CN117109646B - 一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法，对参考电信号以及测试电信号进行分组，根据对采样点偏移的不同取值，使得每组参考电信号与测试电信号之间呈现数学上的互相关性，每个互相关系数均对应一组参考电信号与测试电信号，判断出最大的互相关系数，去除掉该互相关系数对应的两组参考电信号以及测试电信号，再根据对采样点偏移的不同取值，使得新的每组参考电信号与测试电信号之间呈现数学上的互相关性，不断迭代循环，最终使得每组参考电信号与测试电信号均对应一偏移量，最终根据采样点偏移矩阵与啁啾光纤光栅的温度以及应力的关系，求解线性啁啾光纤光栅不同位置的传感参数。

Description

一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法。
背景技术
光纤光栅能用于传感的典型特征是它的布拉格波长能够随着外界的温度和应力的改变而发生偏移。而这一特性在啁啾光纤光栅上得到了很好的延伸。
啁啾光纤光栅具有很宽的反射光谱，长度一般分布在15~50 mm之间。啁啾光纤光栅在不同位置反射不同波长的光，因此在不同位置可以检测大小不一的传感参数，通过解调啁啾光纤光栅的光谱，能够检测温度与应力的空间变化率，而不仅仅是它们的时间变化率。因此很多光纤传感领域的专家对啁啾光纤光栅的传感性能展开了研究，利用啁啾光纤光栅检测非均匀温度场、不连续应变场等，实现分布式传感，并针对啁啾光纤光栅的光谱提出了许多解调算法，提高了传感的分辨率、反应时间等参数。
线性啁啾光纤光栅是在轴向上不同位置反射的光的布拉格波长均不同的一种啁啾光纤光栅，线性啁啾光纤光栅的光谱带宽一般很大，由于在轴向上不同位置反射的光的布拉格波长不同，因此能够实现对传感参量的空间变化率的检测，通过测量沿线性啁啾光纤光栅轴向变化的温度场或者应力场，但由于变化的温度场或者应力场会导致线性啁啾光纤光栅的光谱发生展宽或者压缩，如何解调线性啁啾光纤光栅不同位置反射光的波长偏移量成为一大难点。现有的方法主要依靠光谱重建算法，计算复杂，依赖光谱的仿真结果，需要综合考虑光栅参数与环境因素对光谱的影响，十分不便。
发明内容
本发明解决的问题是：提供一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法，能够有效解调线性啁啾光纤光栅轴向上不同位置反射光的波长偏移量，便于工作人员根据求出的波长偏移量实现对传感参量的空间变化率的检测。
为解决上述问题，本发明提供一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法，包括以下步骤：
S1、将宽带光源上的宽带激光经过未施加温度和/或应力的线性啁啾光纤光栅，使得宽带激光在线性啁啾光纤光栅内轴向上的不同位置进行反射处理后，获得参考光信号；
S2、将宽带光源上的宽带激光经过施加温度和/或应力的线性啁啾光纤光栅，使得宽带激光在线性啁啾光纤光栅内轴向上的不同位置进行反射处理后，获得测试光信号；
S3、将参考光信号以及测试光信号分别转换为参考电信号以及测试电信号，参考电信号以及测试电信号均由n个连续且强度不一的采样点组成；
S4、对参考电信号以及测试电信号进行滤波处理，以去除高频噪声；
S5、根据参考电信号以及测试电信号中采样点的变化趋势，对处于上升状态的采样点取正值，对处于下降状态的采样点取负值；
S6、将参考电信号分为组，每组参考电信号均包括n’个采样点，不足一组的采样点舍弃；
S7、定义各采样点的布拉格波长为，i=1,2,3...n，定义每相邻的两个采样点之间间隔为/>，定义测试电信号与参考电信号之间采样点偏移为/>个采样点，波长偏移量为/>，其中，/>；
S8、，并判断当前的参考电信号与测试电信号中是否存在采样点，如果存在，转向步骤S9，如果不存在，则转向步骤S15；
S9、判断是否大于/>，如果/>＞/>，则转向步骤S13，如果/>≤，则转向步骤S10；
