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光纤光栅链路反射谱强度自适应解调.docx
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光纤光栅链路反射谱强度自适应解调.docx
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0. 引 言
光纤光栅(FBG)传感作为近年来迅速发展的一项新型传感技术,由于其具有抗电磁干
扰、线性传感、便于复用组网等优点,在结构健康监测领域具有巨大的应用价值
[1-2]
,为大
型工程如桥梁大坝、土木建筑、电力系统等不同环境健康监测提供技术解决途径
[3-5]
。近年
来,由于其在多测点、多测量参量应用中具有可串接、高集成、小体积、轻质量的突出优
势,备受航天监测应用青睐
[6]
。为了实时监测航天器结构系统的安全性和可靠性,美国国
家航空航天局(NASA)研究和开发了结构健康管理技术,光纤传感器是其首选技术,他们利
用 FBG 对无人机上的机翼进行了变形测量的实验。在机翼表面粘贴光纤,利用 2 000 个应
变测量元件实时感知并测量机翼的应力,并得到了很好的应用
[7]
。
FBG 传感网络在结构健康监测系统中需要进行长期的信息监测,不可避免地会受到诸
如环境温度、湿度、化学腐蚀等外界因素的冲击影响
[8-10]
。在长期的循环荷载和环境侵蚀的
双重作用下,FBG 传感器会出现不同程度的性能退化现象
[11]
。FBG 性能退化会出现不同程
度的光谱畸变、光强衰减、光谱重叠等现象,这些退化光谱难以被解调,进而使 FBG 失去
传感能力
[12]
。文中主要研究光强衰减这一现象,光强衰减使光纤光栅反射谱峰值强度差异
过大,导致无法有效寻峰或寻峰误差增大,影响了监测系统监测精度、可靠性、实时性。
一般工程中会通过维修光源或传感线路解决上述问题,但这造成及时性不够,甚至无法实
施,所以,需要一种自适应解调技术来解决这一问题。
为了解决光纤光栅光谱反射强度差异过大这一问题,文中分析了影响寻峰稳定性的因
素,探究了曝光周期与光谱峰值的关系,确定了寻峰阈值的计算方法,提出了利用不同曝
光周期多次曝光解调的方法,建立了曝光周期、寻峰阈值自适应调整规则,用 LabVIEW
软件平台编写了自适应寻峰解调算法,经过实验验证,该算法能够有效提高谱峰识别数
量、解调系统自适应能力和工作可靠性。
1. FBG 反射谱自适应解调算法分析
1.1 基于 CCD 线阵光电探测器的光纤光栅解调仪原理
对于光纤光栅传感信号解调的核心工作,是依据对光纤光栅不同的中心波长返回值进
行读取和变换,进而得到外界信息的变化量
[13]
。文中采用的解调仪是基于多级衍射光栅及
线阵红外 CCD 原理,光路采用透射光栅色散原理
[14]
。由宽带光源(ASE)入射的光经 FBG 反
射后,带有传感信息的反射光经准直透镜后,由衍射光栅进行二级色散处理,完成频域—
空间域的信息映射,最终聚焦于 CCD 线阵光电探测器
[15]
上,生成电信号,工作原理如图 1
所示。
图 1 解调仪原理图
Fig. 1 Schematic diagram of demodulator
下载: 全尺寸图片 幻灯片
CCD 线阵光电探测器包含 256 个线性排列的光电二极管。每个光电二极管都有各自
的积分电路,该电路统称为像素。经过线阵光电探测器的采集处理,得到的是 FBG 反射谱
的光强信息,光强仅代表积分电路电压的一个数字量,电压经过 16 位的 AD 转换器转换为
数字量,并无实际单位,并且与线阵探测器的像素点一一对应。每个像素所采集的光强和
曝光周期有关,曝光周期指的是积分电路的时钟周期个数,一个时钟周期为 100 ns,曝光
周期与时钟周期的乘积为积分时间,积分时间越长,电压越大,对应的光强也越大。通过
改变曝光周期可以改变每个像素点光强大小。
1.2 FBG 反射光谱中心波长定位原理
FBG 反射光谱包含 CCD 线阵探测器 256 个像素点的光强信息,通过设置寻峰阈值将
FBG 反射光谱分段,即可对阈值以上的离散数据点进行拟合作寻峰处理,计算反射光谱谱
峰的中心波长。
FBG 反射谱可看作多个高斯曲线,表达式为:
I(λ)=IOexp[−4ln2(λ−λCΔλ)2]I(λ)=IOexp[−4ln2(λ−λCΔλ)2]
(1)
式中:I
O
为反射谱强度的幅值;λ
C
为反射谱中心波长;Δλ 为反射谱的 3 dB 带宽。
FBG 反射谱是通过 CCD 线阵探测器的输出得到(P
i
,I
i
),即每个像素点对应的光强值。线阵
探测器像素点与波长的关系通过可调谐激光器标定得到,像素点与波长的对应关系表示
为:
λ[nm]=α+β1p+β2p2+β3p3+β4p4+β5p5λ[nm]=α+β1p+β2p2+β3p3+β4p4+β5p5
(2)
式中:p=0.255 表示线阵探测器的像素点数。
1.3 曝光周期、寻峰阈值自适应调整方法
传统的光谱解调方法是输入不同的曝光周期和寻峰阈值观察光谱的变化,使光谱既不
出现过饱和,又能尽可能地识别出较低的谱峰,同时还要保证寻峰的稳定性。但在多光栅
反射谱谱峰强度不一致的情况下,很难同时符合上述要求。自适应解调算法通过自动调整
曝光周期和寻峰阈值,最大限度增加有效寻峰的个数,保证寻峰的稳定性。
1.3.1 自适应调整曝光周期的方法
文中提出采用不同曝光周期多次曝光解调方法,每次曝光解调只保留有效寻峰得到的
中心波长,最后把多次曝光解调得到的结果拼接到一起构成对整个多光栅反射谱的解调结
果。
具体的算法步骤为:
(1) 根据光谱强度饱和值确定最优峰值区间,上限为 I
max
,下限为 I
min
。
(2) 给曝光周期设定两个初始值,将曝光周期的最大初始值设为一个较大的值,保
证使最高峰饱和,最小初始值设为 0。
(3) 对光谱进行首次调节,在给定的两个曝光周期的初始值范围内,利用二分法寻
找使整个光谱最高的峰值达到最优峰值区间的曝光周期,记录首次调节过程中的曝光周期
变化值和每次所有谱峰的峰值及其像素序号,还有最终峰值达到最优峰值区间的谱峰像素
序号。
(4) 根据步骤(3)记录的所有谱峰的峰值及其像素序号,删除首次调节最终达到
最优峰值区间的谱峰像素序号,得到没有达到最优峰值区间的谱峰,利用像素序号索引步
骤(3)记录的峰值-曝光周期点,拟合它们的峰值-曝光周期关系式组。
(5) 对光谱进行后续调节,从步骤(4)拟合的关系式组中索引最高谱峰对应的关
系式,计算最高谱峰达到最优峰值区间的曝光周期,计算公式为:
e=Imax+Imin2−bke=Imax+Imin2−bk
(3)
式中:k 和 b 是最高谱峰关系式的系数。以该曝光周期进行解调,筛选此时有哪些谱
峰峰值达到最优峰值区间,记录该次调节的曝光周期和符合要求的谱峰,并筛选没有达到
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