528nm到1568nm范围内周期性的快速进行扫描，扫描频率可以设定在0～100Hz范围内。通过扫描规律可以确定相邻两个采样点之间的光波长相差8pm，扫描光源输出的初始调谐光的波长为1528nm，所以通过记录的采样次数，可以确定每个采样点对应的光波长数据。
在本实施例中，优选的，所述基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算包括：
根据采样顺序对所有采样点的二维数据组进行排序，构建样本数据集；
遍历样本数据集中的所有采样点的光强数据，选取出最大光强值对应的二维数据组及其相邻一定范围内的二维数据组构建有效样本集；
根据有效样本集中的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
具体而言，如图2所示，首先，将一个扫描周期内每个采样点的二维数据组作为样本构建起样本数据集，样本数据集中的各个样本可以按照每个采样点的采样时间进行排序。然后，遍历样本数据集中每个样本的光强数据，从中选取出最大光强值对应的样本，以及相邻的一定范围内的样本，构建起有效样本集。最后，基于有效样本集中的所有的二维数据组进行拟合计算，消除对光强进行采样引入的噪声干扰，并提取出采样点的变化趋势，从而确定光纤光栅的反射光的峰值波长，提高解调装置的分辨力以减小因扫描光源长期工作光强衰减导致的解调误差。
在本实施例中，优选的，所述根据有效样本集中的二维数据组进行拟合计算包括：
基于所述有效样本集中所有的二维数据组进行多项式拟合，得出有效样本集对应的拟合多项式；
对所述拟合多项式进行求导计算，计算出所述光纤光栅传感器的峰值波长。具体而言：
首先，可以将拟合的多项式设定为以下函数：
y(x)＝a0+a1x+a2x2+a3x3；
然后，基于所述有效样本集中所有的二维数据组(xi，yi)，采用最小二乘法计算出参数矩阵，xi为采样点i的光波长数据，yi采样点i的光强数据。
之后，为减少计算量和内存，实现快速解调，对参数矩阵进行Doolittle分解，得到L矩阵和U矩阵。因为通过最小二乘法计算参数矩阵，以及对参数矩阵进行Doolittle分解均属于现有的计算方法，此处对于具体步骤不再赘述。
最后，可以通过L矩阵和U矩阵对设定的三次多项式进行拟合得到拟合多项式。再对得到的拟合多项式进行求导计算，可以计算出拟合多项式对应曲线的峰值波长，即光纤光栅传感器反射光的峰值波长。
实施例二、如图3所示的光纤光栅解调系统的系统框图，该解调系统该系统采用上述的光纤光栅解调方法进行解调。具体而言：
首先，扫描光源可以按照预设的扫描规律周期性地输出相应波长的调谐光进行扫描，输出的调谐光传输至光纤光栅传感器处，光线光栅传感器可以反射特定波长的光，可以对光纤光栅传感器的反射光进行采样，确定反射光的光强，同时，可以记录采样次数。
然后，由于扫描光源发出的调谐光的波长是按照扫描规律变化，所以，通过扫描规律和记录的采样次数可以确定每个采样点对应的反射光的光波长数据。将采样点对应的光强数据和光波长数据组合成采样点的二维数据组。
最后，基于所有采样点的二维数据组进行多项式拟合计算出光纤光栅传感器的峰值波长，达到对光纤光栅传感器进行解调的目的。
在本实施例中，优选的，所述解调系统包括：
扫描光源，经光环形器连接光纤光栅传感器，配置为按照扫描规律周期性地向光纤光栅传感器输出相应的调谐光；
光电转换器，输入端连接所述光环形器的反馈端，输出端经自动增益控制模块连接数据采集模块；
触发计数器，信号输入端与所述扫描光源信号连接，信号输出端与所述数据采集模块信号连接，配置为触发数据采集模块进行采样并记录采样次数；
数据采集模块，配置为通过采样次数和扫描规律确定每个采样点对应的光波长数据，并结合相应的光强数据组合成每个采样点的二维数据组，所述数据采集模块基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
具体而言，扫描光源可以按照波长每次增加1GHz(8pm)的规律，在1528nm到1568nm范围内周期性的快速进行扫描，扫描光源输出调谐光可以通过光环形器传送到光纤光栅传感器处。光纤光栅传感器的反射光可以经过光环形器的反馈端输入光电转换器，光电转换器可以将入射的反射光转换成电信号发送给自动增益控制模块进行放大，自动增益控制模块可以根据电信号的强弱自动调整放大增益，从而减小扫描光源长期工作光强衰减导致的解调误差。
调谐光的波长每次增加8pm时，扫描光源可以向触发计数器发送一个递增信号，触发计数器接收到递增信号后，可以立刻触发数据采集模块对放大后的电信号进行采样并同步记录采样次数。