S10、从第+1个采样点开始，以n’个采样点为一组对测试电信号进行分组，采样点不足的用0值补充，使得测试电信号也分为/>组；
S11、计算波长偏移量为时，每组参考电信号与对应组的测试电信号之间的互相关系数/>，互相关系数/>的表达式如下：
，
一式中，N代表第N组电信号，N’代表第N组电信号的第一个采样点的波长序号，代表参考电信号，/>代表测试电信号；二式中，z代表布拉格波长/>对应的位置与线性啁啾光纤光栅长波长端的位置之间的相对距离，/>代表线性啁啾光纤光栅的有效折射率，/>代表线性啁啾光纤光栅长波长端的周期，C代表线性啁啾系数；
S12、，返回步骤S9；
S13、判断出当前所有互相关系数中最大的互相关系数/>；
S14、记录互相关系数所对应的两组参考电信号与测试电信号的采样点偏移/>，并去除互相关系数/>所对应的两组参考电信号与测试电信号中的n’个采样点，获得新的参考电信号与测试电信号，返回步骤S8；
S15、将记录的每组测试电信号对应的采样点偏移组成采样点偏移矩阵M；
S16、根据采样点偏移矩阵M中的各采样点偏移与线性啁啾光纤光栅的温度以及应力的关系，求解线性啁啾光纤光栅不同位置的传感参数。
本方法的有益效果为，去除高频噪声后，使得计算结果更加精准；对处于上升状态的采样点取正值，对处于下降状态的采样点取负值，可以在求互相关系数时，变化状态相反的采样点会起到减小互相关系数的作用；通过上述不断循环求解，最终得到采样点偏移矩阵M，根据采样点偏移矩阵M中的各采样点偏移/>与线性啁啾光纤光栅的温度以及应力的关系，从而求解出线性啁啾光纤光栅不同位置的传感参数，提高线性啁啾光纤光栅检测温度和应力的空间变化率的能力；本发明不需要仿真线性啁啾光纤光栅的光谱，通过分组分析传感条件改变前后的光谱信号的互相关系数，计算得到每组光谱的波长偏移量，分辨率高，计算结果准确，计算简单。
进一步地，步骤S2中，线性啁啾光纤光栅的末端浸入油中。
该设置的有益效果为，防止线性啁啾光纤光栅的末端发生反向菲涅尔反射。
进一步地，步骤S3中，通过光谱分析仪将参考光信号以及测试光信号分别转换为参考电信号以及测试电信号。
该设置的有益效果为，光谱分析仪可以有效地转换光电信号，方便工作人员操作。
进一步地，步骤S4中，通过小波变换算法对参考电信号以及测试电信号进行滤波处理。
该设置的有益效果为，小波变换算法可以根据噪声与信号在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布的特点，将各频带上的噪声对应的小波系数去除，保留原始信号的小波分解系数，然后对处理后的系数进行小波重构，得到纯净信号。
进一步地，步骤S16中，温度与矩阵M中的各采样点偏移的关系式如下：
，
其中为热光学系数，/>为外部温度变化增量，/>即波长偏移增量/>。
该设置的有益效果为，该公式能够有效求出温度与采样点偏移之间的关系。
进一步地，步骤S16中，应力F与矩阵M中的各采样点偏移的关系式如下：
其中，是光纤的有效光弹性常数，/>是光栅的有效折射率，k为线性系数。
该设置的有益效果为，该公式能够有效求出应力F与采样点偏移之间的关系。
附图说明
图1为本发明各步骤的简易流程示意图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本实施例提供一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法，包括以下步骤：
S1、将宽带光源上的宽带激光经过未施加温度和/或应力的线性啁啾光纤光栅，使得宽带激光在线性啁啾光纤光栅内轴向上的不同位置进行反射处理后，获得参考光信号；
具体的，本实施例中，本实施例中，该线性啁啾光纤光栅由单模光纤通过相位掩膜版的方法制成，线性啁啾光纤光栅长度为4.5cm，起始波长为1010 nm，带宽为40 nm，啁啾率为8.9 nm/cm；宽带光源的波长范围为1000nm~1060nm；可以将宽带光源通过一个具有三端口的光纤环形器的第一端口进入线性啁啾光纤光栅，使得不同波长的光在线性啁啾光纤光栅轴向上的不同位置发生反射，反射光会通过光纤环形器第二端口返回光纤环形器；
