[发明专利]高精度自适应滤波FBG光谱快速寻峰方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种高精度自适应滤波FBG光谱快速寻峰方法。

背景技术

随着我国航天器型号研制要求不断提高，对在地面模拟空间真空热环境下，测量航天器的温度与应变，实时监测结构热变形程度的需求已非常迫切。光纤多参量复合传感技术可以满足整星及其大型外露结构件(如网状天线、桁架结构、太阳翼、机械臂等)真空热试验应用需求。光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器是当前光纤传感器领域内的研究热点，也是传感器研究与应用中最为广泛和最具有市场潜力的光纤传感器。FBG主要是通过观测布喇格波长漂移来判断待测物理量(温度或应变等)的变化，而布喇格波长对应FBG光谱的峰值位置，因此准确寻峰，对于提高测量精度至关重要。

目前，常用的FBG光谱寻峰算法包括直接寻峰算法、功率加权算法、一般多项式拟合法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法等。直接寻峰算法适用于高信噪比光谱数据的情况，当光谱波动较大且含有一定量噪声时，此算法寻峰精度很低且重复性很差；功率加权算法以观测数据来计算，噪声影响大，抗噪性能很差，且对波长分辨率、信噪比因素敏感，寻峰精度低；一般多项式拟合算法是将观测到的数据代入拟合公式计算出系数，再拟合波形，故对观测得到的数据要求比较精确，抗噪性能比较差，且如果峰值点不在观测点内，峰值误差较大；高斯多项式拟合算法的原理是对波形曲线进行高斯函数多项式变换，采用一般多项式拟合法的原理得到峰值位置，拟合曲线过分依赖观测数据，抗噪性能差，且如果峰值点不在观测点内，峰值误差较大；FBG光谱近似为高斯型，高斯拟合算法表达式与原始FBG光谱数据信号类似，拟合原理是使其均方差最小，能比较准确地寻峰，拟合曲线不一定经过观测数据点，因此抗噪性能最好。且对波长分辨率、信噪比变化因素不敏感，是比较稳定的拟合方法。

在实际应用中，由于各种噪声的影响，尤其是空间极端环境的影响，FBG光谱容易受到干扰，使实际测得的光谱峰值大小或位置发生改变，直接影响波长检测的准确性与重复性。目前，常用低通数字滤波方法对光谱数据进行降噪预处理，即对FBG光谱数据进行寻峰处理前，先采用低通数字滤波方法对光谱数据进行降噪处理，低通截止频率根据人为经验选取并始终不变固定使用，当光路中噪声情况发生变化时，低通截止频率不变，则滤波效果变差。达到一定的寻峰精度与稳定性的同时，需要考虑解调实时性，传统方法中，解调精度越高，需要参与寻峰的数据量越大，这在一定程度上影响了实时性，因此需要在达到高精度同时需要算法处理速度快。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种高精度自适应滤波FBG光谱快速寻峰方法，实现了高精度快速寻峰，旨在满足极端环境下FBG传感器使用要求，适用于裸封装形式的FBG光纤光栅传感器及各种封装形式的FBG传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

高精度自适应滤波FBG光谱快速寻峰方法，包括如下步骤：

10)获得室内常压常温环境下的FBG光谱的中心波长λ₀；

11)试验开始后，获得第1采样周期FBG光谱能量数据，以λ₀为中心，向左右各偏移设定的波长间隔Δλ₀，对第1采样周期FBG光谱能量数据进行裁剪，选取波长范围为[λ₀-Δλ₀，λ₀+Δλ₀]的FBG光谱能量数据子集Po_[i]，所述i＝0,1,...,N-1，其中Δλ为波长采样间隔；

12)对FBG光谱能量数据子集Po_[i]进行能量最大值检测Po_Max，并获得所对应的波长索引值λ_Max，以λ_Max为中心向左右各偏移设定的波长间隔Δλ′，选取波长范围为[λ₀-Δλ′，λ₀+Δλ′]的FBG光谱能量数据，构建参与寻峰的光谱能量数组P_[i]，所述i＝0,1,...,N-1，其中Δλ为波长采样间隔；

13)将光谱能量数组P_[i]进行频谱分析，获得初始经验截止频率f₀；