CN114861723A - 一种应用于光纤布拉格光栅解调的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种应用于光纤布拉格光栅解调的系统及方法。包括：扫频激光光源、环形器、数据采集卡、光纤布拉格光栅、振动平台、信号发生器、以及计算机处理系统；包括以下步骤：S1：利用扫频激光光源、光电探测器和数据采集卡采集反射光谱；S2：对采集到的光谱数据进行极大值和次极大值查找；S3：在S2得到的极大值和次极大值的邻域附近进行加权平均计算，得到两个波长结果；S4：对S3得到的两个波长结果进行加权平均运算，得到光纤布拉格光栅(FBG)中心波长。本发明由于光谱分辨率足够高，不需要对反射光谱进行拟合，节省了计算成本，并且由于寻峰算法的性能优越，对采样点数的要求很低，解调速度快，并且解调精度高，满足了高速高精度解调系统的要求。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感的信号处理领域，具体涉及一种应用于光纤布拉格光栅解调的系统与方法，基于反射光谱发生漂移时，FBG的中心波长跟着发生相同状态的漂移提出了应用于FBG传感器的高速高精度寻峰算法。
背景技术
光纤光栅传感技术是以光为载体，光纤为传输介质，光纤光栅为媒质、感知和传输外界信号的新型传感技术。与传统传感器相比，光纤光栅传感器因其体积小、稳定性好、精度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、成本低、安全等优点被广泛应用于化工产业、航空航天以及结构的健康监测等领域。光纤光栅传感器因其自身形态的多变性，可制成检测探头来检测外界环境的变化，可埋入智能结构中，能够直接或间接对温度、应变、电磁、化学、核辐射等物理量进行检测。光纤光栅传感器主要是通过反射谱的中心波长位置变化，来判断待测量的变化。因此光谱中心波长的快速准确解调是实现光纤光栅监测系统高精度测量的重要保障。
传统的寻峰算法包括：直接寻峰、最小二乘法、多项式拟合、高斯拟合等。但这些算法都无法完全满足高速高精度解调系统的要求。例如：多项式拟合算法对采样点数的要求过高，当采样点数过少时，解调结果会产生不连续的现象，如果采样点内不包括峰值，结果会出现严重的误差；高斯拟合算法的计算量过大，解调速度无法满足高速解调系统的要求。
经过检索，申请公开号CN111707300A，一种光纤布拉格光栅的解调系统及方法，包括依序连接、稳定设置的：光源、光环形器、光纤布拉格光栅、干涉器阵列；光源，用于发射宽频光并通过环形器的第一端口进入，第二端口输出到光纤布拉格光栅；光纤布拉格光栅，用于接收光源的光并反射，将反射的光从光环形器的第二端口进入第三端口输出到干涉器阵列，干涉器阵列，包括多个干涉器，用于接收光纤布拉格光栅从光环形器传输来的光，并将光的波长信息转换为强度信息，通过压缩感知技术利用强度信息解调光纤布拉格光栅。提出了采用包含多个干涉器的干涉器阵列对回波信号进行空域采样，提高了解调速度；引入压缩感知的思想，通过采样的随机化减少了对干涉器阵列的数目的要求，降低成本。该发明中对中心波长的解调依赖于多个干涉器组成的干涉阵列，成本高、结构复杂，而多个光纤的存在更使得该发明需要提前去计算光纤与光纤之间的差值，操作复杂，并且由于其干涉测量的本质，对噪声十分敏感，不利于复杂环境的动态测量。而本发明中只需要一束光通过FBG并接收其反射光，只需对反射光谱进行处理，抗干扰能力强，并且系统的探测部分仅由一个光电探测器和一个数据采集卡，结构简单，成本低，寻峰算法更是大大的加快了探测系统的解调速度和精度。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种应用于光纤布拉格光栅解调的系统及方法。本发明的技术方案如下：
一种应用于光纤布拉格光栅解调的系统，其包括：扫频激光光源(101)、环形器(102)、光电探测器(103)、数据采集卡(104)、光纤布拉格光栅(105)、振动平台(106)、信号发生器(107)、以及计算机处理系统(108)，其中扫频激光光源(101)与环形器(102)相连接，环形器(102)分别与光电探测器(103)、光纤布拉格光栅(105)相连接，光电探测器(103)与数据采集卡(104)连接，数据采集卡(104)与及计算机处理系统(108)相连接，所述光纤布拉格光栅(105)与振动平台(106)相连接，振动平台(106)与信号发生器(107)相连接，信号发生器(107)还与扫频激光光源(101)相连接；其中，由信号发生器(107)发出的调制信号控制扫频激光器(101)的扫描，扫频激光器(101)发出的光再通过环形器(102)进入光纤布拉格光栅(105)，由信号发生器(107)发出的驱动电压信号控制振动平台(106)的振动，将振动信号加载在光纤布拉格光栅(105)上，其中满足布拉格波长的光发生反射，通过环形器(102)进入光电探测器(103)，经过光电转换的数据再通过数据采集卡(104)传入计算机进行处理(108)。
