一种光纤光栅调解方法及系统

技术领域

本发明涉及结构监测设备领域，特别涉及一种光纤光栅调解方法及系统。

背景技术

随着我国桥梁、隧道等基础设施的快速发展和建设，结构安全监测系统的应用也越发广泛，其中光纤光栅技术在此领域也得到了应用，与之配套的调解设备的也随之而生。

目前，结构监测行业对调解设备的功能需求也逐步增加，常规的光纤光栅的调解设备的主要功能是通过ARM、DSP等架构进行设计，技术复杂且成本高。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种光纤光栅调解方法及系统，以解决现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供了一种光纤光栅调解方法，所述方法包括：

通过对待测光信号进行转换，得到初始数据；

对所述初始数据依次进行预处理，得到预备数据，所述预备数据包括多段脉冲信号，多段所述脉冲信号拟合形成一条曲线；

从所述曲线中获取到峰值位置，并基于理论数据获取到处于所述峰值位置的标准具波长，所述峰值位置匹配有相应的采集时间和测量波长；

当需要获取待测时间所对应的待测脉冲信号的实际波长值时，选择与所述待测脉冲信号相邻的两个指定峰值位置的标准具波长，并将所述待测时间下所对应的测量波长与两个所述指定峰值位置的标准具波长进行插值计算，得到所述待测脉冲信号的实际波长值；

其中，所述基于理论数据获取到处于所述峰值位置的标准具波长的步骤包括：

根据标准具峰值间距判断所述峰值位置是否正常；

当所述峰值位置正常时，基于ROM中预存的理论数据获取到处于同一时间下的标准具波长，并根据时间参数将所述峰值位置与所述标准具波长一一配对，以形成标准具数据。

优选的，所述预处理包括：

对所述初始数据依次进行滤波和限幅处理，得到中间数据，所述中间数据包括多个中间脉冲信号；

计算出所述中间脉冲信号的波长值的实时平均值，并将所述实时平均值与各所述中间脉冲信号所对应的波长值进行比较，基于比较结果获取有效峰值数据，所述有效峰值数据包括多个有效脉冲信号；

将多个所述有效脉冲信号进行高斯拟合，得到采集时间与测量波长的曲线图；

将所述曲线图中的峰值位置存储至数据缓存器中。

优选的，所述基于比较结果获取有效峰值数据的步骤包括：

所述中间脉冲信号所对应的波长值小于所述实时平均值时，判断该中间脉冲信号为有效脉冲信号；

当中间脉冲信号所对应的波长值大于等于所述实时平均值时，判断该中间脉冲信号为无效脉冲信号。

优选的，所述插值计算的表达式如下所示：

；

其中，

优选的，所述通过对待测光信号进行转换，得到初始数据的步骤包括：

通过光电转换电路将待测光信号转换为电压信号；

通过ADC模数转换器采集并转换电压信号，得到初始数据。

为实现上述目的，本发明还提供了一种光纤光栅的调解系统，所述系统包括：

转换模块，用于通过对待测光信号进行转换，得到初始数据；

预处理模块，用于对所述初始数据依次进行预处理，得到预备数据，所述预备数据包括多段脉冲信号，多段所述脉冲信号拟合形成一条曲线；

获取模块，用于从所述曲线中获取到峰值位置，并基于理论数据获取到处于所述峰值位置的标准具波长，所述峰值位置匹配有相应的采集时间和测量波长；

计算模块，用于当需要获取待测时间所对应的待测脉冲信号的实际波长值时，选择与所述待测脉冲信号相邻的两个指定峰值位置的标准具波长，并将所述待测时间下所对应的测量波长与两个所述指定峰值位置的标准具波长进行插值计算，得到所述待测脉冲信号的实际波长值；

其中，所述获取模块包括：

判断单元，用于根据标准具峰值间距判断所述峰值位置是否正常；

配对单元，用于当所述峰值位置正常时，基于ROM中预存的理论数据获取到处于同一时间下的标准具波长，并根据时间参数将所述峰值位置与所述标准具波长一一配对，以形成标准具数据。

