一种基于参考气室的光纤光栅解调方法及设备

技术领域

本发明涉及光栅解调技术领域，具体为一种基于参考气室的光纤光栅解调方法及设备。

背景技术

现代社会工业生产和基础建筑设施中，温度、应力是两个相当重要的物理量，生产设备的工作温度变化及关键运行部位的应力变化能够反映其运行状态是否正常；基础建筑结构的环境温度的变化或关键支撑结构应力的变化则影响其结构损伤和使用寿命。随着国民经济的迅速发展，许多现代工业如电力系统、石油化工等的生产规模不断扩大而政府对基础建筑设施如桥梁、隧道、大坝的投入建设也显著增加，这些生产与工程领域的建设在给社会和国民带来的经济效益、生活便利的同时，也存在人为失误破坏、环境变迁影响导致生产设备损坏和建筑安全失效的风险。

光纤光栅传感技术作为光纤传感技术的一种，凭借其自身独特的优点，在温度和应力检测领域得到了迅速发展。光纤光栅波长解调方法的研究一直是光纤光栅传感领域研究的热点，太原理工大学硕士论文《基于扫描激光器的光纤光栅解调仪研究》中采用40nm扫描激光器模组作为光源，通过控制激光器脉冲调节波长和捕获上升索引实现波长的解调，该方案采用完全成熟的激光器模组，硬件成本高，并且绝对波长完全依靠激光器性能本身，当激光器波长发生偏移时，由于没有绝对波长参考，便容易造成波长解调不准确。中国专利文献CN108106645A提供了《基于氰化氢吸收波长参考的光纤光栅传感解调装置与方法》中提到采用氰化氢气体作为参考气体为光纤光栅解调提供绝对波长参考，但是由于解调系统采用ASE宽带光源、PF腔调节以及剧毒气体氰化氢做波长参考，使得该系统成本较大，批量化、产业化困难。

发明内容

为解决上述的问题，本发明一方面提供了一种基于参考气室的光纤光栅解调方法，包括以下步骤：

S1、采集乙炔透射光谱信号，通过拟合透射光谱基线获取乙炔差分光谱；

S2、通过采样率与扫描信号周期计算扫描信号周期的采样点个数，根据乙炔气体吸收峰波长确定扫描波长范围内包含的乙炔吸收峰个数，并建立对应乙炔吸收峰的位置索引变量数组；

S3、基于乙炔差分光谱与乙炔吸收峰个数，确定位置索引变量数组对应的绝对波长；

S4、采集光纤光栅反射谱处理得到归一化光栅光谱数组，通过光栅寻峰法得到光纤光栅中心波长对应的索引值数组与索引值；

S5、将光纤光栅中心波长的索引值代入至位置索引变量数组中，确定光纤光栅的中心波长。

作为具体的实施方式，所述S3中基于乙炔差分光谱与乙炔吸收峰个数，确定位置索引变量数组对应的绝对波长，具体方法为：

S3.1、将获取的乙炔差分光谱进行最大最小值归一化得到差分归一化光谱数组；

S3.2、将差分归一化光谱数组与预设阈值进行比较，确定相邻差分数组；将所述相邻差分数组中各元素与预设阈值进行比较处理，得到潜在吸收峰两翼的位置数组；

S3.3、基于乙炔吸收峰波长和扫描的最小步长，对位置数组进行筛选处理确定位置索引变量数组的位置索引值；

S3.4、将位置索引值与乙炔吸收峰波长数组进行线性拟合，计算索引值数组各位置索引值对应的波长，并将各段拟合得到的波长拼接得到位置索引变量数组各元素点对应的绝对波长。

