[发明专利]一种高精度大容量光纤光栅解调系统的波长检测方法

说明书

技术领域：

本发明涉及光纤传感的信号处理方法，具体涉及一种提高大容量光纤光栅解调系统的波长检测精度的方法。

背景技术：

光纤光栅传感器利用外界应变或温度的变化引起光纤光栅的周期或折射率变化，使反射/透射光(以下仅涉及反射型)的中心波长发生位移。高精度地检测出传感光栅中心波长皮米量级的偏移，是光纤光栅传感器实用化所面临的关键问题。为了提高传感系统的解调精度，数字信号处理方案及高精度的波长提取算法是关键。外界环境的微扰、激光器输出光功率不稳定等因素都会给光纤光栅反射谱带来噪声，尤其在中心波长附近噪声干扰尤为严重，仅通过光谱峰值确定中心波长的位置误差很大。因此，国内外学者提出了许多提高中心波长位移检测精度的方法，但这些方法在应用条件上受到各种不同的限制；数字匹配滤波器和自适应网络法，可有效抑制光路中反射点造成的干涉信号对光纤光栅反射谱的影响，但当系统采样点数量很大时，利用自适应线性网络的滤波方法，运算量相当大，会影响系统测量的实时性，因此不适合用在大容量光纤光栅解调系统中；质心法、微分法、频谱相关法、高斯曲线拟合法、径向基函数网络法等均只能假设光纤光栅反射谱为高斯型；模拟退火法也只是针对匹配光栅法改进波长检测精度。多路复用系统采样的光栅谱，从峰值细节可以看出，反射谱并不是标准的高斯型，波峰的形状不规则，有的峰值偏左，有的偏右若采用寻峰的方法，波长一旦漂移，会带来很大误差，系统的解调精度也会降低。但是，如果使用3dB中点的波长提取方法，则不受以上的情况影响，可以较为准确地确定中点波长，解调精度较寻峰算法有了很大的提高。再加之以一个63节的有限冲激响应滤波器来抑制系统中的噪声，对AD转换后的数字信号进行处理，为波长提取算法提供高信噪比的数据，进一步提高系统的检测精度。

发明内容：

本发明解决的问题是抑制FBG反射谱中的噪声，提高解调系统的波长测量精度。由于FBG反射谱的半功率点相对稳定，可以通过算法找到反射峰中两个半功率点对应的采样时刻，二者之间的中点可以近似认为是FBG反射谱的中心波长点，中心波长点对应的采样时刻获得之后，根据系统校准定标支路，找到采样时刻和波长的对应关系。

本发明解决技术问题的技术方案是：设计一个63节的有限冲激响应滤波器，然后在FPGA中实现相应的FIR数字滤波器来抑制系统中的噪声，对AD转换后的数字信号进行处理，为波长提取算法提供高信噪比的数据，进一步提高系统的检测精度。

有限冲激响应(finite impulse response，FIR)滤波器是一种线性滤波器，长度为N的FIR输出对应于时间序列x(n)是有限卷积形式的。FIR滤波器的特性是根据滤波器系数来决定的。先对信号进行频谱分析，根据信号的频谱特性获得信号的截止频率和采样频率，从而确定滤波器的系数。窗函数法设计滤波器是一种比较典型的方法。常用的窗函数有矩形窗、三角窗、Hamming窗、Hanning窗、Blackman窗、Kaiser窗。窗函数有截短和平滑的作用，如果选择恰当，可以在相同阶数的情况下提高滤波器的性能。考察窗函数主要是以下几个指标：第一旁瓣及其他旁瓣幅度较低；旁瓣幅度下降得快；主瓣宽度要窄。对各种窗函数滤波器特性进行分析，Kaiser窗只有一个控制参数β，根据不同的要求来满足过渡带带宽和阻带起伏，滤波效果最佳。选用基于Kaiser窗函数的FIR滤波器来对信号进行处理。

对于FIR滤波器，位置的移动仅仅依赖于滤波器的阶数，不会改变输入信号的具体形式，因而不会影响波长检测精度。将FIR滤波器在高速FPGA实现，可以多路并行处理，因此提高了多路复用多通道光纤光栅传感系统的解调效率。

附图说明：

图1是3dB中点的算法波长提取流程图。

具体实施方式：

本发明提供一种提高大容量光纤光栅系统检测精度的方法。该方法采用数字滤波处理技术来抑制系统中的噪声，对AD转换后的数字信号进行处理，为波长提取算法提供高信噪比的数据，还用基于3dB中点的波长提取算法进一步提高解调精度。方法实施步骤为：

(1)对AD采样信号进行快速傅里叶变换，分析频谱特性；

(2)基于信号的频谱特性，用Matlab中信号处理工具箱设计滤波器，基于Kaiser窗函数，设计相关控制参数β＝3。

(3)将FIR滤波器在高速FPGA实现，可以多路并行处理，因此提高了多路复用多通道光纤光栅传感系统的解调效率。

(4)计算每组采样数据中各个FBG反射峰的半功率值，作为后续判断的阈值条件，不能出现漏峰现象，同时需要排除个别毛刺影响；