优选的，所述预处理模块包括：

处理单元，用于对所述初始数据依次进行滤波和限幅处理，得到中间数据，所述中间数据包括多个中间脉冲信号；

均值单元，用于计算出所述中间脉冲信号的波长值的实时平均值，并将所述实时平均值与各所述中间脉冲信号所对应的波长值进行比较，基于比较结果获取有效峰值数据，所述有效峰值数据包括多个有效脉冲信号；

拟合单元，用于将多个所述有效脉冲信号进行高斯拟合，得到采集时间与测量波长的曲线图；

存储单元，用于将所述曲线图中的峰值位置存储至数据缓存器中。

优选的，所述均值单元包括：

第一判断子单元，用于所述中间脉冲信号所对应的波长值小于所述实时平均值时，判断该中间脉冲信号为有效脉冲信号；

第二判断子单元，用于当中间脉冲信号所对应的波长值大于等于所述实时平均值时，判断该中间脉冲信号为无效脉冲信号。

本发明的有益效果是：通过将待测光信号进行转换，得到初始数据，然后对初始数据进行预处理，得到预备数据，预备数据中的多个脉冲信号连接形成一条曲线，再从曲线中获取到峰值位置，并基于理论数据获取到处于峰值位置的标准具波长，当需要获取待测时间所对应的待测脉冲信号的实际波长值时，通过选择与待测脉冲信号相邻的指定峰值位置的标准具波长，然后将待测时间所对应的测量波长与两个指定峰值位置的标准具波长进行插值计算，以计算出待测脉冲信号的实际波长值，区别于现有技术，不仅简化了调解操作，还有利于降低相应设备成本，同时还有利于提升调解精度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的光纤光栅调解方法的流程图；

图2为本发明第二实施例提供的光纤光栅调解方法的结构框图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，为本发明第一实施例中的光纤光栅调解方法的流程图，如图1所示，该光纤光栅调解方法包括以下步骤：

步骤S101，通过对待测光信号进行转换，得到初始数据；

其中，获取到的待测光信号需要先通过所述光电转换电路转换为电压信号，然后通过ADC模数转换器采集并转换为初始数据，以便后续处理，可以理解的，所述ADC模数转换器是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件，因此，该初始数据为数字信号类型。

步骤S102，对所述初始数据依次进行预处理，得到预备数据，所述预备数据包括多段脉冲信号，多段所述脉冲信号拟合形成一条曲线；

其中，所述预处理包括数据滤波、信号限幅、均值、峰值截取、高斯拟合和峰值存储。具体为，数据滤波：把毛刺和高频噪声滤除掉；限幅：把超幅的电压和底噪去掉，实时平均及延时对齐，用于求信号的实时平均值，可以理解的，因实时平均值会产生时钟延时，用延时对齐模块对原始信号进行处理，使之与平均值进行同步，因此，需要进行限幅处理；峰值截取：将实时平均值与原始信号进行比较，大于平均线的筛选出来，经过峰值判断，获取有效的峰值数据；高斯拟合：对波峰数据进行高斯拟合，找到峰值位置；峰值存储：将本通道的所有峰值位置存储到FIFO（First Input First Output，先进先出数据缓存器）中。

可以理解的，在计算待测脉冲信号的实际波长值之前，还需要对所述初始数据进行预处理，若跳过上述步骤S102，由于波峰段的数据量较大，且其中有大部分数据均为冗余数据，会影响该调解速度，浪费资源，因此该步骤S102是不可或缺的一步。

步骤S103，从所述曲线中获取到峰值位置，并基于理论数据获取到处于所述峰值位置的标准具波长，所述峰值位置匹配有相应的采集时间和测量波长；

其中，该曲线中的任一点皆匹配有相应的采集时间和测量波长，所述峰值位置也会匹配有相应的采集时间和测量波长。

需要说明的是，以采集时间作为筛选参数，以在理论数据中挑选同一时间下的理论波长，并将该理论波长作为该采集时间的标准具波长。

步骤S104，当需要获取待测时间所对应的待测脉冲信号的实际波长值时，选择与所述待测脉冲信号相邻的两个指定峰值位置的标准具波长，并将所述待测时间下所对应的测量波长与两个所述指定峰值位置的标准具波长进行插值计算，得到所述待测脉冲信号的实际波长值。