当触发计数器记录的采样次数达到5000次时，触发计数器可以产生一个中断信号发送给数据采集模块，以提示数据采集模块扫描光源完成一个周期的扫描。数据采集模块可以通过扫描规律和采样次数确定每个采样点对应的反射光的光波长数据。将采样点对应的光强数据和光波长数据组合成采样点的二维数据组。再对所有采样点的二维数据组进行多项式拟合计算，得到光纤光栅传感器的峰值波长，达到对光纤光栅传感器进行解调的目的。如此可以消除对光强进行采样引入的噪声干扰，而且能够提取采样点的光强变化趋势信息，提高解调的分辨力，进一步减小因扫描光源长期工作光强衰减导致的解调误差。
在本实施例中，优选的，所述自动增益控制模块包括：
可变增益放大电路，输入端连接所述光电转换器的输出端，输出端连接所述数据采集模块；
峰值检波电路，输入端连接所述光电转换器的输出端，输出端连接所述可变增益放大电路的增益控制端。
具体而言，光电转换器将入射的反射光转换成电信号后，可以将电信号发送给可变增益放大电路进行放大，峰值检波电路可以检测光电转换器发送的电信号峰值，可变增益放大器可以根据电信号峰值调整自身的放大增益，以将光电转换器发送的电信号放大到合适的信号范围内，以便数据采集模块进行采样，提高数据采集模块的采样效果，减小扫描光源长期工作光强衰减导致的解调误差。
在本实施例中，优选的，所述数据采集模块包括模数转换器和处理器FPGA，该模数转换器的输入端和输出端分别连接可变增益放大电路的输出端和处理器FPGA，输入范围控制端连接所述峰值检波电路的输出端。
具体而言，模数转换器的输入端可以与可变增益放大电路的输出端连接，触发信号输入端可以与触发计数器连接，以接收触发计数器在接收到递增信号后发送的触发信号。模数转换器接收到触发信号后可以对放大后的电信号进行采样，将模拟的电信号转换成数字信号，得到采样点的光强数据。模数转换器的输出端与处理器FPGA的数据输入端连接，模数转换器可以将得到的光强数据发送给处理器FPGA，处理器FPGA可以将光强数据和通过扫描规律和采样次数确定的光波长数据组合成采样点的二维数据组。并采用上述的方法解调出光纤光栅传感器的峰值波长，处理器FPGA可以通过以太网接口等通信接口将解调出的峰值波长数据发送给上位机进行显示。
所述峰值检波电路还可以将检测到的电信号峰值发送给模数转换器，模数转换器可以是可编程输入范围模数转换器，可以根据电信号的电压峰值匹配相应的输入范围，以适应可变增益放大电路输出的电信号，进一步减小因扫描光源长期工作光强衰减导致的解调误差。
实施例三、实施例三与实施例二大致相同，如图4所示，其主要区别在于：所述系统包括：
扫描光源，经光分器连接有多个光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器与光分器之间串接有光环形器，所述扫描光源配置为按照扫描规律周期性地输出相应的调谐光；
多个光电转换器，输入端分别连接不同光环形器的反馈端，输出端分别经结构一致的自动增益控制模块连接数据采集模块；
触发计数器，信号输入端与所述扫描光源信号连接，信号输出端与所述数据采集模块信号连接，配置为触发数据采集模块进行采样并记录采样次数；
数据采集模块，配置为通过采样次数和扫描规律确定每个采样点对应的光波长数据，并结合相应的光强数据组合成每个采样点的二维数据组，所述数据采集模块基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
具体而言，扫描光源可以按照波长每次增加1GHz(8pm)的规律，在1528nm到1568nm范围内周期性的快速进行扫描。扫描光源的输出端可以连接光分器的输入端，光分器可以将扫描光源输出的调谐光分为多路输出，从而形成多个测量通道。在本实施例中，因为光纤光栅传感器的波长变化范围通常为5nm，所以可以选用1分8的光分器。光分器的每个输出端都可以经光环形器连接一个光纤光栅传感器，从而形成光纤光栅传感器阵列。
每路测量通道输出的调谐光可以通过光环形器传送到相连的光纤光栅传感器处，光纤光栅传感器可以反射特定波长的光，光纤光栅传感器的反射光可以从光环形器的反馈端输出。每个光环形器的反馈端可以分别经结构一致的光电转换器和自动增益控制模块连接模数转换器不同的输入端，模数转换器可以对不同测量通道的反射光信号进行采样，并将每个测量通道的采样数据发送给处理器FPGA采用上述的解调方法进行解调，得出每个光纤光栅传感器的反射光波长。其中，每个自动增益控制模块都可以根据自身输入的电信号的强弱自动调整放大增益，从而减小扫描光源长期工作光强衰减导致的解调误差。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种光纤光栅解调方法，其特征在于，包括：