进一步的，所述扫描范围覆盖整个光纤布拉格光栅反射峰的扫频激光光源(101)、环形器(102)、光电探测器(103)、数据采集卡(NI USB-6531)(104)、光纤布拉格光栅(105)、有较好频率响应的振动平台，如PZT振动片(106)、信号发生器(AFG3252,Tektronix)(107)。
一种基于所述系统的解调方法，其包括以下步骤：
S1：先利用扫频激光光源、光电探测器和数据采集卡采集外界信号，当接收到外界信号的带宽为1nm分辨率为0.83pm的整个光纤布拉格光栅(FBG)的反射光谱；
S2：在采集到的反射光谱上寻找光谱数据的极大值点与次极大值点，分别记为a，b；
S3：设置阈值点数，在a，b两点分别进行幅值和波长的加权平均计算，得到两个不同的波长结果；
S4：对S3得到的两个波长结果进行加权平均计算，即为所求的实时变化的中心波长，通过跟踪中心波长的变化，从而探测待测信号的变化。
进一步的，所述步骤S2中，将系统寻找到的极大值记为a(x，y)，x为极大值点在光谱上对应的位置，y为极大值点对应的光强幅值，再找到极大值的左右邻点，将它们的幅值记为y左，y右，若y左<y右，则b＝x+1，反之，b＝x–1，点b即为所求的次极大值点。
进一步的，所述S3：在极大值点与次极大值点的邻域进行计算，具体包括：
设定一个阈值n，在a，b的邻域，即(a-n，a+n)，(b-n，b+n)，进行计算，具体算法为：
λa、λb为布拉格波长的估计值，其中λj、yj分别对应j点的波长和幅值，算法中的阈值点数n，使其能完整的覆盖FBG反射峰的线性区即可。
进一步的，所述S4：对在a，b邻域得到的波长进行计算，具体包括：
对S3得到的两个波长值λa，λb进行加权平均计算，具体算法为：
其中，λB为所求得的FBG中心波长，ya，yb为极大值点和次极大值点对应的幅值。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述方法的步骤。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明的创新主要在于S2—S4的配合，其益处在于不需要对光谱上的每一个点进行计算，而只需要在极大值和次极大值的附近几个点进行计算，在降低计算成本的同时，提高了解调的精度，还同时消除了传统寻峰算法在采样点数较少时出现的解调结果误差大的问题。并且由于本发明使用的扫频激光光源与数据采集卡相结合的探测方式，系统的探测精度高，满足高速高精度解调系统的要求。
附图说明
图1是本发明提供优选实施的系统结构示意图。
图2是利用数据采集卡采集到的一个调谐周期内带宽为1nm，分辨率为0.83pm的反射光谱。
图3是寻峰算法寻找采集到的反射光谱上的极大值点和次极大值点的示意图。
图4是传感系统在静态条件下的解调结果，它包含了加入算法之后系统所能达到的波长分辨率。
图5是对FBG施加振动信号后得到的解调结果。
图中：101光源；102环形器；103光电探测器；104数据采集卡；105光纤布拉格光栅；106振动平台；107信号发生器；108计算机系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种应用于光纤布拉格光栅解调的系统与方法的系统结构如图1所示，主要包括扫频激光光源101、环形器102、光电探测器103、数据采集卡104、光纤布拉格光栅105、振动平台106、信号发生器107、以及计算机处理系统108。具体包括以下步骤：
S1：用数据采集卡采集FBG的反射光谱数据
在步骤S1中，如图1所示，由信号发生器107发出的调制信号控制扫频激光器101的扫描，扫频激光器101发出的光再通过环形器102进入光纤布拉格光栅105，由信号发生器107发出的驱动电压信号控制振动平台106的振动，将振动信号加载在光纤布拉格光栅105上，其中满足布拉格波长的光发生反射，通过环形器102进入光电探测器103，经过光电转换再通过数据采集卡104传入计算机进行处理108。
S2：寻找反射光谱上的极大值点和次极大值点
在步骤S2中，将系统寻找到的极大值记为a(x，y)，x为极大值点在光谱上对应的位置，y为极大值点对应的光强幅值，再找到极大值的左右邻点，将它们的幅值记为y左，y右，若y左<y右，则b＝x+1，反之，b＝x–1，点b即为所求的次极大值点。
S3：在极大值点与次极大值点的邻域进行计算
在步骤3中，设定一个阈值n，在a，b的邻域，即(a-n，a+n)，(b-n，b+n)，进行计算，具体算法为：
λa、λb为布拉格波长的估计值，其中λj、yj分别对应j点的波长和幅值。算法中的阈值点数n，一般不宜太大，因为这样会降低算法的解调速度，而过高的阈值点数并不会无限制的提高算法的解调精度，反而会提高算法对采样点数的要求。通常使其能完整的覆盖FBG反射峰的线性区即可。
S4：对在a，b邻域得到的波长进行计算
在步骤4中，对S3得到的两个波长值λa，λb进行加权平均计算，具体算法为：
