[发明专利]一种基于信号自相关匹配的光纤光栅反射谱解调算法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于信号自相关匹配的光纤光栅反射谱解调算法。

背景技术

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器已经迅速成为优良传感器元件，能够测量温度，应变和压力等多种物理量。它具有灵敏度高、不受电磁干扰、防水性能好、体积小、重量轻、可靠性高、可埋入复合材料等优点。FBG通过外界参量对反射中心波长进行调制来获得传感信息。因此，FBG传感系统解调的关键是测量其反射峰中心波长的变化。目前，FBG中心波长解调方法可以分为两类：(1)基于光栅衍射分光光谱测量或者可调谐激光器扫描的方法，如采用CCD检测，可调谐滤波器等；(2)采用固定滤波器，如边缘滤波法等。使用可调谐激光器存在检测速度慢，系统成本高等问题；边缘滤波法存在多点复用不便、范围与精度存在矛盾等问题。利用平面光栅或体光栅的CCD检测方法因为其光谱检测速度快，系统成本低，多点复用简单等优点从而得到广泛应用。

但这种方法得到的寻峰解调结果与FBG反射谱分辨率有直接关系。而常用的采用256像素的CCD测量波长范围为1524.5～1570nm，此时的系统光学分辨率约为0.178nm。而经过标定的FBG应变传感系统的波长漂移量约为1.14pm/με。此时，CCD的光学分辨率远低于系统所需的波长分辨率。因此为了得到这种微小变化，通常需要对CCD输出的数据进行算法处理，最常见的是拟合算法，如高斯拟合算法等。但这种算法存在非常明显的缺点：(1)过分依赖得到的数据，抗噪能力差；(2)因封装等原因造成的FBG反射谱同标准函数差别较大，导致拟合误差较大。

因此，需要一种提高波长测量误差稳定性和低信噪比下解调精度的解调算法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于相关算法的光纤光栅反射谱解调算法，包括：a)从光谱仪获得高精度、高光谱分辨率的光纤光栅反射谱作为离散自相关函数中的基序列f₁(n)；b)再将解调仪采到的光纤光栅反射谱进行预寻峰，解调仪采到的光纤光栅反射谱进行补零得到与基序列相同长度的序列f₂(n)；c)基序列f₁(n)和解调仪采到的补零后得到的序列f₂(n)，可以视为同一序列在不同时间的结果，因此通过对两个序列进行自相关计算：

d)将自相关函数与f₂(n)序列对齐后，自相关函数R(n)最大值的位置就是峰值的位置；e)结果输出。

优选地，其中所述序列f₂(n)通过下述步骤获得：a)选取序列f₁(n)中的极值点f₁(i)并在其左右两边各取3个点对序列f₁(n)进行截取，截取得到序列f₂(n)′；b)对f₂(n)′补零，进行补零得到与基序列相同长度的序列f₂(n)。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为根据本发明的基于信号自相关匹配的光纤光栅反射谱解调算法的结构框图。

图2为多级衍射光栅及线阵红外CCD的光纤光栅的传感解调系统示意图。

图3(a)为数值仿真FBG反射谱波长时采用相关匹配的方法得出的FBG峰值波长的对比图。

图3(b)为数值仿真FBG反射谱波长时采用高斯拟合的方法得出的FBG峰值波长的对比图。

图3(c)为由相关匹配采样点得出的FBG峰值波长λ_B与波长真实值λ_T的绝对误差示意图。

图3(d)为由高斯拟合采样点得出的FBG峰值波长λ_G与波长真实值λ_T的绝对误差示意图。

图4为高斯拟合与相关匹配方法得出的FBG峰值波长误差对比图。

图5为采用高精度光谱仪测量常温22℃下的FBG的实际反射谱图。

图6(a)为温度从32.2℃～23.5℃时，高精度光谱仪测量和相关匹配的方法得出的中心波长变化的对比图。

图6(b)为温度从32.2℃～23.5℃时，高精度光谱仪测量和高斯拟合的方法得出的中心波长变化的对比图。

具体实施方式