通过上述步骤，通过将待测光信号进行转换，得到初始数据，然后对初始数据进行预处理，得到预备数据，预备数据中的多个脉冲信号连接形成一条曲线，再从曲线中获取到峰值位置，并基于理论数据获取到处于峰值位置的标准具波长，当需要获取待测时间所对应的待测脉冲信号的实际波长值时，通过选择与待测脉冲信号相邻的指定峰值位置的标准具波长，然后将待测时间所对应的测量波长与两个指定峰值位置的标准具波长进行插值计算，以计算出待测脉冲信号的实际波长值，区别于现有技术，不仅简化了调解操作，还有利于降低相应设备成本，同时还有利于提升调解精度。

在其中一些实施例中，所述通过对待测光信号进行转换，得到初始数据的步骤包括：

通过光电转换电路将待测光信号转换为电压信号；

通过ADC模数转换器采集并转换电压信号，得到初始数据。

其中，按照扫描周期向光纤光栅传感器输出相应的光信号，因此采集到的待测光信号的数量为多个，多个所述待测光信号经所述ADC模数转换器处理后，仍会得到多个初始脉冲信号，且该多个初始脉冲信号组成所述初始数据。

在其中一些实施例中，所述预处理包括：

对所述初始数据依次进行滤波和限幅处理，得到中间数据，所述中间数据包括多个中间脉冲信号；

其中，对应步骤S102中的数据滤波、信号限幅操作，也就是说，将所述初始数据中的毛刺和高频噪声滤除掉，然后将超幅的电压和底噪去掉，以实时平均及延时对齐，以便后续求取所述中间数据的相应实时平均值。

计算出所述中间脉冲信号的波长值的实时平均值，并将所述实时平均值与各所述中间脉冲信号所对应的波长值进行比较，基于比较结果获取有效峰值数据，所述有效峰值数据包括多个有效脉冲信号；

其中，计算所述实时平均值的计算表达式如下：

；

为所述实时平均值，/>

需要说明的是，该步骤对应步骤S102中的峰值截取操作，将所述实时平均值与原始信号的波长值进行比较，小于实时平均值的波长值所对应的峰值位置筛选出来，以获取有效峰值数据，所述原始信号为所述中间数据中的中间脉冲信号。

将多个所述有效脉冲信号进行高斯拟合，得到采集时间与测量波长的曲线图；

其中，该步骤对应步骤S102中的高斯拟合操作，对所述有效峰值数据进行高斯拟合，得到采集时间与测量波长的曲线图，以及对应的该曲线，以便找到峰值位置。

需要说明的是，通过上述高斯拟合得到相应曲线，并利用曲线找到峰值位置，能够提高调解过程中的寻峰精度。

将所述曲线图中的峰值位置存储至数据缓存器中。

其中，该步骤对应步骤S102中的峰值存储操作，即将所有所述峰值位置存储到FIFO（First Input First Output，先进先出数据缓存器）中，可以理解的，各所述峰值位置皆匹配有相应的采集时刻和测量波长。

在其中一些实施例中，所述基于比较结果获取有效波峰数据的步骤包括：

所述中间脉冲信号所对应的波长值小于所述实时平均值时，判断该中间脉冲信号为有效脉冲信号；

当中间脉冲信号所对应的波长值大于等于所述实时平均值时，判断该中间脉冲信号为无效脉冲信号。

在其中一些实施例中，所述基于理论数据获取到处于所述峰值位置的标准具波长的步骤包括：

根据标准具峰值间距判断所述峰值位置是否正常；

其中，当相邻所述峰值位置的间距小于所述标准具波峰间距时，判断所述峰值位置异常，此时，异常数据会丢弃，然后重新采集数据，当连续采集5次仍异常时，则上报最后一次的异常数据，避免死循环。

当相邻所述峰值位置的间距大于等于所述标准具波峰间距时，则判断所述峰值位置正常，以保证实际测量得到的波长序列会与所述理论数据中的标准具波长序列对齐。

当所述峰值位置正常时，基于ROM中预存的理论数据获取到处于同一时间下的标准具波长，并根据时间参数将所述峰值位置与所述标准具波长一一配对，以形成标准具数据。

其中，所述ROM为（Read-Only Memory，只读内存）内预先存储有理论数据，从所述理论数据中查找到各采集时间对应的标准具波长。

在其中一些实施例中，所述插值计算的表达式如下所示：

；

其中，

在其中一个具体实施例中，该光纤光栅调解方法利用各脉冲波峰值对应的时间来计算测量光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating，FBG）测得的波长值。即已知测量FBG峰值时间

