一种基于动态阈值距离质心算法的峰值检测方法技术

本发明专利技术提供一种基于动态阈值距离质心算法的峰值检测方法，该方法包括获取原始光谱信号，设置阈值使得峰值区域分割，根据分割后的峰值区域对质心算法进行阈值修正，对阈值修正后的质心算法进行距离加权修正，基于加权修正后的质心算法获取目标中心波长。应用本发明专利技术可以避免拟合波长的突变，提高波长拟合分辨率。提高波长拟合分辨率。提高波长拟合分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态阈值距离质心算法的峰值检测方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，尤其涉及一种基于动态阈值距离质心算法的峰值检测方法。

技术介绍

[0002]在光纤光栅传感系统中，FBG中心波长的解调技术一直是研究热点和难点，FBG中心波长的解调精度与速度直接影响传感系统的整体性能，光纤光栅传感系统解调的本质是对传感光栅反射谱进行实时监测，分析出实时中心波长的变化，因此，信号解调技术是实现光纤光栅传感技术的关键。
[0003]在光纤光栅传感系统中，对于FBG的中心波长的精确解调需要相应算法的处理。智能算法如神经网络算法和遗传算法等虽然检测精度较高，但是比较复杂，计算量较大，受硬件处理能力的限制。
[0004]例如，神经网络算法有很出色的学习能力，对噪声有比较高的容错性，但运行时间过长；粒子群算法具有高精度、高分辨率和抗噪性能，通过重建能够处理光纤光栅的畸变光谱，但是训练时间长，不适合实时动态的场景；直接寻峰法适用于采集数据点多而且谱形状分布对称的情况，当外界噪声对光谱造成干扰时，此方法寻中心波长精度变低：一般多项式拟合原理简单，运行速度快，易于操作，但是中心波长的准确度不高；高斯拟合算法过分依赖观测数据，抗噪性能差，且如果中心波长不在观测点内，中心波长误差较大；传统质心算法虽然运行速度快，所需采样数据点少，但受噪声影响较大，在噪声大(信噪比低)的情况下得到的FBG中心波长的误差较大。
[0005]目前最常见和商用的解调设备是基于光谱仪和基于扫频激光的通过一定数目的采样步长对FBG反射光谱进行采样，解调仪中的中心波长由二极管阵列中的像素间距给出。以上方案的光学分辨率受到采样点数目有限的制约，与基于法布里
‑
珀罗滤波器和马赫
‑
曾达干涉仪等的解调原理相比效果会差一些。采用不同的中心波长拟合算法，如质心和多项式拟合，可以将检测到的FBG峰值位置的分辨率提高到亚像素级。然而，为了获得在噪声影响下，获得更高中心波长拟合分辨率，需要进一步地开发合适的解调算法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的是提供一种可以避免拟合波长的突变，提高波长拟合分辨率的基于动态阈值距离质心算法的峰值检测方法。
[0007]为了实现上述主要目的，本专利技术提供的一种基于动态阈值距离质心算法的峰值检测方法，包括获取原始光谱信号；设置阈值使得峰值区域分割；根据分割后的峰值区域对质心算法进行阈值修正；对阈值修正后的质心算法进行距离加权修正；基于加权修正后的质心算法获取目标中心波长。
[0008]进一步的方案中，所述设置阈值使得峰值区域分割，包括：设置一个动态阈值T，令YL
i
<T<YL
i+1
，其中，T是FBG反射谱采集数据的动态阈值，i＝n表示第n个FBG反射谱采集数
据，YL
i
为第n个FBG反射谱中心波长左侧小于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值，则此刻对应的横纵坐标为(XL
i
,YL
i
)，YL
i+1
为当前FBG反射谱中心波长左侧大于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值，则此刻对应的横纵坐标是(XL
i+1,L
YL
i+1
)。
[0009]更进一步的方案中，令YR
i
<T<YR
i+1
，其中，YR
i
是当前FBG反射谱中心波长右侧小于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值，则此刻对应的横纵坐标是(XR
i
,YR
i
)，YR
i+1
是当前FBG反射谱中心波长右侧大于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值，则此刻对应的横纵坐标(XR
i+1,L
YR
i+1
)。
[0010]更进一步的方案中，计算得出参数(αL,βL)和(αR,βR)，以表示实际的阈值位置，其中，(αL,βL)为插入在(XL
i
,YL
i
)和(XL
i+1,L
YL
i+1
)之间坐标值的横纵坐标值点，(αR,βR)为插入在(XR
i
,YR
i
)和(XR
i+1,L
YR
i+1
)之间坐标值的横纵坐标值点。
[0011]更进一步的方案中，所述根据分割后的峰值区域对质心算法进行阈值修正，包括：当质心点的总体数目数增加m时，参数(αL,βL)作为阈值限制的额外补偿值，目标中心波长左边的边界条件应满足：
