[发明专利]基于分布式估计算法的光纤布拉格光栅传感器非对称光谱解调方法

说明书

本发明涉及一种基于分布式估计算法的光纤布拉格光栅传感器非对称光谱解调方法，利用分布式估计算法构建光纤布拉格光栅（FBG）非对称光谱模型，在FBG的反射光谱受环境影响而发生光谱不对称的情况下完成波长解调工作，本发明既能够满足正常光谱的高精度解调要求，又能够对非对称光谱进行最大限度的解调，增强FBG传感网络对非对称光谱的解调能力。

技术领域

本发明涉及光纤光栅领域，特别是一种基于分布式估计算法的光纤布拉格光栅传感器非对称光谱解调方法。

背景技术

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为新一代传感器，是近年来传感领域的研究热点，被广泛应用于电力工业、土木工程、航天航空、石油化工以及医疗等领域。光纤光栅传感技术具有非电检测、抗电磁干扰、耐高温、零漂移、精度高、体积小等优点，是传统传感器的一个很有前途的替代品。由于光纤布拉格光栅使用的是光而不是电，不受电磁场的影响，易于复用。它们的尺寸和重量可以忽略不计且防水性能强，因此便于埋入材料或结构内部进行无损检测。为了应对大型复杂结构对象的监测需求，光纤光栅传感技术逐渐从单一化向网络化演变，通过组建分布式光纤光栅传感网络可以实现多点多维物理参量的同时探测。

FBG传感技术的早期研究多集中在FBG传感器本身的设计、制作和封装实现方面，而当将传感器构成传感网络用于实际工程时，FBG传感网络不可避免会受到光噪声、测量环境的温度振动等不确定因素的影响，不均匀的应力分布或横向载荷也会给测量过程带来干扰，从而导致FBG反射光谱形变或跳动。严格来讲，FBG谱峰一般情况下都不是标准的对称谱，这些非对称光谱难以被解调，从而使FBG失去了传感能力。对于大规模分布式FBG传感网络，FBG的解调方法是衡量整个传感系统性能的核心技术之一。

对FBG中心波长的解调是FBG传感技术的研究重点。国内外相关研究机构在FBG解调技术方面开展了卓有成就的研究工作，并取得了一些重要进展，但大多关注在解调系统的机理实验和器件研发方面，现有的解调方法很少考虑到分布式传感网络反射谱的多峰、异构、非对称等独有特性，对于复杂大型分布式FBG传感网络并不完全适用。因此，探究FBG多峰、非对称谱的寻峰算法对完善解调方法的适用性、提高解调精度、以及优化串扰和噪声处理能力具有重要意义。

FBG非对称光谱典型特性包括光谱谱峰侧偏、光谱顶部展宽、光谱局部变形等，这些非对称光谱难以被解调，从而使FBG失去了传感能力。因此，增强FBG传感网络对复杂非对称光谱的解调能力对于提升FBG传感网络在实际工程中的传感精度具有非常重要的现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于分布式估计算法的光纤布拉格光栅传感器非对称光谱解调方法，既能够保证对正常光谱的高精度解调，又能够最大限度地对非对称光谱进行自适应解调。

本发明采用以下方案实现：一种基于分布式估计算法的光纤布拉格光栅传感器非对称光谱解调方法，提供一光纤布拉格光栅传感器非对称光谱解调系统，所述系统包括光纤布拉格光栅、宽带光源、3dB光耦合器、光谱分析仪和计算机；所述光谱分析仪分别与所述3dB光耦合器和所述计算机连接；所述宽带光源产生的入射光经过所述3dB光耦合器进入所述光纤布拉格光栅阵列中，而各所述光纤布拉格光栅的反射光谱经过所述3dB光耦合器进入所述光谱分析仪进行采样处理，经所述光谱分析仪处理后的数据即采样数据最后送入计算机进行解调处理；具体按照以下步骤实现：

步骤S1：对采集到的大量典型非对称光谱，利用聚类分析方法提取出典型非对称光谱特征，将标准的正常光谱对应的高斯模型转变成非对称高斯模型，得到非对称光谱模型；

步骤S2：利用最小化构造光谱和实际采样光谱之间的差异度的原理来进行光纤布拉格光栅解调，构建如下的解调模型：