基于希尔伯特变换和双谱估计的高精度光纤光栅解调方法技术

本发明专利技术公开了一种基于希尔伯特变换和双谱估计的高精度光纤光栅解调方法，包括：截取两路光纤光栅反射谱数据；对反射谱数据分别进行希尔伯特变换，并分别将变换后的反射谱数据取绝对值后与原数据相叠加得X(n)、Y(n)；利用X(n)、Y(n)分别计算三阶累积量和互三阶累积量；通过三阶累积量计算双谱，通过互三阶累积量计算互双谱，并利用双谱和互双谱构造以波长差为变量的波长差函数；检测构造的波长差函数的最大值位置，得到所述两路反射谱的波长差。本发明专利技术的解调方法，能有效提高波长解调精度，消除反射谱中高斯噪声和相关性噪声影响，能用于非平稳光纤光栅的信号解调，且不要求光纤传感信号和噪声相互独立。

【技术实现步骤摘要】
基于希尔伯特变换和双谱估计的高精度光纤光栅解调方法
本专利技术涉及光纤传感
，尤其涉及一种基于希尔伯特变换和双谱估计的高精度光纤光栅的解调方法。
技术介绍
光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。光纤的工作频带宽，动态范围大，适合遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线。在一定条件下，也是一种优良的敏感元件。鉴于此，各种类型的光纤传感器孕育而生，并且在各个领域得到了广泛的应用。其中将光纤光栅(FBG)传感器用于应变的测量已经非常普遍。现今光纤光栅传感器已经在智能材料与结构的应变测量中获得广泛的应用，并且在这些领域FBG传感系统的检测精度达到了1με，通常能满足一般的测量要求。但是一些特殊领域如地球物理等领域，1με的检测精度已经不能满足我们的需求。在地球物理领域进行地壳形变观测时，被观测的应变量是准静态的，属于准静态应变量测量的范围，这时，FBG传感器的应变测量精度主要的影响因素是环境温度和环境噪声的影响，为了减小这些问题的影响，提高准静态应变量的测量精度，人们提出了利用参考光纤光栅的方法消除环境温度和噪声的影响，即在静态应变传感测量系统中设置一个不受应变作用的光纤光栅对环境温度和噪声进行补偿，同时通过解调方法计算参考和应变光纤光栅传感器的中心波长差来得到应变信息。目前，已经有很多方法用来检测这两个FBG传感器的波长变化，包括质心检测法(CDA)(C.GAskins，M.A.Putnam，andE.J.Friebele，“Instrumentationforinterrogatingmany-elementfiberBragggratingarrays”，SmartStructures&Materials′，pp.257-266，1995.)，最小二乘曲线拟合法(LSQ)(A.Ezbiri，S.Kanellopoulos，andV.Handerek，“Highresolutioninstrumentationsystemforfibre-Bragggratingaerospacesensors”，Opticscommunications，vol.150，pp.43-48，1998.)和互相关法(C.Huang，W.Jing，K.Liu，Y.Zhang，andG.-D.Peng，“DemodulationoffiberBragggratingsensorusingcross-correlationalgorithm”，PhotonicsTechnologyLetters，IEEE，vol.19，pp.707-709，2007.)等。在众多方法中，互相关法可以直接计算出参考和应变光纤光栅传感器的中心波长差，表现出了较为明显的优势。2010年，日本东京大学QinwenLiu等人利用了互相关法实现了准静态应变解调并且取得了很好的实验结果，其解调精度远高于其他方法(Q.Liu，Z.He，T.Tokunaga，andK.Hotate，“Anultra-high-resolutionFBGstatic-strainsensorforgeophysicsapplications”，Proc.SPIE，vol.7653，76530W，2010.)。但是对于互相关解调方法来说，其要求信号是平稳信号，并且要求两个信号的高斯噪声不相关，且噪声与信号也不相关，但实际情况下的信号不是严格平稳的，两个信号的高斯噪声是有相关性的，并且由于相关噪声存在，会使互相关函数的峰值位置产生偏移，进而得不到准确结果。由于互相关解调的这些缺点，会限制解调精度的进一步提高。双谱是处理非平稳、非线性、非高斯信号的有效手段，可很好的抑制信号的高斯噪声，由于信号的双谱的计算过程中需要计算信号的三阶累积量，而高斯噪声的三阶累积量为零，因此双谱估计可以很好地抑制高斯信号。因此可以利用双谱分析消除光纤光栅反射谱中的高斯噪声，同时可以直接计算出参考和应变光纤光栅反射谱的中心波长差，以达到进一步提高解调精度的目的。但是，光纤光栅反射谱一般服从高斯分布，直接运用双谱估计不能得到解调结果，因此需要改变反射谱的分布特性，使其不具有高斯特性。而希尔伯特变换是处理窄带信号的有效手段，并且希尔伯特变换可以将反射谱峰值位置变成过零点，经过适当处理后不会改变两个反射谱的波长差。鉴于此，在进行双谱估计前应用希尔伯特变换对反射谱进行预处理。到目前为止，还没有基于希尔伯特变换和双谱估计的方法应用在计算两路光纤光栅传感器反射谱的中心波长差异实现高精度解调的报道。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的是提供一种基于希尔伯特变换和双谱估计的高精度光纤光栅解调方法，以提高光纤光栅测量应变的解调精度，并重点解决传统互相关解调方法不能有效抑制高斯噪声和相关性噪声，不能用于高精度解调非平稳光纤光栅传感信号等问题。本专利技术的基于希尔伯特变换和双谱估计的高精度光纤光栅的解调方法，包括下列步骤：步骤1：截取两路光纤光栅反射谱在反射峰及反射峰附近的数据，再将反射谱数据分别进行希尔伯特变换，并分别将变换后的反射谱数据取绝对值后与原反射谱数据相叠加，得到叠加后的结果X(n)、Y(n)；步骤2：利用叠加后的结果X(n)、Y(n)分别计算三阶累积量和互三阶累积量，通过三阶累积量计算双谱，通过互三阶累积量计算互双谱，并利用双谱和互双谱构造以波长差为变量的波长差函数；步骤3：检测构造的波长差函数的最大值位置，得到所述两路反射谱的波长差。其中，步骤1中在截取两路光纤光栅反射谱的反射峰及反射峰附近的数据时还包括将得到的两路光纤光栅反射谱的反射峰带宽外的数据置零，以减小冗余数据对解调精度的负面影响。其中，步骤2中所述的利用叠加后的结果分别计算三阶累积量CXXX(τ，ρ)和互三阶累积量CYXX(τ，ρ)的计算公式分别为：CXXX(τ，ρ)＝E[X(n)X(n+τ)X(n+ρ)]CYXX(τ，ρ)＝E[Y(n)X(n+τ)X(n+ρ)]其中，E[·]为集合平均算子，τ表示两路光纤光栅波长差变量，ρ表示与τ无关的另一个波长差变量。其中，步骤2中所述的通过三阶累积量CXXX(τ，ρ)计算双谱BXXX(ω1，ω2)、通过互三阶累积量CYXX(τ，ρ)计算互双谱BYXX(ω1，ω2)的计算公式分别为：BXXX(ω1，ω2)＝E[FTX(ω1)FTX(ω2)FTX*(ω1+ω2)]其中，FTX(ω1)、FTX(ω2)为X(n)的傅里叶变换，FTY(ω1)为Y(n)的傅里叶变换，FTX*(ω1+ω2)为FTX(ω1+ω2)的共轭，ω1为变量τ所对应的角频率，ω2为变量ρ所对应的角频率，j为虚数单位。其中，步骤2中所述的利用双谱BXXX(ω1，ω2)和互双谱BYXX(ω1，ω2)构造以波长差为变量的波长差函数h(λ)的计算公式为：其中，步骤3中进一步根据得到的所述两路反射谱的波长差求得光纤光栅受到的外界应变量的大小。其中，所述步骤1中的所述两路光纤光栅反射谱是通过窄线宽可调谐激光器扫描获得的，并且通过偏振控制器消除每个光纤光栅的一个偏振态的影响。其中，所述可调谐激光器具有小于1kHz的窄线宽和大于4pm的大可调谐范围，所述光纤光栅也具有小于2MHz窄带宽。其中，所述光纤光栅反射谱通过光纤光栅、光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于希尔伯特变换和双谱估计的高精度光纤光栅的解调方法，包括下列步骤：步骤1：截取两路光纤光栅反射谱在反射峰及反射峰附近的数据，再将反射谱数据分别进行希尔伯特变换，并分别将变换后的反射谱数据取绝对值后与原反射谱数据相叠加，得到叠加后的结果X(n)、Y(n)；步骤2：利用叠加后的结果X(n)、Y(n)分别计算三阶累积量和互三阶累积量，通过三阶累积量计算双谱，通过互三阶累积量计算互双谱，并利用双谱和互双谱构造以波长差为变量的波长差函数；步骤3：检测构造的波长差函数的最大值位置，得到所述两路反射谱的波长差。