所述S3.2中通过将差分归一化光谱数组与预设阈值进行比较，确定相邻差分数组，具体为：

将差分归一化光谱数组各元素与预设阈值进行比较，若大于预设阈值，差分归一化光谱数组的数值保留；若小于等于预设阈值，则置零；

将保留的差分归一化光谱数组做相邻元素差分处理，得到相邻差分数组，并对所述相邻差分数组各元素数值取绝对值。

所述S3.3中基于乙炔吸收峰个数和扫描的最小步长，对位置数组进行筛选处理确定位置索引变量数组的位置索引值，具体包括：

S3.3.1、根据相邻乙炔吸收峰的波长间隔，结合扫描波长范围与采样点个数，预估步长分辨率对位置数组进行筛选处理，确定完整吸收峰的两翼；

S3.3.2、根据确定的完整吸收峰的两翼，基于步长，计算两翼的平均值作为当前吸收峰的位置索引值，得到索引值数组。

作为具体的实施方式，所述S3.3之后还包括判断索引值数组中位置索引值的个数与乙炔吸收峰个数是否相等，

若相等，则表示确定得到完整的乙炔差分光谱对应的位置索引值；

若不相等，则改变预设阈值并重复步骤S3.2-步骤S3.3。

作为具体的实施方式，所述扫描波长范围为1531.19-1535.87nm。

作为具体的实施方式，所述S4中采集光纤光栅光谱反射谱处理得到归一化光栅光谱数组，具体包括：通过采集光纤光栅反射谱，经高斯卷积后得到光栅光谱数组；对所述光栅光谱数组进行最大最小值归一化得到归一化光栅光谱数组。

所述S4中通过光栅寻峰法得到光纤光栅中心波长对应的索引数组与索引值，具体方法为：

S4.1、通过将归一化光栅光谱数组与固定阈值进行比较，确定相邻差分数组；遍历所述相邻差分数组中的元素与固定阈值进行比较处理，得到潜在吸收峰两翼的位置数组；

S4.2、基于扫描的最小步长，对位置数组进行筛选处理确定光纤光栅中心波长对应的索引数组与索引值。

所述光纤光栅解调方法还包括所述S5在确定光纤光栅的中心波长后，将光纤光栅的中心波长与初始波长比对确定波长的变化量，根据确定的波长的变化量确定光纤光栅阵列变化的物理量。

本发明另一方面提供了一种基于参考气室的光纤光栅解调设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的程序数据时实现如上所述的基于参考气室的光纤光栅解调方法。

有益效果在于：

（1）本申请通过寻气体吸收峰算法结合乙炔气体在1532nm附近的吸收特征，自动改变判定阈值根据吸收峰个数分析出指定吸收峰波长对应的采集信号的位置索引，为波长-索引分段拟合提供依据；

（3）本申请通过分段线性拟合将相邻乙炔吸收峰的波长与位置索引作为线性拟合的两点，通过遍历波长与位置索引值，进而得到了整个采样点数与波长的一一对应关系，进一步的将光纤光栅的解调波长与采样精度强相关，并且乙炔气体吸收峰波长不受温度、压强等环境因素影响，实现以位置索引求解的光栅波长稳定性好、准确度高；

（3）本申请采用最大最小值归一化，消除设备、通道、接头等因素对乙炔吸收谱和光纤光栅反射谱的强度影响；

（4）采用乙炔气体参考气室得到了绝对波长，其波长的获取不受环境温度、工作时长、环境湿度、压强等外界因素影响降低了光纤光栅解调仪获取标准波长的难度，提高了解调准确度，此外，相比于以含有剧毒且易燃易爆的氰化氢参考气室，乙炔参考气室不仅成本便宜，还大大提高了设备安全性。

