CN118089804A - 基于pid算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于PID算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法及装置，该方法包括：预先扫描光纤光栅传感器光谱，利用各个FBG光谱斜坡确定不同传感器的工作点波长及对应的目标反射光强；将任一工作点波长对应的电流或电压的时间序列拼接形成可调谐光源初始调制信号；可调谐光源根据可调谐光源初始调制信号依次输出不同工作点波长；对各个FBG传感器进行光谱探测，利用PID控制算法调整可调谐光源输出波长，直至监测的反射光强恢复至目标反射光强；根据可调谐光源输出波长的变化解调得到FBG传感器温度应变的变化，实现闭环FBG高速测量和解调。本发明避免了现有可调谐光源方案全光谱范围高精度扫描和FBG光谱拟合过程，减少了系统扫描时间和峰值拟合时间。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于PID算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法及装置。
背景技术
光纤布拉格光栅(FBG)传感器具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、传感灵敏度高、可实现准分布式测量等优点，是一种重要的光纤器件。经过40年的技术发展，光纤布拉格光栅已广泛应用于光通信网络、光纤激光器和光纤传感多个领域，获得了极大的应用价值和商业价值。光纤传感解调系统作为光纤光栅传感系统中的重要组成部分，其性能直接影响整个测量系统的性能。目前，有很多种方法可以实现FBG传感器波长的解调，主要包括直接采用光谱成像解调法、可调谐光源解调法，滤波解调法、干涉仪解调法等。
光谱成像解调法是通过将光纤光栅反射光谱波长信息转换为空间光强的分布，探测不同位置处的光强实现光谱成像，是目前应用较为成熟的一种光纤光栅传感器解调方法。当外界环境引起光栅参数变化时，光电探测器(CCD或InGaAs)阵列的空间位置强度值也会发生平移，通过平移量即可算出外部物理量的变化值。光谱成像方案具备解调范围大、响应速度快、产品成熟度高等优点，但是其光谱分辨率与色散元件、空间光路长度和光电探测器阵列的空间分辨率相关，难以兼顾高精度和小尺寸等性能指标，并且无法实现多通道实时测量。
可调谐光源解调法通过激光光源在一定波长范围内的扫描，探测不同波长处FBG传感器的反射光强度，获得FBG传感器的反射光谱实现高精度测量的解调方法。可调谐激光器的波长扫描可通过可调谐激光器、可调谐滤波器等方法实现，当可调谐窄带激光器的输出波长与待测光栅的中心波长相匹配时，光电探测模块所接收到的反射光的光强最大。可调谐光源解调法具备较高的信噪比、解调范围宽和波长分辨率高、多通道同时测量等优点，但是宽光谱的高分辨率扫描会导致系统测量时间和数据量增加，对硬件系统和解调算法提出了更高的要求。
滤波器解调法采用光学滤波器件对传感光信号进行监测，使特定波长的传感光信号通过，根据探测信号的强度确定FBG反射光谱，具有结构简单、易于实现等优点。干涉仪解调法主要利用光学相干特性，将FBG反射波长的变化转换为相位差变化进行检测，具有灵敏度高，响应速度快的优势。但是光学滤波器件和干涉仪都易受外部环境(温度、振动)的干扰，容易引入测量误差，对使用环境的稳定性要求较高。
综上所述，基于可调谐半导体激光器的光纤光栅解调方案具有最少的器件和较高的信噪比，同时能够实现多通道同时测量，具备良好的应用前景，尤其是面向小型化和低成本的结构监测。但是受限于测量原理，在实际应用中需要平衡测量范围、测量精度和测量时间等指标，无法实现高性能光纤光栅传感监测。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
根据本发明的一方面，提供了一种基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法，该基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法包括：预先扫描光纤光栅传感器光谱，利用各个FBG光谱斜坡确定不同传感器的工作点波长及对应的目标反射光强；根据确定的不同传感器的工作点波长，将任一工作点波长对应的电流或电压的时间序列拼接形成可调谐光源初始调制信号；可调谐光源根据可调谐光源初始调制信号依次输出不同工作点波长；对各个FBG传感器进行光谱探测，利用PID控制算法调整可调谐光源输出波长，直至监测的反射光强恢复至目标反射光强；根据可调谐光源输出波长的变化解调得到FBG传感器温度应变的变化，实现闭环FBG高速测量和解调。
进一步地，根据实现PID控制，其中，u(k)是PID控制器输出的控制量；e(i)是从控制开始时的第i次计算时实际反射光强与目标反射光强Iw的偏差值；e(k)为本次实际光强与目标反射光强Iw的偏差值；e(k-1)为上一次实际光强与目标反射光强Iw的偏差值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置，该基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置采用如上所述的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法实现闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调。