S2、将宽带光源上的宽带激光经过施加温度和/或应力的线性啁啾光纤光栅，使得宽带激光在线性啁啾光纤光栅内轴向上的不同位置进行反射处理后，获得测试光信号；
具体的，此时对线性啁啾光纤光栅施加温度变化和/或应力变化，此时的反射光相对于步骤S1中的反射光产生了波长偏移，即测试光信号与参考光信号之间产生了波长偏移量；
S3、将参考光信号以及测试光信号分别转换为参考电信号以及测试电信号，参考电信号以及测试电信号均由n个连续且强度不一的采样点组成；
具体的，反射光可以通过光纤环形器的第三端口进入光谱分析仪，通过光谱分析仪将所述参考光信号以及测试光信号分别转换为参考电信号以及测试电信号，光谱分析仪可以有效地转换光电信号，方便工作人员操作；光谱分析仪以及光纤环形器属于本领域公知常识，因此在本申请中就不再做出过多的赘述；
S4、对参考电信号以及测试电信号进行滤波处理，以去除高频噪声；
具体的，通过小波变换算法对所述参考电信号以及测试电信号进行滤波处理，小波变换算法可以根据噪声与信号在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布的特点，将各频带上的噪声对应的小波系数去除，保留原始信号的小波分解系数，然后对处理后的系数进行小波重构，得到纯净信号；光谱分析仪会将参考电信号以及测试电信号输入计算机，由计算机中的软件、程序或指令集执行本发明中的算法步骤，本实施例中，通过MATLAB软件执行本发明中的算法步骤，小波变换算法属于本领域技术人员的公知常识，因此在本申请中就不再做出过多的赘述；
S5、根据参考电信号以及测试电信号中采样点的变化趋势，对处于上升状态的采样点取正值，对处于下降状态的采样点取负值；
具体的，对参考电信号以及测试电信号中的各采样点强度进行绝对值处理，上升状态的采样点取绝对值，下降状态的采样点取绝对值后添负号，这样变化趋势相反的采样点会在后续过程中起到减小互相关系数的作用；
S6、将参考电信号分为组，每组参考电信号均包括n’个采样点，不足一组的采样点舍弃；
具体的，本实施例中，n’=40，即每个起伏周期均包括40个采样点；
S7、定义各采样点的布拉格波长为，i=1,2,3...n，定义每相邻的两个采样点之间间隔为/>，定义测试电信号与参考电信号之间采样点偏移为/>个采样点，波长偏移量为/>，其中，/>；
具体的，也即光谱分析仪的分辨率，且/>为定值，在线性啁啾光纤光栅同一位置反射的测试光信号与参考光信号具有对应关系，所以测试电信号与参考电信号也会具有对应关系，且测试电信号相对于参考电信号会存在/>个采样点的偏移，在实际操作过程中，工作人员会对采样点偏移/>的取值范围会有经验的判断，在决定/>的取值范围时，通常会将/>设定的较小，/>设定的较大，使得采样点偏移/>的范围足够大，确保实际的采样点偏移/>能够完全落入该范围；
S8、，并判断当前的参考电信号与测试电信号中是否存在采样点，如果存在，转向步骤S9，如果不存在，则转向步骤S15；
具体的，即采样点偏移从取值范围的最小端点值/>开始取值；如果参考电信号与测试电信号中已经不存在采样点，则说明整体循环结束，需要跳出整体循环；否则继续执行S9；
S9、判断是否大于/>，如果/>＞/>，则转向步骤S13，如果/>≤，则转向步骤S10；
具体的，如果＞/>，则说明此时采样点偏移/>的值已经依次取完，本轮循环完毕，已经计算出本轮循环的所有互相关系数/>，此时需要跳出本轮循环，否则执行S10，具体见下述步骤；
S10、从第+1个采样点开始，以n’个采样点为一组对测试电信号进行分组，采样点不足的用0值补充，使得测试电信号也分为/>组；
具体的，的取值可能为负，所以需要加绝对值，另外，从第/>+1个采样点开始对测试电信号分组，是为了依次用不同取值的/>对测试电信号分组，使得不同取值的下，均会计算出一组互相关系数/>，具体见下述步骤，由于本实施例步骤S6中，n’=40，所以测试电信号中也是每40个采样点分为一组，采样点不足的用0值补充，测试电信号和参考电信号会组数相同，即均为/>组，也即测试电信号与参考电信号的组数之间会一一对应。
