[发明专利]基于希尔伯特变换和双谱估计的高精度光纤光栅解调方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于希尔伯特变换和双谱估计的高精度光纤光栅的解调方法。

背景技术

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。光纤的工作频带宽，动态范围大，适合遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线。在一定条件下，也是一种优良的敏感元件。鉴于此，各种类型的光纤传感器孕育而生，并且在各个领域得到了广泛的应用。其中将光纤光栅(FBG)传感器用于应变的测量已经非常普遍。

现今光纤光栅传感器已经在智能材料与结构的应变测量中获得广泛的应用，并且在这些领域FBG传感系统的检测精度达到了1με，通常能满足一般的测量要求。但是一些特殊领域如地球物理等领域，1με的检测精度已经不能满足我们的需求。在地球物理领域进行地壳形变观测时，被观测的应变量是准静态的，属于准静态应变量测量的范围，这时，FBG传感器的应变测量精度主要的影响因素是环境温度和环境噪声的影响，为了减小这些问题的影响，提高准静态应变量的测量精度，人们提出了利用参考光纤光栅的方法消除环境温度和噪声的影响，即在静态应变传感测量系统中设置一个不受应变作用的光纤光栅对环境温度和噪声进行补偿，同时通过解调方法计算参考和应变光纤光栅传感器的中心波长差来得到应变信息。目前，已经有很多方法用来检测这两个FBG传感器的波长变化，包括质心检测法(CDA)(C.G Askins，M.A.Putnam，and E.J.Friebele，“Instrumentation for interrogating many-element fiber Bragg grating arrays”，Smart Structures&Materials′，pp.257-266，1995.)，最小二乘曲线拟合法(LSQ)(A.Ezbiri，S.Kanellopoulos，and V.Handerek，“High resolutioninstrumentation system for fibre-Bragg grating aerospace sensors”，Opticscommunications，vol.150，pp.43-48，1998.)和互相关法(C.Huang，W.Jing，K.Liu，Y.Zhang，and G.-D.Peng，“Demodulation of fiber Bragg grating sensorusing cross-correlation algorithm”，Photonics Technology Letters，IEEE，vol.19，pp.707-709，2007.)等。在众多方法中，互相关法可以直接计算出参考和应变光纤光栅传感器的中心波长差，表现出了较为明显的优势。2010年，日本东京大学Qinwen Liu等人利用了互相关法实现了准静态应变解调并且取得了很好的实验结果，其解调精度远高于其他方法(Q.Liu，Z.He，T.Tokunaga，and K.Hotate，“An ultra-high-resolution FBG static-strain sensor for geophysics applications”，Proc.SPIE，vol.7653，76530W，2010.)。

但是对于互相关解调方法来说，其要求信号是平稳信号，并且要求两个信号的高斯噪声不相关，且噪声与信号也不相关，但实际情况下的信号不是严格平稳的，两个信号的高斯噪声是有相关性的，并且由于相关噪声存在，会使互相关函数的峰值位置产生偏移，进而得不到准确结果。由于互相关解调的这些缺点，会限制解调精度的进一步提高。

双谱是处理非平稳、非线性、非高斯信号的有效手段，可很好的抑制信号的高斯噪声，由于信号的双谱的计算过程中需要计算信号的三阶累积量，而高斯噪声的三阶累积量为零，因此双谱估计可以很好地抑制高斯信号。因此可以利用双谱分析消除光纤光栅反射谱中的高斯噪声，同时可以直接计算出参考和应变光纤光栅反射谱的中心波长差，以达到进一步提高解调精度的目的。

但是，光纤光栅反射谱一般服从高斯分布，直接运用双谱估计不能得到解调结果，因此需要改变反射谱的分布特性，使其不具有高斯特性。而希尔伯特变换是处理窄带信号的有效手段，并且希尔伯特变换可以将反射谱峰值位置变成过零点，经过适当处理后不会改变两个反射谱的波长差。鉴于此，在进行双谱估计前应用希尔伯特变换对反射谱进行预处理。到目前为止，还没有基于希尔伯特变换和双谱估计的方法应用在计算两路光纤光栅传感器反射谱的中心波长差异实现高精度解调的报道。

发明内容