进一步地，基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置包括：可调谐光源模块、光隔离器、光耦合器、环形器、多个FBG传感器、光电探测模块、数据处理与PID控制模块和波长调谐控制模块，可调谐光源模块输出的光信号经光隔离器后进入光耦合器实现多路复用；光耦合器与环形器的第一端口连接，多个FBG传感器串联后与环形器的第二端口连接，光电探测模块与环形器的第三端口连接，FBG传感器的反射光信号经环形器后进入光电探测模块，光电探测模块用于对光信号进行光电转换，数据处理与PID控制模块分别与光电探测模块和波长调谐控制模块连接，数据处理与PID控制模块用于采用PID控制算法更新可调谐光源模块输出波长，同时根据波长变化获取待测参量，波长调谐控制模块与可调谐光源模块链接，波长调谐控制模块用于根据更新后的可调谐光源模块输出波长控制调整可调谐光源模块，形成闭环FBG传感系统。
进一步地，基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置还包括实时显示模块，实时显示模块与数据处理与PID控制模块连接以输出待测参量。
进一步地，可调谐光源模块通过DBR、DFB、外腔可调谐激光器或宽带光源+可调窄带滤波器实现光源波长调制。
进一步地，数据处理与PID控制模块采用计算机或独立的FPGA开发板。
应用本发明的技术方案，提供了一种基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法及装置，该基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法利用FBG传感器光谱的斜坡和PID控制算法，调节光源输出波长实现测量系统工作点追踪，通过可调光源输出波长移动确定FBG传感器反射波长，避免现有可调谐光源方案全光谱范围高精度扫描和FBG光谱拟合过程，减少了系统扫描时间和峰值拟合时间。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法的工作原理示意图；其中，图1(a)为光纤光栅初始反射光谱图，图1(b)为光纤光栅受到外界应变或温度改变时的反射光谱图，图1(c)为采用本发明的解调方法控制恢复后的光纤光栅反射光谱图；
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置的工作原理示意图；
图3示出了根据本发明的具体实施例提供的基于PID控制算法的斜坡辅助多FBG测量示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据本发明的具体实施例，提供了一种基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法，该基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法包括：预先扫描光纤光栅传感器光谱，利用各个FBG光谱斜坡确定不同传感器的工作点波长及对应的目标反射光强；根据确定的不同传感器的工作点波长，将任一工作点波长对应的电流或电压的时间序列拼接形成可调谐光源初始调制信号；可调谐光源根据可调谐光源初始调制信号依次输出不同工作点波长；对各个FBG传感器进行光谱探测，利用PID控制算法调整可调谐光源输出波长，直至监测的反射光强恢复至目标反射光强；根据可调谐光源输出波长的变化解调得到FBG传感器温度应变的变化，实现闭环FBG高速测量和解调。
应用此种配置方式，提供了一种基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法，该基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法利用FBG传感器光谱的斜坡和PID控制算法，调节光源输出波长实现测量系统工作点追踪，通过可调光源输出波长移动确定FBG传感器反射波长，避免现有可调谐光源方案全光谱范围高精度扫描和FBG光谱拟合过程，减少了系统扫描时间和峰值拟合时间。
光纤布拉格光栅传感器是一种通过激光加工等手段使纤芯的折射率在轴向产生周期性变化的光纤器件，属于反射型带通滤波器，其工作原理可以理解为满足布拉格条件的光波会被反射回去,其他波长的光则会继续向后传输。任何使光纤光栅折射率和周期发生改变的外界因素(应变、温度等)都将引起光栅布拉格波长的漂移。解调设备就是通过获取返回的布拉格的光谱峰值的变化量来实现对温度和应变的测量。
对于FBG的反射光谱曲线，理论上其强度最大值位于中心波长处，并反射光谱可以用高斯函数近似表达为其中，λ为FBG的反射波长，λB为FBG反射峰的中心波长。ΔλB为FBG反射谱的半高全宽，I0为FBG反射谱的峰值光强。
光纤光栅光谱的单侧斜坡为单调函数，因此，如图1(a)所示，可首先设定激光器输出波长在工作点位置处λw，记录光谱强度Iw；当光纤光栅受到外界应变或温度改变时，光纤的反射光谱发生移动，而激光器输出波长仍处在λw，此时反射光强变为Iw ’。若FBG光谱向高波长方向移动，则Iw ’<Iw，如图1(b)所示；若FBG光谱向低波长移动，则Iw ’>Iw。然后通过PID控制算法调节激光器输出的波长为λw1，使反射光强再次回到Iw，如图1(c)所示，这时激光器输出波长的变化量即为发生改变后光纤FBG光谱的移动量，从而实现光纤光栅快速在线波长解调，并且形成闭环FBG传感系统。
