本發(fā)明提供一種濾除光纖布拉格光柵傳感器解調(diào)中脈沖雜波的方法，它涉及一種對(duì)光纖布拉格光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換(即“AD”)并進(jìn)行采集后得到的數(shù)字信號(hào)存在的脈沖雜波的濾除方法,屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光纖布拉格光柵是一種基于改變光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵。其中心波長(zhǎng)隨溫度、應(yīng)力等外界影響因素的改變而變化。近年來(lái)，光纖布拉格光柵以其絕緣、抗電磁干擾、抗腐蝕、質(zhì)量小等多方面優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于軍事、國(guó)防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測(cè)試、建筑、家用電器等領(lǐng)域。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓廣，對(duì)光纖布拉格光柵傳感器解調(diào)精度和穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。

在光纖光柵解調(diào)算法中，數(shù)字濾波是提高解調(diào)精度的一個(gè)極為重要的方面?，F(xiàn)今大多數(shù)解調(diào)方法中多采用加權(quán)平均值濾波、滑動(dòng)平均值濾波等方法對(duì)AD采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波，以達(dá)到平整波形、濾除高頻小信號(hào)的目的。但是對(duì)于數(shù)字信號(hào)中存在的脈沖信號(hào)的干擾不能起到較為有效的濾除作用，并且會(huì)影響波形的靈敏度。另一方面，數(shù)字濾波中對(duì)于脈沖干擾多采用防脈沖干擾平均濾波方法，但這種方法用于光纖光柵解調(diào)數(shù)字信號(hào)的濾波時(shí)會(huì)對(duì)光纖布拉格光柵反射譜信號(hào)造成一定的影響?；谝陨犀F(xiàn)狀和問(wèn)題，提出一種濾除光纖布拉格光柵傳感器解調(diào)中脈沖雜波的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：

針對(duì)光纖布拉格光柵解調(diào)過(guò)程中經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、高速AD采集后數(shù)字信號(hào)中存在的脈沖干擾信號(hào)，提出一種在不影響光纖布拉格光柵反射譜信號(hào)的條件下，濾除脈沖干擾信號(hào)的方法，從而提高光纖布拉格光柵解調(diào)的精度和穩(wěn)定性。

本發(fā)明一種濾除光纖布拉格光柵傳感器解調(diào)中脈沖雜波的方法，其具體步驟如下：

步驟一，搭建光纖光柵解調(diào)儀光路與電路硬件平臺(tái)，并進(jìn)行光纖光柵解調(diào)，使用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(即“FPGA”)進(jìn)行高速AD采集；

步驟二，實(shí)時(shí)讀取AD采樣值，并設(shè)定一個(gè)“判峰閾值”，設(shè)為DATA，即采樣值超過(guò)該閾值就假定有峰值產(chǎn)生，并記下此時(shí)的位置和最大數(shù)據(jù)值(為了說(shuō)明本發(fā)明中濾除脈沖干擾信號(hào)的效果，默認(rèn)采用直接尋峰法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并觀測(cè)光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)解調(diào)結(jié)果)，繼續(xù)讀取AD采樣值，若采樣值大于上一刻數(shù)據(jù)的最大值，對(duì)最大值和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，直到當(dāng)前采樣值小于“判峰閾值”。

步驟三，當(dāng)前采樣值開(kāi)始小于閾值時(shí)，算出從最開(kāi)始大于閾值到最開(kāi)始小于閾值間的距離d，設(shè)為“峰值范圍”，即光纖布拉格光柵反射光譜中心波長(zhǎng)可能存在的位置范圍；并記下此時(shí)峰值范圍中的最大值DATA_MAX及其對(duì)應(yīng)的位置NUM_MAX；

步驟四，進(jìn)行脈沖干擾信號(hào)濾波，設(shè)定“展寬閾值”，設(shè)為D，若峰值范圍為d小于展寬閾值D，則判斷該峰為脈沖干擾信號(hào)，舍棄該峰值范圍內(nèi)的最大值DATA_MAX及其對(duì)應(yīng)的位置NUM_MAX，并重復(fù)步驟二至步驟四；若峰值范圍d大于展寬閾值D，則判斷該峰為正常光纖布拉格光柵反射光譜對(duì)應(yīng)的峰值。進(jìn)行進(jìn)一步的解調(diào)，輸出中心波長(zhǎng)；

其中，在步驟一中所述的“FPGA”，是指現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列，所述的“AD”是指模數(shù)轉(zhuǎn)換；

其中，在步驟一中所述的“搭建光纖光柵解調(diào)儀光路與電路硬件平臺(tái)，并進(jìn)行光纖光柵解調(diào)，使用FPGA進(jìn)行高速AD采集”，其作法如下：使用寬帶光源，光衰減器、法布里-珀羅諧振腔、光分路器、光纖布拉格光柵、光梳狀濾波器組成光纖布拉格光柵解調(diào)光路系統(tǒng)，再利用光電探測(cè)器將光纖布拉格光柵反射譜光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，最后使用FPGA對(duì)光纖布拉格光柵反射譜信號(hào)(模擬信號(hào))進(jìn)行高速AD采集。

