利用三點(diǎn)尋峰算法處理fbg傳感信號(hào)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于三點(diǎn)尋峰算法處理FBG傳感信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法，包括提供尋峰處理流程，并根據(jù)流程給出了影響尋峰精度的三個(gè)要素，首先，窗口大小的合理選取是提高尋峰精度的關(guān)鍵，本發(fā)明采用求導(dǎo)法確定光譜處理窗口大小。其次，設(shè)置采樣間隔對(duì)窗口內(nèi)光譜進(jìn)行重采樣，獲得稀疏光譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。最后，根據(jù)擬合結(jié)果選取合適的波長(zhǎng)間隔Δλ從而確定三點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)FBG反射譜進(jìn)行峰值檢測(cè)，從而可求得中心波長(zhǎng)，進(jìn)而解調(diào)外界物理參量。
【專利說明】利用三點(diǎn)尋峰算法處理FBG傳感信號(hào)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感的信號(hào)處理領(lǐng)域，具體涉及一種尋峰流程，提出三點(diǎn)尋峰算法用于處理FBG傳感信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002]波長(zhǎng)編碼的光纖光柵(Fiber Bragg grating, FBG)傳感器具有體積小、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、不受電磁干擾、可靠性高和可埋入智能結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于航空航天、艦船工業(yè)、土木工程、石化工業(yè)、核工業(yè)及醫(yī)學(xué)工程等各種領(lǐng)域。光纖光柵傳感器主要是通過觀測(cè)布喇格波長(zhǎng)漂移來判斷待測(cè)量的變化，而布喇格波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)反射譜的峰值位置，因此準(zhǔn)確尋峰，對(duì)于提高觀測(cè)精度至關(guān)重要。
[0003]目前的尋峰算法主要有直接尋峰法、質(zhì)心法、高斯擬合法、一般多項(xiàng)式法、高斯-多項(xiàng)式法、基于徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法以及蟻群算法。其中，直接尋峰法適合曲線光滑的情況，當(dāng)光譜波動(dòng)大且含有一定量的噪聲時(shí)，此方法尋峰精度很低；一般多項(xiàng)式擬合方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但是尋峰準(zhǔn)確度有限；高斯-多項(xiàng)式擬合算法是將觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)帶入多項(xiàng)式，先計(jì)算系數(shù)，再反對(duì)數(shù)變換，介于高斯擬合算法和一般多項(xiàng)式算法之間，但是此方法擬合曲線過分依賴觀測(cè)數(shù)據(jù)，抗噪性能差，且如果峰值不在觀測(cè)點(diǎn)內(nèi)，峰值誤差較大?；趶较蚧瘮?shù)網(wǎng)絡(luò)算法及遺傳算法等優(yōu)化方法雖然可以提高尋峰準(zhǔn)確度，但是需要較長(zhǎng)的訓(xùn)練時(shí)間以確定參數(shù)中參量，不適合實(shí)時(shí)運(yùn)算；蟻群算法計(jì)算開銷大，求解速度慢。FBG傳感器常采用高斯切趾的均勻光纖光柵，其反射譜近似為高斯型，通常采用高斯擬合算法對(duì)FBG進(jìn)行峰值檢測(cè)，能夠得到較好的尋峰精度。文獻(xiàn)證明，高斯擬合方法簡(jiǎn)單，抗噪性能好，且當(dāng)波長(zhǎng)分辨率、信噪比變化時(shí)，誤差變化較小。
[0004]為了提高尋峰精度，有學(xué)者提出非均勻采樣方法確定數(shù)據(jù)采樣間隔，并結(jié)合高斯擬合對(duì)FBG尋峰，峰值誤差提高，但此方法受采樣點(diǎn)數(shù)的限制。還有文獻(xiàn)提出求導(dǎo)方法確定窗口大小，然后結(jié)合高斯擬合尋峰，精度有所提高，但是這些方法處理數(shù)據(jù)多，采樣間隔小，對(duì)器件的要求高。
[0005]達(dá)到一定的尋峰精度的同時(shí)，需要考慮到解調(diào)的實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在處理數(shù)據(jù)的速度，傳統(tǒng)方法中，解調(diào)精度越高，需要處理的數(shù)據(jù)越多，這在一定程度上影響了實(shí)時(shí)性，因此本發(fā)明從減少處理數(shù)據(jù)著手，在達(dá)到一定的精度的同時(shí)，處理速度快。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種三點(diǎn)尋峰算法處理FBG信號(hào)的方法，克服其他方法存在的不足，提出利用稀疏光譜數(shù)據(jù)處理FBG傳感信號(hào)，并提出一套光譜處理流程，以獲得高尋峰精度，該方法處理數(shù)據(jù)少，精度高，可以提高FBG光譜信號(hào)的解調(diào)精度。
[0007]本發(fā)明提出的三點(diǎn)尋峰算法思想如下:
[0008]FBG光譜可用式(I)近似表示:[0009]7(/l) = ^exp[-41n2(^—^)2](1)
△/ig
[0010]其中，\為FBG波長(zhǎng)，AbSFBG中心波長(zhǎng)，A ^為3dB帶寬，A反射譜的幅值。 對(duì)式（1)兩邊取對(duì)數(shù)可得：
[0011]111/(A) = -(4 111 2烏-In /0 + 8 In 2A-4 In 2 —^/L2
A/i^Aa^AA^
[0012]令：
[0013]y ( A ) = lnl (入）
義2
[0014]c = -(41n2~^--InA)
A/l;[0015] /? = 8ln2[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
的位置。
[0023]尋峰的思想：B點(diǎn)為理論峰值入B，D點(diǎn)為通過式（3)計(jì)算得到的最大值點(diǎn)，將其帶 入稀疏光譜數(shù)據(jù)擬后得到的函數(shù)，可確定D點(diǎn)坐標(biāo)（Xm，y2)，然后以為標(biāo)準(zhǔn)，選取數(shù)據(jù)間 隔A入，選擇D的兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)，即A點(diǎn)和C點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為（入m- A X，yi)，（入m+ A入， y3)。將A、D和C點(diǎn)分別帶入式⑵可得式⑷：
“d — AA)2 + b(Am — AA) + c = y1
[0024]<1 aAm2 + blm +c = y2(4)
“(Am + A/1) 2 + + A/1) + c =少 3
[0025]解方程組⑷可得a、b、c的值，并將這三個(gè)值帶入式（3)可得式（5)：[0026]2(>，3 -2y2)
[0027]由公式（5)計(jì)算可得中心波長(zhǎng)，由此我們知道中心波長(zhǎng)值取決于A、D與C點(diǎn)的坐 標(biāo)，這種算法我們稱為三點(diǎn)尋峰。
[0028]基于以上思想，本發(fā)明提出的三點(diǎn)尋峰算法處理FBG信號(hào)的方法如圖2所示，具體 步驟如下：
[0029](1.1)獲得FBG光譜數(shù)據(jù)：a = -4 In 2-則式（1)可化簡(jiǎn)為：
y (入）=a 入 2+b 入 +c(2)
通常采用最小二乘方法是來確定式（2)中a、b和c的值，中心波長(zhǎng)即為式（3)：
入 B = -b/2a(3)
式（3)為多項(xiàng)式最大值點(diǎn)，僅僅通過一個(gè)點(diǎn)來確定峰值，誤差較大。
本文采用稀疏光譜數(shù)據(jù)來擬合曲線，并在擬合曲線圖1中選取三個(gè)點(diǎn)來確定峰值m[0030](1.2)確定窗口大小:輸入FBG反射譜，采用求導(dǎo)法確定窗口大?。灰延形墨I(xiàn)證明，窗口大小不同尋峰精度也不同。
[0031](1.3)稀疏光譜數(shù)據(jù)的獲得與處理:通過試探法設(shè)定重采樣分辨率，對(duì)窗口內(nèi)光譜重采樣，以峰值誤差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，目的是得到稀疏光譜數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，在峰值誤差達(dá)到最小時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為最佳稀疏光譜數(shù)據(jù)；得到稀疏光譜數(shù)據(jù)之后，采用多項(xiàng)式擬合方法對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合得到擬合結(jié)果，根據(jù)擬合結(jié)果計(jì)算求得最大值入m，即得到最大值點(diǎn)D的坐標(biāo)(λ m，y2)。
[0032](1.4)選取合適的數(shù)據(jù)間隔Λ λ，得到相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)A和C:用試探法將Λ λ的取值以精度0.01nm從O到0.4nm遞增，評(píng)價(jià)指標(biāo)為峰值誤差，將峰值誤差最小對(duì)應(yīng)的Λ λ值為最終選取結(jié)果；然后以λπ-Λ λ和λπ+Λ λ為橫坐標(biāo)選取相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)A和C，其坐標(biāo)分別為(λm-Δ λ，Y1)和(λ m+ Δ λ , y3)；
[0033](1.5)根據(jù)選取的三點(diǎn)坐標(biāo)及式(5)計(jì)算出中心波長(zhǎng)λ B。.[0034]從以上本發(fā)明提出方法看，其包括提供尋峰處理流程，并根據(jù)流程給出了影響尋峰精度的三個(gè)要素，首先，窗口大小的合理選取是提高尋峰精度的關(guān)鍵，本發(fā)明采用求導(dǎo)法確定光譜處理窗口大小。其次，設(shè)置采樣間隔對(duì)窗口內(nèi)光譜進(jìn)行重采樣，獲得稀疏光譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。最后，根據(jù)擬合結(jié)果選取合適的波長(zhǎng)間隔△ λ從而確定三點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)FBG反射譜進(jìn)行峰值檢測(cè)，從而可求得中心波長(zhǎng)，進(jìn)而解調(diào)外界物理參量。