其中，λB为所求得的FBG中心波长，ya，yb为极大值点和次极大值点对应的幅值。
依据上述的操作方法，本发明针对静态条件下，不同激光扫描频率和振动信号加持在FBG上后，相同激光扫描频率做了两组对比实验。图4是系统没有接收到外界信号时的解调结果，随着激光扫描频率的增加，反射光谱一个周期内包含的采样点数的减少，而传感系统的解调相对稳定，并且系统的波长分辨率最低达到了0.007pm，满足高精度解调系统的要求。图5是通过信号发生器驱动，将振动信号通过PZT施加在FBG上后得到的解调结果，可以看到，振动信号达到6kHz时，算法依然能够得到很好的解调结果，满足了高速解调系统的要求。
综上所述，本发明研究了一种应用于光线布拉格光栅解调的系统与方法。首先利用扫频激光器和数据采集卡采集带宽为1nm分辨率为0.83pm的反射光谱，再对采集到的光谱数据进行极大值和次极大值查找，在得到的极大值和次极大值的邻域附近进行加权平均计算，得到两个波长结果，根据得到的两个波长结果进行加权运算，得到FBG中心波长，根据中心波长的变化，即可得到待测量的变化。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种应用于光纤布拉格光栅解调的系统，其特征在于，包括：扫频激光光源(101)、环形器(102)、光电探测器(103)、数据采集卡(104)、光纤布拉格光栅(105)、振动平台(106)、信号发生器(107)、以及计算机处理系统(108)，其中扫频激光光源(101)与环形器(102)相连接，环形器(102)分别与光电探测器(103)、光纤布拉格光栅(105)相连接，光电探测器(103)与数据采集卡(104)相连，数据采集卡(104)与及计算机处理系统(107)相连接，所述光纤布拉格光栅(105)与振动平台(106)相连接，振动平台(106)与信号发生器(107)相连接，信号发生器(107)还与扫频激光光源(101)相连接；其中，由信号发生器(107)发出的调制信号控制扫频激光器(101)的扫描，扫频激光器(101)发出的光再通过环形器(102)进入光纤布拉格光栅(105)，由信号发生器(107)发出的驱动电压信号控制振动平台(106)的振动，将振动信号加载在光纤布拉格光栅(105)上，其中满足布拉格波长的光发生反射，通过环形器(102)经光电探测器(103)进行光电转换再进入数据采集卡(104)，再通过数据采集卡传入计算机进行处理(108)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于光纤布拉格光栅解调的系统，其特征在于，所述扫描范围覆盖整个光纤布拉格光栅反射峰的扫频激光光源(101)、环形器(102)、光电探测器(103)、数据采集卡(NI USB-6531)(104)、光纤布拉格光栅(105)、振动平台(106)、信号发生器(107)。
3.一种基于权利要求1所述系统的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：先利用扫频激光光源、光电探测器和数据采集卡采集外界信号，当接收到外界信号的带宽为1nm分辨率为0.83pm的整个光纤布拉格光栅(FBG)的反射光谱；
S2：在采集到的反射光谱上寻找光谱数据的极大值点与次极大值点，分别记为a，b；
S3：设置阈值点数，在a，b两点分别进行幅值和波长的加权平均计算，得到两个不同的波长结果；
S4：对S3得到的两个波长结果进行加权平均计算，即为所求的实时变化的中心波长，通过跟踪中心波长的变化，从而探测待测信号的变化。
4.根据权利要求3所述的解调方法，其特征在于，所述步骤S2中，将系统寻找到的极大值记为a(x，y)，x为极大值点在光谱上对应的位置，y为极大值点对应的光强幅值，再找到极大值的左右邻点，将它们的幅值记为y左，y右，若y左<y右，则b＝x+1，反之，b＝x–1，点b即为所求的次极大值点。
5.根据权利要求4所述的解调方法，其特征在于，所述S3：在极大值点与次极大值点的邻域进行计算，具体包括：
设定一个阈值n，在a，b的邻域，即(a-n，a+n)，(b-n，b+n)，进行计算，具体算法为：
λa、λb为布拉格波长的两个估计值，其中λj、yj分别对应j点的波长和幅值，算法中的阈值点数n，须使其能完整的覆盖FBG反射峰的线性区。
6.根据权利要求5所述的解调方法，其特征在于，所述S4：对在a，b邻域得到的波长进行计算，具体包括：
对S3得到的两个波长值λa，λb进行加权平均计算，具体算法为：
其中，λB为所求得的FBG中心波长，ya，yb为极大值点和次极大值点对应的幅值。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求3-6任一项所述方法的步骤。
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2022
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