附图说明

图1为基于参考气室的光纤光栅解调方法的流程图；

图2为光纤光栅解调方法的步骤S3.1-S3.2的流程图；

图3为光纤光栅解调方法步骤S3.3的流程图；

图4为乙炔气体参考气室的位置索引波长图。

具体实施方式

下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。

实施例1，本实施例提供了一种基于参考气室的光纤光栅解调方法，应用于光纤光栅解调系统，所述光纤光栅解调系统包括VCSEL激光器、激光器驱动模块、一分八耦合器、一分二耦合器、光纤光栅阵列、乙炔参考气室、光电探测器阵列和数据采集处理器。其中，该光纤光栅解调系统在进行工作时，由STM32F407为核心处理器的数据采集处理器产生频率为10Hz，幅值为1V的正锯齿波传输到激光器驱动模块，所述激光器驱动模块将该信号源进行放大，并加载到VCSEL激光器的波长调制引脚产生周期为10Hz的扫描波长，所述扫描波长的波长范围为1531.19-1535.87nm；所述VCSEL激光器出射光经光纤耦合到一分八耦合器上，所述一分八耦合器的输出通道一经过光纤耦合到密封乙炔气体的参考气室，所述乙炔参考气室的透射光信号经光纤传输至光电探测器阵列得到乙炔透射谱电压信号。所述一分八耦合器的其他通道经过光纤耦合至一分二耦合器的通道一，所述一分二耦合器的公共端连接光纤光栅阵列，出射光经布拉格反射，光纤光栅阵列的反射谱再次经过一分二耦合器的通道二被光电探测器检测，得到光栅的反射谱电压信号。所述数据采集处理器同步采集的乙炔透射光谱信号和光纤光栅反射谱信号进行光栅解调。

所述基于参考气室的光纤光栅解调方法的具体步骤如下：

S1、采集乙炔透射光谱信号，通过拟合透射光谱基线获取乙炔差分光谱。

通过乙炔透射光谱信号将未发生吸收的波形拟合得到透射光谱基线，将透射光谱基线与乙炔透射光谱信号做差，获取得到乙炔差分光谱。

S2、通过采样率与扫描信号周期计算扫描信号周期的采样点个数，根据乙炔气体吸收峰波长确定扫描波长范围内包含的乙炔吸收峰个数，并建立对应乙炔吸收峰的位置索引变量数组。

在进行光纤光栅解调处理时，载入信号的ADC采样率fs与扫描信号周期

[1535.394,1534.744,1534.097,1533.467,1532.828,1532.205]；

根据乙炔吸收峰波长数组确定扫描波长范围内的乙炔吸收峰个数，并建立对应乙炔吸收峰的位置索引变量数组，所述位置索引变量数组的个数为N。

S3、基于乙炔差分光谱与乙炔吸收峰个数，确定位置索引变量数组对应的绝对波长。

其具体方法包括：

S3.1、将获取的乙炔差分光谱进行最大最小值归一化得到差分归一化光谱数组；

将乙炔差分光谱的最大吸收峰缩放到绝对数值1，基线缩放至0附近，并根据归一化公式得到差分归一化光谱数组，其具体公式如下：

；

其中，

通过对乙炔差分光谱进行最大最小值归一化，能够消除设备、通道、接头等因素对乙炔吸收透射谱的强度影响。

S3.2、将差分归一化光谱数组与预设阈值进行比较，确定相邻差分数组；将所述相邻差分数组中各元素与预设阈值进行比较处理，得到潜在吸收峰两翼的位置数组。

其中，所述通过将差分归一化光谱数组与预设阈值进行比较，确定相邻差分数组，具体为：

将差分归一化光谱数组各元素与预设阈值进行比较，若大于预设阈值，差分归一化光谱数组的数值保留；若小于等于预设阈值，则置零；

将保留的差分归一化光谱数组做相邻元素差分处理，得到相邻差分数组，并对所述相邻差分数组各元素数值取绝对值；

传统的峰值索引解调是通过监测最大值的索引确定，但是由于采样率和噪声限制直接获取最大值使得解调误差较大，因此更加常见的方法是3db带宽法也即取最大值的半高宽对应的索引再求均值；本发明中通过设定阈值比较的方式，将“半高宽”的索引值确定，以便后续确定是否为真实峰的索引。分别将所述相邻差分数组中各元素与预设阈值进行比较，将大于该预设阈值的元素保留，并作为乙炔吸收峰对应的位置索引，建立潜在吸收峰两翼的位置数组。

S3.3、基于乙炔吸收峰波长和扫描最小步长，对位置数组进行筛选处理确定位置索引变量数组的位置索引值，具体包括：

S3.3.1、根据相邻乙炔吸收峰的波长间隔，结合扫描波长范围与采样点个数，预估步长分辨率对位置数组进行筛选处理，确定完整吸收峰的两翼；

根据乙炔气体在1532附近的吸收谱线可以得出大吸收峰峰值的半高全宽约为30pm，小吸收峰峰值的半高宽约为40pm，因此确定单个吸收峰的两翼索引差值不会太大。

根据乙炔吸收峰之间的0.6nm波长间隔，只要不把前一个吸收峰的左侧索引与后一个吸收峰的右侧索引判定是一个吸收峰的两翼均能满足要求，因此结合激光器扫描的总波长范围与采样点个数共同预估采样步长分辨率Δλ，确定筛选。所述筛选的位置阈值为10*