[0035]可見，本方法可以克服其他方法存在的不足，處理數(shù)據(jù)少、精度高，能夠提高FBG光譜信號(hào)的解調(diào)精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1尋峰示意圖；
[0037]圖2尋峰過程圖；
[0038]圖3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖；
[0039]圖4確定稀疏光譜數(shù)據(jù)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]本發(fā)明中的數(shù)據(jù)處理流程是針對(duì)高精度解調(diào)FBG光譜信號(hào)這個(gè)問題提出的。該流程中，確定數(shù)據(jù)窗口大小是前提，設(shè)置重采樣間隔是重點(diǎn)，三點(diǎn)選取是關(guān)鍵。三要素確定，即可得出中心波長(zhǎng)，進(jìn)而解調(diào)出外界物理參量的變化。
[0041]此方法流程圖如圖2所示，其具體實(shí)施步驟如下:
[0042]1.獲得光譜數(shù)據(jù)。
[0043]搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。
[0044]實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由寬帶光源(BBS)、耦合器、FBG、溫控箱和光譜儀(OSA)組成。BBS發(fā)出的光經(jīng)耦合器到達(dá)FBG處，F(xiàn)BG有波長(zhǎng)選擇透過性，符合FBG中心波長(zhǎng)的光被反射，光譜儀觀測(cè)其反射譜。
[0045]利用Si720傳感分析儀采集FBG光譜，波長(zhǎng)掃描范圍為1520nm~1590nm，中心波長(zhǎng)為 1532.504nm。
[0046]2.窗口大小確定。[0047]對(duì)獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先確定窗口的大小，已有文獻(xiàn)證明，處理窗口大小不同，尋峰精度也不同，本發(fā)明采用求導(dǎo)法確定窗口大小。求導(dǎo)法又分為兩步，其步驟如下:
[0048]2.1平滑處理。平滑處理是為了消除“毛刺”及“假峰”。本發(fā)明選用五點(diǎn)滑動(dòng)平均法處理FBG信號(hào)，其原理為將五個(gè)鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均，其計(jì)算如式(6)所示:
0050]式中，n為數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，Xi為數(shù)據(jù)點(diǎn)橫坐標(biāo)，Yi為相應(yīng)的縱坐標(biāo),其中，i = l,2,…n，設(shè)置平滑次數(shù)為1000次。
[0051]2.2求導(dǎo)。一階導(dǎo)數(shù)反應(yīng)原光譜曲線斜率的變化，而高斯型函數(shù)在峰值附近斜率變化較大，因此對(duì)平滑處理后的光譜進(jìn)行一次求導(dǎo)，通過找出導(dǎo)數(shù)的兩個(gè)極值點(diǎn)，從而確定窗口的大小。
[0052]3.稀疏光譜數(shù)據(jù)的獲得。
[0053]稀疏光譜數(shù)據(jù)的獲得是通過試探法得到的，由光譜儀采集的數(shù)據(jù)，雖然限定了窗口的大小，在一定程度上減少了處理數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，但是高分辨率的光譜儀其最小數(shù)據(jù)間隔為0.0025pm,窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)仍然很多，基于此，因此試探法確定數(shù)據(jù)處理的個(gè)數(shù)，試探法的評(píng)價(jià)指標(biāo)為峰值誤差，在峰值誤差達(dá)到最小時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為最佳稀疏光譜數(shù)據(jù)。
[0054]由于重采樣分辨率決定稀疏光譜數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，因此在窗口大小確定后要對(duì)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，重采樣間隔L決定了稀疏數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。但是，稀疏數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)不同導(dǎo)致擬合結(jié)果不同，取的最大值就不同，從而三點(diǎn)的坐標(biāo)也不同，最終的中心波長(zhǎng)會(huì)隨著數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的變化而變化。本發(fā)明為了獲得稀疏光譜數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，采用試探法進(jìn)行確定，試探法的主要思想就是稀疏光譜數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)從3增加到10時(shí)，觀察對(duì)應(yīng)的峰值誤差，選取峰值誤差為最小時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，其處理流程如圖4所示。