[0012]当T
→
YL
i
时，αL
→
XL
i
，βL
→
YL
i
；
[0013]当T
→
YL
i+m
时，αL
→
XLi+m，βL
→
YLi+m；
[0014]其中，XL
i+m
是第n+m个FBG反射谱中心波长左侧大于在动态阈值T的一个采集数据点对应的横坐标值，YL
i+m
是第n+m个FBG反射谱中心波长左侧大于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值；
[0015]当质心点的总体数目数增加m时，参数(αR,βR)作为阈值限制的额外补偿值，目标中心波长左边的边界条件应满足：
[0016]当T
→
YR
i
时，αR
→
XR
i
，βR
→
YR
i
；
[0017]当T
→
YR
i+m
时，αL
→
XR
i+m
，βR
→
YR
i+m
；
[0018]其中，XR
i+m
是第n+m个FBG反射谱中心波长右侧大于在动态阈值T的一个采集数据点对应的横坐标值，YR
i+m
是第n+m个FBG反射谱中心波长右侧大于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值。
[0019]更进一步的方案中，参数(αL,βL)和(αR,βR)与YL
i
和YL
i+1
线之间的能量成正比，表示为公式(2)和(3)：
[0020][0021][0022]由(2)、(3)得出左端点的坐标，表示为公式(4)：
[0023][0024]由公式(2)、(3)和(4)可得出右端点的坐标，表示为公式(5)：
[0025][0026]更进一步的方案中，对阈值修正后的质心算法的数学表达式表示为公式(6)：
[0027][0028]其中，λ
Β1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态阈值距离质心算法的峰值检测方法，其特征在于，包括：获取原始光谱信号；设置阈值使得峰值区域分割；根据分割后的峰值区域对质心算法进行阈值修正；对阈值修正后的质心算法进行距离加权修正；基于加权修正后的质心算法获取目标中心波长。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置阈值使得峰值区域分割，包括：设置一个动态阈值T，令YL
i
<T<YL
i+1
，其中，T是FBG反射谱采集数据的动态阈值，i＝n表示第n个FBG反射谱采集数据，YL
i
为第n个FBG反射谱中心波长左侧小于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值，则此刻对应的横纵坐标为(XL
i
,YL
i
)，YL
i+1
为当前FBG反射谱中心波长左侧大于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值，则此刻对应的横纵坐标是(XL
i+1,L
YL
i+1
)。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：令YR
i
<T<YR
i+1
，其中，YR
i
是当前FBG反射谱中心波长右侧小于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值，则此刻对应的横纵坐标是(XR
i
,YR
i
)，YR
i+1
是当前FBG反射谱中心波长右侧大于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值，则此刻对应的横纵坐标(XR
i+1,L
YR
i+1
)。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：计算得出参数(αL,βL)和(αR,βR)，以表示实际的阈值位置，其中，(αL,βL)为插入在(XL
i
,YL
i
)和(XL
i+1,L
YL
i+1
)之间坐标值的横纵坐标值点，(αR,βR)为插入在(XR
i
,YR
i
)和(XR
i+1,L
YR
i+1
)之间坐标值的横纵坐标值点。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据分割后的峰值区域对质心算法进行阈值修正，包括：当质心点的总体数目数增加m时，参数(αL,βL)作为阈值限制的额外补偿值，目标中心波长左边的边界条件应满足：当T
→
YL
i
时，αL
→
XL
i
，βL
→
YL
i
；当T
→
YL
i+m
时，αL
→
XLi+m，βL
→
YLi+m；其中，XL
i+m
是第n+m个FBG反射谱中心波长左侧大于在动态阈值T的一个采集数据点对应的横坐标值，YL
i+m
是第n+m个FBG反射谱中心波长左侧大于在动态阈值T的一个采集数据点对应的纵坐标强度值；当质心点...

【专利技术属性】
技术研发人员：王方军，陈志超，汪超，万刘伟，张倩倩，郑鹏飞，劳俊达，
申请(专利权)人：深圳技术大学，
类型：发明
国别省市：