对位置数组做相邻元素差分处理，若小于位置阈值，则确定所述位置数组的相邻两个元素为一个完整吸收峰的两翼。

S3.3.2、根据确定的完整吸收峰的两翼，基于步长，计算两翼的平均值作为当前吸收峰的位置索引值，得到索引值数组。

同时，步骤S3.3还包括判断索引值数组中位置索引值的个数与乙炔吸收峰个数是否相等，

若相等，则表示确定得到完整的乙炔差分光谱对应的位置索引值；

若不相等，则改变预设阈值并重复步骤S3.2-步骤S3.3。

S3.4、将位置索引值与乙炔吸收峰波长数组进行线性拟合，计算索引值数组各位置索引值对应的波长，并将各段拟合得到的波长拼接得到位置索引变量数组各元素点对应的绝对波长。

将得到的吸收峰峰值的位置索引值与乙炔吸收峰波长形成数值对，每相邻两组数值对做线性拟合，将各段拟合得到的波长拼接得到位置索引变量数组各元素点对应的绝对波长。

S4、采集光纤光栅反射谱处理得到归一化光栅光谱数组，通过光栅寻峰法得到光纤光栅中心波长对应的索引值数组与索引值。

通过采集光纤光栅反射谱，经高斯卷积后得到光栅光谱数组，所述高斯函数系数根据气体吸收峰的个数、采样率和扫描周期等参数进行确定；并对所述光栅光谱数组进行最大最小值归一化得到归一化光栅光谱数组。

在得到归一化光栅光谱数组之后，通过光栅寻峰法得到光纤光栅中心波长对应的索引值数组与索引值，所述光栅寻峰法与步骤S3乙炔寻峰方法类似，具体方法为：

S4.1、通过将归一化光栅光谱数组与固定阈值（因光纤光栅反射谱的信噪比较好，即阈值可以采用固定阈值）进行比较，所述固定阈值可以手动设置更改，确定相邻差分数组；遍历所述相邻差分数组中的元素与固定阈值进行比较处理，得到潜在吸收峰两翼的位置数组；

S4.2、基于扫描的最小步长，对位置数组进行筛选处理确定光纤光栅中心波长对应的索引数组与索引值。

S5、将光纤光栅中心波长的索引值代入至位置索引变量数组中，确定光纤光栅的中心波长。

在确定光纤光栅的中心波长后，将光纤光栅的中心波长与初始波长比对确定波长的变化量，根据确定的波长的变化量确定光纤光栅阵列变化的物理量，实现光纤光栅波长信号的解调。

其次，本申请还提供了一种基于参考气室的光纤光栅解调设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中保存的程序数据时实现如上所述的基于参考气室的光纤光栅解调方法。

实施例2，参见图1-图3，本实施例提供了一种基于参考气室的光纤光栅解调方法，包括：

S1、采集乙炔透射光谱信号，并拟合透射光谱基线获取乙炔差分光谱one_period_diff。

S2、载入相关参数，包括光纤光栅信号的ADC采样率fs=12500，扫描信号周期f_scan=10hz,乙炔差分光谱one_period_diff，光纤光栅反射谱one_grating_reflection，以及乙炔吸收峰波长数组real_wavelength；

real_wavelength=[1535.394,1534.744,1534.097,1533.467,1532.828,1532.205]；

通过当前的ADC采样率fs与扫描信号周期f_scan计算扫描信号周期的采样点个数为N=fs/f_scan，根据乙炔气体吸收峰波长确定扫描波长范围内包含的乙炔吸收峰个数real_waveleng_num = len(real_wavelength)，并建立对应乙炔吸收峰的位置索引变量数组one_x=[0:N]，数组长度从0到N-1，共N个数。