[0055]確定數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)后需對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，本發(fā)明選用多項(xiàng)式擬合方法，根據(jù)多項(xiàng)式擬合可得到公式(7)。
[0056]y =-410.80247 λ 2+1.25911 X IO6 λ-9.64791 X IO8(7)
[0057]然后根據(jù)公式(J)可取得最大值點(diǎn)，既的D點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0058]4.Δ λ 的確定
[0059]Δ λ的選取直接決定了最終尋峰精度，Δλ的選取通過影響最大值點(diǎn)的鄰居點(diǎn)的坐標(biāo)來影響尋峰精度。Λ λ的作用是根據(jù)最大值點(diǎn)D來選擇其相鄰的兩個(gè)點(diǎn)A和C，Δ λ的確定仍然選用試探法，將Λ λ的取值以精度0.01nm從O到0.4nm遞增，評(píng)價(jià)指標(biāo)為峰值誤差，將峰值誤差最小對(duì)應(yīng)的Λ λ值為最終選取結(jié)果。
[0060]5.根據(jù)選取的三點(diǎn)坐標(biāo)及式(5)計(jì)算出中心波長(zhǎng)λΒ。
[0061]以上僅是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。其可擴(kuò)展應(yīng)用與所有FBG光譜信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域，反采用同等變化或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種三點(diǎn)尋峰算法處理FBG信號(hào)的方法，其特征在于，所述方法具體包括如下步驟: (1.D獲得光譜數(shù)據(jù): (1.2)確定窗口大小:采用求導(dǎo)法確定窗口大??； (1.3)稀疏光譜數(shù)據(jù)的獲得與處理:通過試探法得到稀疏光譜數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為峰值誤差，在峰值誤差達(dá)到最小時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為最佳稀疏光譜數(shù)據(jù)；得到稀疏光譜數(shù)據(jù)之后，采用多項(xiàng)式擬合方法對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合得到擬合結(jié)果，根據(jù)擬合結(jié)果計(jì)算求得最大值λ m，即得到最大值點(diǎn)D的坐標(biāo)(λ m，y2) (1.4)選取合適的數(shù)據(jù)間隔Λλ，得到相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)A和C:用試探法將Λ λ的取值以精度0.01nm從O到0.4nm遞增，評(píng)價(jià)指標(biāo)為峰值誤差，將峰值誤差最小對(duì)應(yīng)的Λ λ值為最終選取結(jié)果；然后以λπ-Λ λ和λπ+Λ λ為橫坐標(biāo)選取相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)A和C，其坐標(biāo)分別為(Xm-A λ , Y1)和(入 m+ Δ λ , y3)； (1.5)根據(jù)選取的三點(diǎn)坐標(biāo)及式(5)計(jì)算出中心波長(zhǎng)λΒ;
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三點(diǎn)尋峰算法處理FBG傳感信號(hào)的方法，其特征在于:所述步驟(1.2)采用的求導(dǎo)法確定窗口大小的步驟如下: (1.2.1)平滑處理:用五點(diǎn)滑動(dòng)平均法處理FBG信號(hào)，將五個(gè)鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均，設(shè)置平滑次數(shù)為1000次，得到平滑后的光譜； (1.2.2)求導(dǎo):對(duì)平滑處理后的光譜進(jìn)行一次求導(dǎo)，根據(jù)一階導(dǎo)數(shù)圖找出導(dǎo)數(shù)的兩個(gè)極值點(diǎn)，從而確定窗口的大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三點(diǎn)尋峰算法處理FBG傳感信號(hào)方法，其特征在于:所述步驟(1.3)中，通過試探法得到稀疏光譜數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)的方法是:通過試探法設(shè)定重采樣分辨率，進(jìn)而對(duì)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，獲得稀疏光譜數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，即讓稀疏光譜數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)從3增加到10時(shí)，觀察對(duì)應(yīng)的峰值誤差，選取峰值誤差為最小時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01D5/26GK103487074SQ201310476140
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】陳勇, 王坤, 劉煥淋, 陳麗娟, 楊雪 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)