[發明專利]基于全息衍射空間成像的高精度光纖光柵傳感器陣列解調系統

有效

• 申請號: 201310393107.2
• 申請日: 2013-09-03
• 公開（公告）號: CN103439009A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 吳智深;孫安
• 申請（專利權）人: 東南大學;江蘇綠材谷新材料科技發展有限公司
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G01D5/26
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所 32250
• 代理人: 王斌

技術領域

本發明涉及一種以全息衍射空間成像為基礎的高分辨率與高精度分布式光纖光柵傳感器陣列解調技術，用于實現高精度監測多個光纖光柵傳感器波長變化。

背景技術

隨著光纖光柵傳感技術在結構健康監測(SHM)等工程中的應用，由于結構應變較小，越來越需要具有高分辨率、高精度靈敏度高的光纖光柵傳感解調系統。目前用于光纖光柵解調的技術主要包括掃描濾波法，干涉儀法等等。但研究及工程實際表明，目前這些技術方法的傳感系統分辨率與精度有限，而實際工程有時需要更高測量分辨率與精度，例如在一些大型工程結構如大跨橋梁、隧道等的長期健康監測，由于應變變化較小，往往要求傳感解調系統具有更高分辨率與精度，以準確測量結構損壞程度，這對結構的長期健康監測具有重要意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種利用全息衍射空間成像技術，結合數模混合濾波與噪聲抵消技術，最后通過高收斂性迭代擬合算法，實現對光纖光柵波長信號的高分辨率與高精度解調的光纖光柵傳感器陣列解調系統，具有測量距離長，檢測速度快，穩定性與可靠性好。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種基于全息衍射空間成像的高分辨率與高精度光纖光柵傳感解調系統，

其特征在于：包括寬帶光源、耦合器、光開關、光纖光柵陣列、全息衍射空間成像單元、CCD光電探測單元、數據采集單元、針對成像光電信號的自適應數模混合濾波單元、數模混合噪聲抵消與處理單元、數據迭代擬合與相關性分析處理單元、電腦顯示與數據處理存儲單元；所述耦合器包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，所述的光開關包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，所述的第一輸出端為多個并輸出端口，所述的第二輸入端為多個并輸入端口；所述光纖光柵陣列由兩個以上的光纖光柵串聯而成；所述全息衍射空間成像單元由光束整形、全息衍射晶體、空間成像物鏡三個子單元依次連接構成；

所述寬帶光源的輸出端連接耦合器的第一輸入端，耦合器的第一輸出端連接所述光開關的第一輸入端，所述光開關的第二輸出端連接所述耦合器的第二輸入端；所述的光纖光柵陣列連接在所述光開關的每個并輸出端口和并輸入端口上；耦合器第二輸出端口連接所述全息衍射空間成像單元的輸入端，全息衍射空間成像單元的輸出端連接所述CCD光電探測單元的輸入端，所述CCD光電探測單元的輸出端依次串聯所述數據采集單元、針對成像光電信號的自適應數模混合濾波單元、數模混合噪聲抵消與處理單元、數據迭代擬合與相關性分析處理單元、電腦顯示與數據處理存儲單元。

本發明是一種以全息衍射空間成像為基礎的高分辨率與高精度分布式光纖光柵傳感器陣列解調技術，寬帶光源發出寬帶光，進入耦合器的第一輸入端口，然后通過耦合器輸出端口進入一具有多個并輸出端口的光開關，然后由光開關某一輸出端口進入光纖光柵傳感器陣列并被反射，反射的脈沖光由光開關原路返回，通過耦合器第二輸出端口，進入全息衍射空間成像單元，然后進入CCD光電探測器。數據采集卡采集光電探測器的輸出信號，依次經過針對成像光電信號的自適應數模混合濾波單元、數模混合噪聲抵消與處理單元，以及數據迭代擬合與相關性分析處理單元，最后在電腦顯示上顯示、分析與存儲檢測結果，以觀測光纖光柵傳感器的脈沖反射信號的變化。

本發明針對系統成像光電信號與噪聲信號特點，設計相應數模混合噪聲抵消與處理單元，通過相關性分析主通道的像光電信號與噪聲信號之和，以及參考通道的參考噪聲-即自適應濾波器的噪聲信號經時延和衰減后的信號，當主通道混合信號與參考噪聲信號不相關時，自適應濾波器將調整自動調整優化參數。通過循環迭代使得噪聲得到最大程度的抵消，而輸出信號達到成像光電信號最佳估計，且均方值為最小。

自適應數模混合濾波單元采用模擬和數字混合電路，通過迭代算法控制調節濾波器的權系數，模擬延遲由多個集成電路并行構成橫向濾波器,?通過乘法型模數轉換器實現濾波器權系數與延遲的抽樣信號的相乘，通過積分器和抽樣保持電路實現模擬延遲輸出的加權和。通過主控單元控制,?濾波器的權系數存儲在數字移位寄存器，并根據異或門輸出端上梯度估計值，以某一固定+2μ或-2μ進行迭代后實時更新存儲。