S11、计算波长偏移量为时，每组参考电信号与对应组的测试电信号之间的互相关系数/>，互相关系数/>的表达式如下：
，
一式中，N代表第N组电信号，N’代表第N组电信号的第一个采样点的波长序号，代表参考电信号，/>代表测试电信号；二式中，z代表布拉格波长/>对应的位置与线性啁啾光纤光栅长波长端的位置之间的相对距离，/>代表线性啁啾光纤光栅的有效折射率，/>代表线性啁啾光纤光栅长波长端的周期，C代表线性啁啾系数；
具体的，是一个关于/>和N的函数，将当前取值的波长偏移量/>代入上式，会计算出一组的互相关系数/>，即每个互相关系数/>都会对应一组参考电信号与测试电信号，将对应的该组参考电信号与测试电信号记为第N组信号；二式可以计算出每个采样点的布拉格波长/>对应的在线性啁啾光纤光栅中的位置；
S12、，返回步骤S9；
具体的，即采样点偏移的值需要从/>开始依次加1向后取，直至取到/>；然后依次把不同取值的/>代入到步骤S11中计算出对应的一组互相关系数/>；
S13、判断出当前所有互相关系数中最大的互相关系数/>；
S14、记录互相关系数所对应的两组参考电信号与测试电信号的采样点偏移，并去除互相关系数/>所对应的两组参考电信号与测试电信号中的n’个采样点，获得新的参考电信号与测试电信号，返回步骤S8；
具体的，记录互相关系数所对应的两组参考电信号与测试电信号的采样点偏移/>，是为了能够在后续步骤组成偏移量矩阵；在当前所有互相关系数/>中找出最大的互相关系数/>，该互相关系数/>对应第N组参考电信号与测试电信号，此时需要将第N组的参考电信号与测试电信号中的采样点去除，获得新的参考电信号与测试电信号，此时需要返回步骤S8对新的参考电信号与测试电信号进行重新计算，直至参考电信号与测试电信号中不存在采样点为止。
S15、将记录的每组测试电信号对应的采样点偏移组成采样点偏移矩阵M；
具体的，此时循环结束，将之前记录的每组测试电信号对应的采样点偏移组成偏移矩阵M，矩阵中的元素位置与第N组的采样点偏移m之间有对应关系，比如第一组的测试电信号对于的采样点偏移/>对应矩阵中第一行第一列，第二组的测试电信号对于的采样点偏移/>对应矩阵中第一行第二列，本领域技术人员可以根据实际情况灵活调整；
S16、根据采样点偏移矩阵M中的各采样点偏移与线性啁啾光纤光栅的温度以及应力的关系，求解线性啁啾光纤光栅不同位置的传感参数。
具体的，温度与矩阵M中的各采样点偏移的关系式如下：
，
其中为热光学系数，/>为外部温度变化增量，/>即波长偏移量/>；当线性啁啾光纤光栅外部环境温度/>发生变化时，光热效应导致反射光谱波长发生/>的偏移。
应力与矩阵M中的各采样点偏移的关系式如下：
，
其中，为应力，/>是光纤的有效光弹性常数，/>是光栅的有效折射率，k为线性系数。
具体的，参考电信号电分组后，40个点为一组，每组第20个点对应的位置为这一组采样点的平均位置。偏移矩阵M中包含了每一组参考电信号和测试电信号采样点的采样点偏移，因此每组中的平均位置对应一个采样点偏移/>，这个采样点偏移/>是由于线性啁啾光纤光栅的温度和/或应力的改变产生的。当端部固定的线性啁啾光纤光栅在弹性变形范围内受到任意应力作用时，线性啁啾光纤光栅会产生纵向应变/>，/>的大小与施加在线性啁啾光纤光栅上的应力大小F呈线性关系，并且导致线性啁啾光纤光栅波长发生的偏移，即发生/>的波长偏移量；此时由于步骤S11中的二式已经可以计算出每个采样点的布拉格波长/>对应的在线性啁啾光纤光栅中的位置，所以也能根据上述的应力以及温度与矩阵M中的各采样点偏移/>的关系进一步求解出线性啁啾光纤光栅不同位置的传感参数。
在本发明的优选实施例中，步骤S2中，线性啁啾光纤光栅的末端浸入油中。这样可以防止线性啁啾光纤光栅的末端发生反向菲涅尔反射。油的类型不做限制。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将宽带光源上的宽带激光经过未施加温度和/或应力的线性啁啾光纤光栅，使得所述宽带激光在所述线性啁啾光纤光栅内轴向上的不同位置进行反射处理后，获得参考光信号；
