[發明專利]一種光纖光柵溫度測量方法及測量系統

在審

• 申請號: 201710075457.2
• 申請日: 2017-02-13
• 公開（公告）號: CN106840454A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 祝連慶;魏鈺柏;劉鋒;何巍;閆光;董明利;婁小平
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 北京律恒立業知識產權代理事務所(特殊普通合伙)11416
• 代理人: 顧珊,龐立巖

技術領域

本發明涉及光纖光柵傳感測量技術領域，特別涉及一種光纖光柵溫度測量方法及測量系統。

背景技術

光纖光柵作為傳感器，它憑借其良好的抗電磁干擾能力、防火防爆特性、響應速度快、精度高、損耗低、體積小、性價比高等優點，在土木工程、石油化工、電力電纜以及航天航空等領域發揮著舉足輕重的作用。近年來受到廣泛關注，成為傳感技術研究領域的熱點之一。

現有的光纖光柵為了保證光柵不會因帶的溫度變化引起的接近或重合，一個85nm的譜款內，往往只能布設不超過40個光柵。在科技現代化的影響下，光纖光柵傳感器性能不斷提高且在商業化應用中的不斷拓展，隨著傳感網絡的增大、測量數據的增加和對測量速度要求的提升，高速、大容量光纖光柵傳感網絡亟待發展。光纖光柵傳感器的突出優點就是準分布式傳感，通常采用復用技術將傳感器進行組網，構成光纖傳感網絡。對于相鄰柵格密集的光纖光柵，在進行溫度測量時會導致頻譜混迭，同時溫度測量過程中，采集到的光纖光柵信號中會含有噪聲信號，對實際溫度的測量產生影響，導致測量不夠準確。

在波分復用方面，為防止光譜混疊，光柵間需要保持一定頻率間隔，導致一半以上的光譜資源處于閑置狀態。且隨著應用場合復雜程度的提高，測量系統面對海量數據的收集與處理，為了壓縮數據量，人們研究了基于節點數據相關性的壓縮算法、基于數據傳輸特性和封包結構的壓縮方法和基于預編碼的數據壓縮算法。但作為傳統的壓縮方法有明顯的缺陷:首先壓縮過程要完整的原始信號，其次在計算出完整的投影后需要丟棄大部分分量，浪費計算資源。傳統的數據處理方法難以在溫度測量過程中由于光纖光柵自身柵格引起的頻譜混迭以及噪聲信號中提取準確的測量信息。

因此，需要一種準確測量溫度的光纖光柵溫度測量方法及測量系統。

發明內容

本發明的一個方面在于提供一種光纖光柵溫度測量方法，所述方法包括如下步驟：

a、搭建光纖光柵溫度測量系統，所述系統包括信號處理裝置、光纖光柵解調儀、光纖光柵溫度傳感器、恒溫箱以及光源；

b、將光纖光柵傳感器置于所述恒溫箱中，控制恒溫箱的溫度在某一溫度范圍內變化，采集光纖光柵隨恒溫箱溫度變化的光纖光柵信號X；

c、構建正交基字典矩陣ψ，將所述光纖光柵信號X在所述正交字典矩陣下展開為X＝ψθ，其中

θ＝(θ₁，θ₂，…，θ_N)^T為展開系數向量，所述系數向量θ進行K個分量稀疏；

d、構建觀測矩陣Φ，對光纖光柵信號X執行壓縮觀測，得到M個線性觀測信號Y，其中Y＝ΦX，Y∈R^M，R^M為實數R上M的階正交空間向量；

e、構造信息算子矩陣A:A＝Φψ，將所述信息算子矩陣A＝Φψ代入步驟e所述的線性觀測信號Y中得到Y＝Φψθ＝Aθ，其中所述信息算子矩陣A滿足2K個分量線性獨立；

f、求解非線性優化問題，求取系數向量θ，重構光纖光柵信號X。

優選地，所述步驟b中光纖光柵信號X采用F-P濾波解調方式采集。

優選地，所述正交基字典矩陣ψ滿足ψ＝(ψ₁，ψ₂，…，ψ_N)∈R^N，ψ_i≥ψ_i^TX。

優選地，所述觀測矩陣Φ為正交基不相關矩陣，其中所述觀測矩陣Φ滿足Φ：M×N。

優選地，所述光纖光柵溫度傳感器的中心波長在所述光纖光柵解調儀的測量范圍內。

優選地，步驟c中進行K個分量稀疏后的系數向量θ具有K·N個非零系數。

優選地，所述光纖光柵溫度傳感器的柵格密集排布。

本發明的另一個方面在于提供一種光纖光柵溫度測量系統，所述測量系統包括依次通過光纖光柵連接的光源、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵解調儀和信號處理裝置，其中

所述光源為寬帶光源，用于所述光纖光柵溫度傳感器提供光纖光柵激光信號；

所述光纖光柵溫度傳感器，用于獲得待測環境中溫度變化引起的光纖光柵信號變化；

所述光纖光柵解調儀，用于對所述光纖光柵信號進行F-P濾波解調采集；

所述信號處理裝置，用于對采集的光纖光柵信號進行處理并重構。

優選地，所述光纖光柵溫度傳感器的柵格密集排布。