其中，在步驟二中所述的“DATA”，是指判峰閾值，用于判定是否有峰值產(chǎn)生；

其中，在步驟三中所述的“d”是峰值范圍，主要用于濾除脈沖干擾信號(hào)；“DATA_MAX”是峰值大小，“NUM_MAX”是峰值位置，是用于光纖布拉格光柵解調(diào)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；

其中，在步驟四中所述的“D”，是指展寬閾值，用于與“d”對(duì)比進(jìn)行脈沖干擾的濾波。

其中，在步驟四中所述的“進(jìn)行進(jìn)一步的解調(diào)，輸出中心波長(zhǎng)”，其作法如下：利用光纖布拉格光柵反射譜中心波長(zhǎng)與反射譜峰值位置呈線性分布的規(guī)律，根據(jù)光梳狀濾波器的透射光譜(各峰值對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)大小已知)和光纖布拉格光柵的反射光譜信號(hào)的對(duì)比，即可解調(diào)出光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)。

通過(guò)以上步驟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖布拉格光柵解調(diào)過(guò)程中存在的脈沖干擾的濾波，達(dá)到了提高光纖布拉格光柵解調(diào)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的效果，解決了實(shí)際應(yīng)用中光纖布拉格光柵解調(diào)受脈沖干擾影響的實(shí)際問(wèn)題。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、解決了光纖布拉格光柵解調(diào)過(guò)程中經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、高速AD采集后數(shù)字信號(hào)中脈沖干擾的影響。

2、實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，無(wú)復(fù)雜算法，適用性和可操作性強(qiáng)，配合FPGA高速采集能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速濾除脈沖干擾信號(hào)的作用，對(duì)光纖布拉格光柵解調(diào)精度和穩(wěn)定性的改善明顯。

3、與其他濾波方法相比，本發(fā)明最大程度上保護(hù)了原始光纖布拉格光柵反射譜信號(hào)，對(duì)脈沖干擾和反射譜信號(hào)的分辨率高，有利于進(jìn)一步尋峰算法的開(kāi)展。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明所述方法流程圖。

圖2 AD采樣值數(shù)據(jù)分布。

圖3波峰范圍分布圖。

圖4未設(shè)置脈沖干擾濾波光纖布拉格光柵解調(diào)結(jié)果。

圖5設(shè)置脈沖干擾濾波后光纖布拉格光柵解調(diào)結(jié)果。

圖中序號(hào)、符號(hào)、代號(hào)說(shuō)明如下：

圖1中：“k”為標(biāo)志位，用于判斷當(dāng)前采樣值是否在峰值范圍內(nèi)；“max”為當(dāng)前最大值，如果下一個(gè)采樣值大于max，則max會(huì)進(jìn)行更新；“num_max”為當(dāng)前最大值位置，隨著max的更新而更新。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種濾除光纖布拉格光柵傳感器解調(diào)中脈沖雜波的方法，如圖1所示，其具體步驟如下：

步驟一：搭建光纖光柵解調(diào)儀光路與電路硬件平臺(tái)。使用的FPGA板型號(hào)為XC7Z020-1CLG484I的集成開(kāi)發(fā)板Miz702(南京米聯(lián)電子)，配合型號(hào)為AD9244的高速AD采集芯片進(jìn)行AD采集，采樣頻率為5MHz。

步驟二：抽樣觀測(cè)采樣數(shù)據(jù)，如圖2所示。因判峰閾值取的越小，對(duì)脈沖干擾的濾除效果越好，而閾值設(shè)的太小又會(huì)引起其他干擾信號(hào)的影響，故取觀測(cè)數(shù)據(jù)最大值的1/2為判峰閾值。由圖可知最大值約為12000，則取判峰閾值為6000。

步驟三：進(jìn)行直接尋峰。輸出每一個(gè)峰值的“峰值范圍”，根據(jù)以下公式確定其“展寬閾值”。

其中d_max可認(rèn)為是光纖布拉格光柵反射光譜的“峰值范圍”，而d_min可認(rèn)為是脈沖干擾形成的“假波峰”的“峰值范圍”。峰值范圍分布如圖3所示，可知最大值約為800，最小值取1，則取展寬閾值為400。

步驟四，設(shè)置“展寬閾值”進(jìn)行濾波。運(yùn)用直接尋峰法進(jìn)行波長(zhǎng)解調(diào)，得到濾波后采樣值結(jié)果和中心波長(zhǎng)解調(diào)結(jié)果，與之對(duì)應(yīng)的進(jìn)行一組不設(shè)置“展寬閾值”的直接尋峰法解調(diào)，得到濾波前后中心波長(zhǎng)解調(diào)結(jié)果如圖4、5所示。說(shuō)明該濾波方法很好的濾除了脈沖干擾，提高了光纖布拉格光柵的解調(diào)的精度和穩(wěn)定性。