根据上述分析可知，在本发明中，为了实现基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调，首先预先扫描光纤光栅传感器光谱，利用各个FBG光谱斜坡确定不同传感器的工作点波长及对应的目标反射光强；然后根据确定的不同传感器的工作点波长，将任一工作点波长对应的电流或电压的时间序列拼接形成可调谐光源初始调制信号。
进一步地，在本发明中，可调谐光源根据可调谐光源初始调制信号依次输出不同工作点波长；对各个FBG传感器进行光谱探测；当FBG传感器所在外界环境温度或所受应变发生变化时，将引起该传感器对应反射光源波长的强度变化，由此可利用PID控制算法重新将可调谐光源输出波长调整到新的工作点波长，恢复监测的反射光强至目标反射光强。
PID控制算法用于根据接收到的反射光强的变化，采用PID控制方式计算得到光源输出波长的调整量。作为本发明的一个具体实施例，可根据实现PID控制，其中，u(k)是PID控制器输出的控制量，即可调谐光源输出波长调整量；e(i)是从控制开始时的第i次计算时实际反射光强与目标反射光强Iw的偏差值；e(k)为本次实际光强与目标反射光强Iw的偏差值；e(k-1)为上一次实际光强与目标反射光强Iw的偏差值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。
进一步地，在本发明中，根据可调谐光源输出波长的变化即可解调得到FBG传感器温度应变的变化，实现闭环FBG高速测量和解调。
本发明的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法，利用FBG传感器光谱的斜坡(波长-强度单调曲线)和PID控制算法，调节光源输出波长实现测量系统工作点追踪，通过可调光源输出波长移动确定FBG传感器反射波长，避免现有可调谐光源方案全光谱范围高精度扫描和FBG光谱拟合过程，减少了系统扫描时间和峰值拟合时间，为高性能光纤光栅传感监测提供解调新型方案。
如图2所示，根据本发明的另一方面，提供了一种基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置，该基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置采用如上所述的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法实现闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调；该基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置包括：可调谐光源模块、光隔离器、光耦合器、环形器、多个FBG传感器、光电探测模块、数据处理与PID控制模块和波长调谐控制模块，可调谐光源模块输出的光信号经光隔离器后进入光耦合器实现多路复用；光耦合器与环形器的第一端口连接，多个FBG传感器串联后与环形器的第二端口连接，光电探测模块与环形器的第三端口连接，FBG传感器的反射光信号经环形器后进入光电探测模块，光电探测模块用于对光信号进行光电转换，数据处理与PID控制模块分别与光电探测模块和波长调谐控制模块连接，数据处理与PID控制模块用于采用PID控制算法更新可调谐光源模块输出波长，同时根据波长变化获取待测参量，波长调谐控制模块与可调谐光源模块链接，波长调谐控制模块用于根据更新后的可调谐光源模块输出波长控制调整可调谐光源模块，形成闭环FBG传感系统。
应用此种配置方式，如图3所示，通过预先扫描全光谱获取不同FBG传感器的工作点波长λw_FBG1,λw_FBG2,…λw_FBGN及其对应光强Iw1,Iw2,…IwN，测量开始时波长调谐控制模块依次输出N个工作点的控制电流(或电压)序列，在时间上可调谐光源模块依次输出N个工作点的波长，对N个FBG传感器进行探测，当某个FBG传感器光谱发生移动时，调节对应波长控制参量，将反射光强追踪到目标光强即可。
本发明的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量装置，利用工作频率点光纤光栅传感器反射光功率，作为监测参量。通过初始FBG反射光功率监测——温度/应变引起反射光功率变化——PID控制可调谐光源输出波长——FBG反射光功率恢复初始值，使斜坡辅助光纤光栅测量系统形成了闭环，能够高速测量与解调温度/应变。相比于现有可调谐光源FBG解调方案，避免每次测量全光谱高精度扫描和光纤光栅光谱拟合过程，大幅提升可调谐光源FBG解调系统性能。
进一步地，在本发明中，基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置还包括实时显示模块，实时显示模块与数据处理与PID控制模块连接以输出待测参量，如温度或应变等。
作为本发明的一个具体实施例，可调谐光源模块用作FBG光谱探测光源，可调谐光源模块可通过DBR、DFB、外腔可调谐激光器或宽带光源+可调窄带滤波器等实现光源波长调制；根据不同光源模块采用不同的波长调谐控制，如电流、电压等；数据处理与PID控制模块可以通过计算机实现，也可以利用独立的FPGA开发板实现。
本发明为可调谐光源FBG测量系统提供了高速测量和解调方案，完美继承了可调谐光源的小型化、低成本、高信噪比等优点的同时，不需要耗时的全光谱高精度扫描和FBG光谱拟合的过程，具有以下优势：
1)系统能够实现FBG传感器高速测量和在线解调，通过闭环反馈控制，实时追踪FBG光谱工作点，避免了现有FBG测量全光谱高精度扫描和FBG光谱拟合的过程，减少了系统扫描时间和峰值拟合时间，根据可调光源输出波长即可确定FBG传感器反射峰值移动，实现数据高速测量和在线解调；