【技术特征摘要】
1.一种基于希尔伯特变换和双谱估计的高精度光纤光栅的解调方法，包括下列步骤：步骤1：截取两路光纤光栅反射谱在反射峰及反射峰附近的数据，再将反射谱数据分别进行希尔伯特变换，并分别将变换后的反射谱数据取绝对值后与原反射谱数据相叠加，得到叠加后的结果X(n)、Y(n)；其中，这两路光纤光栅分别为参考光纤光栅和应变光纤光栅；步骤2：利用叠加后的结果X(n)、Y(n)分别计算三阶累积量和互三阶累积量，通过三阶累积量计算双谱，通过互三阶累积量计算互双谱，并利用双谱和互双谱构造以波长差为变量的波长差函数；步骤3：检测构造的波长差函数的最大值位置，得到所述两路反射谱的波长差。2.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅的解调方法，其中步骤1中在截取两路光纤光栅反射谱的反射峰及反射峰附近的数据时还包括将得到的两路光纤光栅反射谱的反射峰带宽外的数据置零，以减小冗余数据对解调精度的负面影响。3.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅的解调方法，其中步骤2中所述的利用叠加后的结果分别计算三阶累积量CXXX(τ，ρ)和互三阶累积量CYXX(τ，ρ)的计算公式分别为：CXXX(τ，ρ)＝E[X(n)X(n+τ)X(n+ρ)]CYXX(τ，ρ)＝E[Y(n)X(n+τ)X(n+ρ)]；其中，E[·]为集合平均算子，τ表示两路光纤光栅波长差变量，ρ表示与τ无关的另一个波长差变量。4.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅的解调方法，其中步骤2中所述的通过三阶累积量CXXX(τ，p)计算双谱BXXX(ω1，ω2)、通过互三阶累积量CYXX(τ，ρ)计算互双谱BYXX(ω1，ω2)的计算公式分别为：BXXX(ω1，ω2)＝E[FTX(ω1)FTX(ω2)FTX*(ω1+ω2)]其中，λdiff为两路光纤光栅反射谱峰值位置的波长差，τ为两路光纤光栅波长差变量，ρ为与τ无关的另一个波长差变量，ω1为变量τ所对应的角频率，ω2为变量ρ所对应的角频率，FTX(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文涛，甄腾坤，黄稳柱，李芳，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11