按照扫描规律周期性地向光纤光栅传感器输出相应的调谐光，并同步对光纤光栅传感器的反射光光强进行采样并记录采样次数；
通过采样次数和扫描规律确定每个采样点对应的光波长数据，并结合相应的光强数据组合成二维数据组；
基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅解调方法，其特征在于，所述扫描规律包括：所述调谐光在一定波长范围内，按照预设的波长间距依次递增。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅解调方法，其特征在于，所述基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算包括：
根据采样顺序对所有采样点的二维数据组进行排序，构建样本数据集；
遍历样本数据集中的所有采样点的光强数据，选取出最大光强值对应的二维数据组及其相邻一定范围内的二维数据组构建有效样本集；
根据有效样本集中的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅解调方法，其特征在于，所述根据有效样本集中的二维数据组进行拟合计算包括：
基于所述有效样本集中所有的二维数据组进行多项式拟合，得出有效样本集对应的拟合多项式；
对所述拟合多项式进行求导计算，计算出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
5.根据权利要求4所述的光纤光栅解调方法，其特征在于，所述基于所述有效样本集中所有的二维数据组进行多项式拟合，包括：
设定需要拟合的三次多项式；
基于所述有效样本集中所有的二维数据组，采用最小二乘法计算出参数矩阵；
对参数矩阵进行Doolittle分解，得到L矩阵和U矩阵；
通过L矩阵和U矩阵对设定的三次多项式进行拟合，得到所述拟合多项式。
6.一种光纤光栅解调系统，其特征在于，该系统采用如权利要求1-5任一所述的光纤光栅解调方法进行解调。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述系统包括：
扫描光源，经光环形器连接光纤光栅传感器，配置为按照扫描规律周期性地向光纤光栅传感器输出相应的调谐光；
光电转换器，输入端连接所述光环形器的反馈端，输出端经自动增益控制模块连接数据采集模块；
触发计数器，信号输入端与所述扫描光源信号连接，信号输出端与所述数据采集模块信号连接，配置为触发数据采集模块进行采样并记录采样次数；
数据采集模块，配置为通过光电转换器对光纤光栅传感器的反射光光强进行采样，并通过采样次数和扫描规律确定每个采样点对应的光波长数据，结合相应的光强数据组合成每个采样点的二维数据组，所述数据采集模块基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
8.根据权利要求7所述的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述自动增益控制模块包括：
可变增益放大电路，输入端连接所述光电转换器的输出端，输出端连接所述数据采集模块；
峰值检波电路，输入端连接所述光电转换器的输出端，输出端连接所述可变增益放大电路的增益控制端。
9.根据权利要求8所述的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述数据采集模块包括模数转换器和处理器FPGA，该模数转换器的输入端和输出端分别连接可变增益放大电路的输出端和处理器FPGA，输入范围控制端连接所述峰值检波电路的输出端。
10.根据权利要求6所述的光纤光栅解调系统，其特征在于，所述系统包括：
扫描光源，经光分器连接有多个光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器与光分器之间串接有光环形器，所述扫描光源配置为按照扫描规律周期性地输出相应的调谐光；
多个光电转换器，输入端分别连接不同光环形器的反馈端，输出端分别经结构一致的自动增益控制模块连接数据采集模块；
触发计数器，信号输入端与所述扫描光源信号连接，信号输出端与所述数据采集模块信号连接，配置为触发数据采集模块进行采样并记录采样次数；
数据采集模块，配置为通过光电转换器对光纤光栅传感器的反射光光强进行采样，并通过采样次数和扫描规律确定每个采样点对应的光波长数据，结合相应的光强数据组合成每个采样点的二维数据组，所述数据采集模块基于所有采样点的二维数据组进行拟合计算，得出所述光纤光栅传感器的峰值波长。
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