S2、将宽带光源上的宽带激光经过施加温度和/或应力的线性啁啾光纤光栅，使得所述宽带激光在所述线性啁啾光纤光栅内轴向上的不同位置进行反射处理后，获得测试光信号；
S3、将所述参考光信号以及测试光信号分别转换为参考电信号以及测试电信号，所述参考电信号以及测试电信号均由n个连续且强度不一的采样点组成；
S4、对所述参考电信号以及测试电信号进行滤波处理，以去除高频噪声；
S5、根据所述参考电信号以及测试电信号中采样点的变化趋势，对处于上升状态的采样点取正值，对处于下降状态的采样点取负值；
S6、将所述参考电信号分为组，每组所述参考电信号均包括n’个采样点，不足一组的采样点舍弃；
S7、定义各所述采样点的布拉格波长为，i=1,2,3...n，定义每相邻的两个所述采样点之间间隔为/>，定义所述测试电信号与所述参考电信号之间采样点偏移为/>个采样点，波长偏移量为/>，其中，/>；
S8、，并判断当前的所述参考电信号与测试电信号中是否存在采样点，如果存在，转向步骤S9，如果不存在，则转向步骤S15；
S9、判断是否大于/>，如果/>＞/>，则转向步骤S13，如果/>≤/>，则转向步骤S10；
S10、从第+1个采样点开始，以n’个采样点为一组对所述测试电信号进行分组，采样点不足的用0值补充，使得所述测试电信号也分为/>组；
S11、计算所述波长偏移量为时，每组所述参考电信号与对应组的所述测试电信号之间的互相关系数/>，所述互相关系数/>的表达式如下：
，
一式中，N代表第N组电信号，N’代表第N组电信号的第一个采样点的波长序号，代表参考电信号，/>代表测试电信号；二式中，z代表布拉格波长/>对应的位置与线性啁啾光纤光栅长波长端的位置之间的相对距离，/>代表线性啁啾光纤光栅的有效折射率，/>代表线性啁啾光纤光栅长波长端的周期，C代表线性啁啾系数；
S12、，返回步骤S9；
S13、判断出当前所有互相关系数中最大的互相关系数/>；
S14、记录所述互相关系数所对应的两组参考电信号与测试电信号的采样点偏移，并去除所述互相关系数/>所对应的两组参考电信号与测试电信号中的n’个采样点，获得新的参考电信号与测试电信号，返回步骤S8；
S15、将记录的每组所述测试电信号对应的采样点偏移组成采样点偏移矩阵M；
S16、根据所述采样点偏移矩阵M中的各采样点偏移与所述线性啁啾光纤光栅的温度以及应力的关系，求解所述线性啁啾光纤光栅不同位置的传感参数。
2.根据权利要求1所述的一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法,其特征在于，步骤S2中，所述线性啁啾光纤光栅的末端浸入油中。
3.根据权利要求2所述的一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法,其特征在于，步骤S3中，通过光谱分析仪将所述参考光信号以及测试光信号分别转换为参考电信号以及测试电信号。
4.根据权利要求3所述的一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法,其特征在于，步骤S4中，通过小波变换算法对所述参考电信号以及测试电信号进行滤波处理。
5.根据权利要求4所述的一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法,其特征在于，步骤S16中，温度与矩阵M中的各采样点偏移的关系式如下：
，
其中为热光学系数，/>为温度变化增量，/>即所述波长偏移量/>。
6.根据权利要求5所述的一种线性啁啾光纤光栅的传感解调方法,其特征在于，步骤S16中，应力与矩阵M中的各采样点偏移的关系式如下：
，
其中，为应力，/>是光纤的有效光弹性常数，/>是光栅的有效折射率，k为线性系数。
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