2)系统能够具备多通道、多测点、大动态范围测量能力，通过光纤分束器和多路探测器可实现多通道监测；提前获取待测通道光纤光栅传感器的测量光谱，根据光谱个数和工作点的波长，依次获取不同传感器工作点反射功率的变化，即可实现多测点准分布式检测；调节PID参数能够使快速追踪光纤光栅工作点，实现大范围测量；
3)系统具备较高的抗干扰能力，PID控制算法适应性好，具有较强的鲁棒性和工程实用性。
综上所述，本发明提供了一种基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法及装置，该基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法利用FBG传感器光谱的斜坡和PID控制算法，调节光源输出波长实现测量系统工作点追踪，通过可调光源输出波长移动确定FBG传感器反射波长，避免现有可调谐光源方案全光谱范围高精度扫描和FBG光谱拟合过程，减少了系统扫描时间和峰值拟合时间。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法，其特征在于，所述基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法包括：
预先扫描光纤光栅传感器光谱，利用各个FBG光谱斜坡确定不同传感器的工作点波长及对应的目标反射光强；
根据确定的不同传感器的工作点波长，将任一工作点波长对应的电流或电压的时间序列拼接形成可调谐光源初始调制信号；
可调谐光源根据所述可调谐光源初始调制信号依次输出不同工作点波长；
对各个FBG传感器进行光谱探测，利用PID控制算法调整可调谐光源输出波长，直至监测的反射光强恢复至所述目标反射光强；
根据可调谐光源输出波长的变化解调得到FBG传感器温度应变的变化，实现闭环FBG高速测量和解调。
2.根据权利要求1所述的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法，其特征在于，根据实现PID控制，其中，u(k)是PID控制器输出的控制量；e(i)是从控制开始时的第i次计算时实际反射光强与目标反射光强Iw的偏差值；e(k)为本次实际光强与目标反射光强Iw的偏差值；e(k-1)为上一次实际光强与目标反射光强Iw的偏差值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。
3.一种基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置，其特征在于，基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置采用如权利要求1和2所述的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法实现闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调。
4.根据权利要求3所述的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置，其特征在于，所述基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置包括：可调谐光源模块、光隔离器、光耦合器、环形器、多个FBG传感器、光电探测模块、数据处理与PID控制模块和波长调谐控制模块，所述可调谐光源模块输出的光信号经所述光隔离器后进入所述光耦合器实现多路复用；所述光耦合器与所述环形器的第一端口连接，多个FBG传感器串联后与所述环形器的第二端口连接，所述光电探测模块与所述环形器的第三端口连接，FBG传感器的反射光信号经所述环形器后进入所述光电探测模块，所述光电探测模块用于对光信号进行光电转换，所述数据处理与PID控制模块分别与所述光电探测模块和所述波长调谐控制模块连接，所述数据处理与PID控制模块用于采用PID控制算法更新可调谐光源模块输出波长，同时根据波长变化获取待测参量，所述波长调谐控制模块与所述可调谐光源模块链接，所述波长调谐控制模块用于根据更新后的可调谐光源模块输出波长控制调整所述可调谐光源模块，形成闭环FBG传感系统。
5.根据权利要求4所述的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置，其特征在于，所述基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置还包括实时显示模块，所述实时显示模块与所述数据处理与PID控制模块连接以输出待测参量。
6.根据权利要求4所述的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置，其特征在于，所述可调谐光源模块通过DBR、DFB、外腔可调谐激光器或宽带光源+可调窄带滤波器实现光源波长调制。
7.根据权利要求4所述的基于PID控制算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调装置，其特征在于，所述数据处理与PID控制模块采用计算机或独立的FPGA开发板。
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| CN202211501550.2A CN118089804A (zh) | 2022-11-28 | 2022-11-28 | 基于pid算法的闭环斜坡辅助光纤光栅测量解调方法及装置 |
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