[發明專利]應用于光纖布拉格光柵波長解調的快速高斯擬合方法

有效

• 申請號: 201610176597.4
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN105783953B
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 李政穎;王加琪;包琨超;陳曉威;王洪海;姜德生
• 申請（專利權）人: 武漢烽理光電技術有限公司
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 許美紅

技術領域

本發明涉及光纖光柵解調技術領域，具體地指一種應用于光纖布拉格光柵波長解調的快速高斯擬合方法。

背景技術

光纖布拉格光柵FBG(Fiber Bragg Grating)具有抗電磁干擾、電絕緣性好、耐腐蝕、體積小、重量輕、傳輸損耗小、可實現多點分布式測量、測量范圍廣等特點，被廣泛地應用于民用工程、航空、船舶、電力、石油、建筑物結構健康監測、復雜機械系統動態監測等領域。隨著光纖光柵傳感技術的不斷成熟，已經在科研、生產中逐漸體現出其獨特的優勢。

光纖布拉格光柵的傳感原理是基于FBG的中心波長即Bragg波長與其經受的應變或溫度的關系。因此準確快速地解調出光纖布拉格光柵的中心波長值對于傳感系統的性能至關重要。理論上，FBG的反射廣譜呈高斯分布，反射值在中心波長處的幅值最大，因此一種常見的確定FBG中心波長值的方法就是尋找反射譜曲線的峰值。光譜分析儀即是采用該方法讀取中心波長值。在實際應用中，由于系統存在光噪聲和各種電噪聲，造成FBG反射譜的不穩定，尤其是峰值跳動比較嚴重。為提高波長解調的精度，可以將得到的FBG反射光譜采樣值，采用高斯擬合的方法進行回歸分析，通過擬合得到的高斯函數的各參數值來獲得對應FBG的中心波長值，從而降低噪聲對Bragg中心波長測量的影響。

目前采用高斯擬合算法解調光纖布拉格光柵中心波長的方法，雖然抗噪性能和解調精度比較高，但是由于高斯擬合算法的實現需要進行大量的非線性運算，運算復雜度較高，再加之光纖光柵傳感網絡傳感器數目眾多，運算量進一步加大，采用傳統的高斯擬合算法進行擬合的解調速度顯然比較低，制約了此類光纖光柵傳感系統的應用和發展。

發明內容

本發明的目的就是要提供一種應用于光纖布拉格光柵波長解調的快速高斯擬合方法，該方法能有效的解決傳統高斯擬合算法對解調速度的限制，在不降低解調精度和解調范圍的前提條件下，極大的提高光纖光柵解調速度。

為實現此目的，本發明所設計的應用于光纖布拉格光柵波長解調的快速高斯擬合方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：FPGA根據AD采集模塊(模數采集)采集到的光纖布拉格光柵反射光譜數據區間確定要進行對數運算數字區間，并在FPGA內建立哈希表；

步驟2：在FPGA內將光纖布拉格光柵反射光譜密度曲線用高斯函數近似表示為：

公式1中，I₀為反射譜光強最大值，λ_s為反射譜強度等于I₀時對應的波長值，即FBG的波長值，Δλ_s為反射譜的3dB帶寬，λ為激光器出光波長，e為自然對數底數；

然后對公式1兩邊同時取對數運算：

令：y(λ)＝ln(I(λ))(3)

則：y(λ)＝aλ²+bλ+c(7)

至此，高斯曲線已經被轉換成了多項式曲線，由公式(4)、(5)、(6)可以求得光柵波長值為：

因此，只需求解多項式系數a和b便可最終得到光柵波長值，公式(7)的離差平方和S為：

根據最小二乘法的原則可知，在公式(9)中分別對a、b、c求偏導數，并令其等于0，使得S值最小，偏導數如下：

求解方程組(10)得到a、b的值，由公式(8)便可求得λ_s；

在求解方程組時，y_i值為光纖布拉格光柵反射光譜光強值的對數結果，即AD采集模塊采集值的對數結果；

光纖光柵解調系統中，激光器掃頻時的出光波長λ_i從λ₁掃描至λ_n時，每個光柵解調都需要進行高斯擬合，由于激光器的掃描過程不變，即λ₁至λ_n均為定值，因此式(10)中的4個系數為固定值，可以提前運算并存儲在FPGA的內存中，需要時直接調用；