1）查找与

2）根据标准具的产品信息、标准具输出峰值时间与FBG峰值时间关系查找各时刻对应的波长值

3）插值计算

若查找到与

；

利用线性差值公式算得测量FBG的中心波长为：

；

波长的变化就是对应光栅由其他物理量引起的形变量，从而换算成实测物理量的值。

需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本申请第二实施例还提供了一种光纤光栅调解系统，该系统用于实现上述第一实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”、“单元”、“子单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图2为本发明第二实施例的光纤光栅调解系统的结构框图，如图2所示，所述系统包括：

转换模块10，用于通过对待测光信号进行转换，得到初始数据；

预处理模块20，用于对所述初始数据依次进行预处理，得到预备数据，所述预备数据包括多段脉冲信号，多段所述脉冲信号拟合形成一条曲线；

获取模块30，用于从所述曲线中获取到峰值位置，并基于理论数据获取到处于所述峰值位置的标准具波长，所述峰值位置匹配有相应的采集时间和测量波长；

计算模块40，用于当需要获取待测时间所对应的待测脉冲信号的实际波长值时，选择与所述待测脉冲信号相邻的两个指定峰值位置的标准具波长，并将所述待测时间下所对应的测量波长与两个所述指定峰值位置的标准具波长进行插值计算，得到所述待测脉冲信号的实际波长值。

通过上述步骤，通过将待测光信号进行转换，得到初始数据，然后对初始数据进行预处理，得到预备数据，预备数据中的多个脉冲信号连接形成一条曲线，再从曲线中获取到峰值位置，并基于理论数据获取到处于峰值位置的标准具波长，当需要获取待测时间所对应的待测脉冲信号的实际波长值时，通过选择与待测脉冲信号相邻的指定峰值位置的标准具波长，然后将待测时间所对应的测量波长与两个指定峰值位置的标准具波长进行插值计算，以计算出待测脉冲信号的实际波长值，区别于现有技术，不仅简化了调解操作，还有利于降低相应设备成本，同时还有利于提升调解精度。

在其中一些实施例中，所述转换模块10包括：

第一转换单元，用于通过光电转换电路将待测光信号转换为电压信号；

第二转换单元，用于通过ADC模数转换器采集并转换电压信号，得到初始数据。

在其中一些实施例中，所述预处理模块20包括：

处理单元，用于对所述初始数据依次进行滤波和限幅处理，得到中间数据，所述中间数据包括多个中间脉冲信号；

均值单元，用于计算出所述中间脉冲信号的波长值的实时平均值，并将所述实时平均值与各所述中间脉冲信号所对应的波长值进行比较，基于比较结果获取有效峰值数据，所述有效峰值数据包括多个有效脉冲信号；

拟合单元，用于将多个所述有效脉冲信号进行高斯拟合，得到采集时间与测量波长的曲线图；

存储单元，用于将所述曲线图中的峰值位置存储至数据缓存器中。

在其中一些实施例中，所述均值单元包括：

第一判断子单元，用于所述中间脉冲信号所对应的波长值小于所述实时平均值时，判断该中间脉冲信号为有效脉冲信号；

第二判断子单元，用于当中间脉冲信号所对应的波长值大于等于所述实时平均值时，判断该中间脉冲信号为无效脉冲信号。

在其中一些实施例中，所述获取模块30包括：

判断单元，用于根据标准具峰值间距判断所述峰值位置是否正常；

配对单元，用于当所述峰值位置正常时，基于ROM中预存的理论数据获取到处于同一时间下的标准具波长，并根据时间参数将所述峰值位置与所述标准具波长一一配对，以形成标准具数据。

在其中一些实施例中，所述插值计算的表达式如下所示：

；

其中，

上述各模块、单元被执行时所实现的功能或操作步骤与上述方法实施例大体相同，在此不再赘述。

本发明实施例所提供的光纤光栅调解系统，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。