S3、基于乙炔差分光谱one_period_diff与乙炔吸收峰个数real_waveleng_num，确定位置索引变量数组one_x对应的绝对波长。

S3.1、对乙炔差分光谱one_period_diff进行最大最小值归一化得到差分归一化光谱数组one_diff_norm；

分别得到one_period_diff的最小值min和最大值max，

one_diff_norm=（one_period_diff-min）/(max-min)。

S3.2、通过将差分归一化光谱数组与预设阈值进行比较，确定相邻差分数组；将所述相邻差分数组中各元素与预设阈值进行比较处理，得到潜在吸收峰两翼的位置数组；

给定预设阈值threshold_value=0.5-0.05*j，for j=0；n＜10；j++；

将one_diff_norm复制给high_threshold，遍历数组high_threshold，对数组中各元素与threshold_value分别进行比较，若大于预设阈值，差分归一化光谱数组的数值保留；若小于等于预设阈值，则置零；

将保留的high_threshold做相邻元素差分处理，得到相邻差分数组high_threshold_slope，并对所述相邻差分数组各元素数值取绝对值；

high_threshold_slope[n]=high_threshold[n+1]-high_threshold[n],

遍历所述相邻差分数组中各元素与预设阈值进行比较，将大于该预设阈值的元素进行保留，并作为乙炔吸收峰对应的位置索引，建立潜在吸收峰两翼的位置数组slope_max_point。

S3.3、基于乙炔吸收峰个数和扫描的最小步长，对位置数组进行筛选处理确定位置索引变量数组的位置索引值。

S3.3.1、根据乙炔吸收峰之间的0.6nm波长间隔，结合激光器扫描的总波长范围与采样点个数共同预估采样步长分辨率Δλ，对位置数组slope_max_point进行筛选，只有满足slope_max_point[k+1]-slope_max_point[k]＜int(10*6*Δλ),for k=0;k＜

S3.3.2、将数组main_peak_index_wings的元素，以步长为2，计算两翼的平均值并取值作为当前吸收峰的位置索引值data_main_peak_index；

data_main_peak_index[n]=int(0.5*(main_peak_index_wings[2*n]+main_peak_index_wings[2*n+1])),得到索引值数组main_peak_index；

并判断索引值数组main_peak_index的位置索引值data_main_peak_index的个数与乙炔吸收峰个数real_waveleng_num是否相等，

若相等，则表示确定得到完整的乙炔差分光谱对应的位置索引值；

若不相等，则改变预设阈值threshold_value并重复步骤S3.2-步骤S3.3。

S3.4、将位置索引值与乙炔吸收峰进行线性拟合，得到位置索引值对应的绝对波长；

创建波长数组all_area_cal_wavelength用来存放拟合峰值，对索引值数组进行取点main_peak_index[n],main_peak_index[n+1]构成拟合的X，对乙炔吸收峰波长数组取点real_wavelength[n],real_wavelength[n+1]构成拟合的Y，进行线性拟合，得到常数项a0，一次项a1；通过从位置索引变量数组one_x中截取从main_peak_index[n]到main_peak_index[n+1]的序列作为a1*x+a0的x，代入并得到当前序列对应的计算波长are_cal_wavelength；

将每一段拟合得到的计算波长拼接到波长数组all_area_cal_wavelength中，便得到了位置索引变量数组one_x每个元素点对应的绝对波长，如图4所示。

S4、通过对光纤光栅反射谱one_grating_reflection进行高斯卷积，得到光栅光谱数组one_grating_reflection_gauss；并对one_grating_reflection_gauss做最大最小值归一化，得到归一化光栅光谱数组one_grating_reflection_gauss_renorm，并且光纤光栅反射谱的信噪比较好，即光栅寻峰法的预设阈值采用固定阈值，光栅透射两翼的固定阈值根据同一通道光栅个数进行设置；

通过光栅寻峰法得到光纤光栅中心波长对应的索引值数组grating_peak_index，所述光栅寻峰法与步骤S3乙炔寻峰算法类似，在此不再赘述。

S5、将得到的光纤光栅中心波长的索引值数组grating_peak_index带入至波长数组all_area_cal_wavelength中，确定光纤光栅的中心波长。