[發明專利]基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動態信號解調方法

有效

• 申請號: 201611226977.0
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106767960B
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發明（設計）人: 魯平;傅鑫;劉德明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26;G01D3/028;G01H9/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春

本發明公開了一種基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動態信號解調方法，包括：掃描得到光譜紋波；對光譜紋波進行擬合獲得靜態光譜；將光譜紋波與靜態光譜進行差分處理獲得差值信號；對光譜紋波的極值點進行擬合獲得上下邊緣包絡曲線；對上下邊緣包絡曲線進行差分處理獲得光譜變化函數，將差值信號與光譜變化函數進行歸一化處理，獲得去包絡后差值信號，根據掃描速度和初始波長將波長換算為時間，獲得去包絡后時域動態信號。本方法對紋波光譜及其擬合曲線進行差分獲得動態信號，可以消除諸如溫度、濕度等環境干擾，且恢復的動態信號幾乎沒有直流分量，同時采用寬帶光作為光纖傳感器的輸入，簡化光纖傳感裝置復雜度。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體的，涉及一種基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動態信號解調方法。

背景技術

近年來，由于地震、礦難、輸油管道泄漏等自然災害與安全事故的不斷發生，聲波與振動信號傳感引起了越來越多的關注。基于光纖技術的動態信號傳感器與傳統的電學式或機械式傳感器相比，具有體積小，重量輕，抗電磁干擾，耐腐蝕以及易于組網復用等優點。為了實現對動態信號的準確測量，光纖傳感動態信號解調方法也受到了國內外學者的廣泛研究。對動態信號進行準確的測量在很多工程應用場合有著重要的應用，例如結構健康監測、地震災害預警、管道泄漏監測、海洋勘探與水聲通信等。

為了實現對聲波或振動信號的準確測量，國內外研究人員針對光纖動態信號解調方法開展了大量的研究。目前比較常見的方法有三種，包括強度解調、斜邊濾波解調與相位解調。基于強度解調的動態信號傳感通常基于動態聲波或振動信號對傳感器的光學損耗產生動態調制，通過直接檢測光強度變化獲得動態信號。這種方法與斜邊濾波和相位解調技術相比準確度較低。斜邊濾波是基于動態信號對傳感器光譜產生動態調制，通過采用一個單波長激光器，將波長對應在光譜斜邊線性區中心處(Q點)，將光譜的變化轉化為該波長處光強度的變化。這種方法需要對光譜工作點(Q點)進行精確控制，且極易受到環境參數的干擾，例如溫度、壓力、濕度等。相位解調與前兩種方法相比穩定度與精確度都更高，但常見的相位解調方法例如相位生成載波調制(PGC)或正交雙波長解調方法都較復雜，PGC方法需要額外的頻率調制，正交雙波長方法需要精確的波長間隔控制。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷和改進需求，本發明提供了一種基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動態信號解調方法，旨在解決現有解調方法受到環境干擾的影響導致解調信號不準確的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動態信號解調方法，采用寬帶光源作為光纖傳感器的輸入信號，包括以下步驟：

(1)對光纖傳感器輸出的光信號從起始波長到終止波長進行掃描獲得光譜紋波；

(2)對光譜紋波進行擬合獲得光纖傳感器的靜態光譜；

(3)將光譜紋波與靜態光譜進行差分處理，獲得差值信號；

(4)根據掃描速度和起始波長將差值信號從波長域轉化為時間域，獲得時域的動態信號。

采用寬帶光源作為光纖傳感器的輸入信號，當對傳感器光譜進行掃描時，不同的時間點掃描至不同的波長，因此每個波長上的光譜上包含有不同時間點的動態信號信息，通過掃描得到的光譜紋波進行擬合，得到光纖傳感器的靜態光譜，然后采用差分算法，將光譜波紋中非動態信號減去，獲得差值信號，最后通過掃描速度和起始波長與時間關系，將差值信號從波長域轉化為時間域，獲得時間域動態信號。

進一步，在步驟(4)之前，且在步驟(3)之后還包括以下步驟：

(a)獲得光譜紋波的極大值點和極小值點；

(b)對所有極大值點進行擬合得到上邊緣包絡曲線，對所有極小值點進行擬合得到下邊緣包絡曲線；

(c)將上邊緣包絡曲線和下邊緣包絡曲線進行差分處理，得到光纖傳感器光譜變化函數；