[发明专利]一种光纤光栅温度测量方法及测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感测量技术领域，特别涉及一种光纤光栅温度测量方法及测量系统。

背景技术

光纤光栅作为传感器，它凭借其良好的抗电磁干扰能力、防火防爆特性、响应速度快、精度高、损耗低、体积小、性价比高等优点，在土木工程、石油化工、电力电缆以及航天航空等领域发挥着举足轻重的作用。近年来受到广泛关注，成为传感技术研究领域的热点之一。

现有的光纤光栅为了保证光栅不会因带的温度变化引起的接近或重合，一个85nm的谱款内，往往只能布设不超过40个光栅。在科技现代化的影响下，光纤光栅传感器性能不断提高且在商业化应用中的不断拓展，随着传感网络的增大、测量数据的增加和对测量速度要求的提升，高速、大容量光纤光栅传感网络亟待发展。光纤光栅传感器的突出优点就是准分布式传感，通常采用复用技术将传感器进行组网，构成光纤传感网络。对于相邻栅格密集的光纤光栅，在进行温度测量时会导致频谱混迭，同时温度测量过程中，采集到的光纤光栅信号中会含有噪声信号，对实际温度的测量产生影响，导致测量不够准确。

在波分复用方面，为防止光谱混叠，光栅间需要保持一定频率间隔，导致一半以上的光谱资源处于闲置状态。且随着应用场合复杂程度的提高，测量系统面对海量数据的收集与处理，为了压缩数据量，人们研究了基于节点数据相关性的压缩算法、基于数据传输特性和封包结构的压缩方法和基于预编码的数据压缩算法。但作为传统的压缩方法有明显的缺陷:首先压缩过程要完整的原始信号，其次在计算出完整的投影后需要丢弃大部分分量，浪费计算资源。传统的数据处理方法难以在温度测量过程中由于光纤光栅自身栅格引起的频谱混迭以及噪声信号中提取准确的测量信息。

因此，需要一种准确测量温度的光纤光栅温度测量方法及测量系统。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种光纤光栅温度测量方法，所述方法包括如下步骤：

a、搭建光纤光栅温度测量系统，所述系统包括信号处理装置、光纤光栅解调仪、光纤光栅温度传感器、恒温箱以及光源；

b、将光纤光栅传感器置于所述恒温箱中，控制恒温箱的温度在某一温度范围内变化，采集光纤光栅随恒温箱温度变化的光纤光栅信号X；

c、构建正交基字典矩阵ψ，将所述光纤光栅信号X在所述正交字典矩阵下展开为X＝ψθ，其中

θ＝(θ₁，θ₂，…，θ_N)^T为展开系数向量，所述系数向量θ进行K个分量稀疏；

d、构建观测矩阵Φ，对光纤光栅信号X执行压缩观测，得到M个线性观测信号Y，其中Y＝ΦX，Y∈R^M，R^M为实数R上M的阶正交空间向量；

e、构造信息算子矩阵A:A＝Φψ，将所述信息算子矩阵A＝Φψ代入步骤e所述的线性观测信号Y中得到Y＝Φψθ＝Aθ，其中所述信息算子矩阵A满足2K个分量线性独立；

f、求解非线性优化问题，求取系数向量θ，重构光纤光栅信号X。

优选地，所述步骤b中光纤光栅信号X采用F-P滤波解调方式采集。

优选地，所述正交基字典矩阵ψ满足ψ＝(ψ₁，ψ₂，…，ψ_N)∈R^N，ψ_i≥ψ_i^TX。

优选地，所述观测矩阵Φ为正交基不相关矩阵，其中所述观测矩阵Φ满足Φ：M×N。

优选地，所述光纤光栅温度传感器的中心波长在所述光纤光栅解调仪的测量范围内。

优选地，步骤c中进行K个分量稀疏后的系数向量θ具有K·N个非零系数。

优选地，所述光纤光栅温度传感器的栅格密集排布。

本发明的另一个方面在于提供一种光纤光栅温度测量系统，所述测量系统包括依次通过光纤光栅连接的光源、光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪和信号处理装置，其中

所述光源为宽带光源，用于所述光纤光栅温度传感器提供光纤光栅激光信号；

所述光纤光栅温度传感器，用于获得待测环境中温度变化引起的光纤光栅信号变化；

所述光纤光栅解调仪，用于对所述光纤光栅信号进行F-P滤波解调采集；

所述信号处理装置，用于对采集的光纤光栅信号进行处理并重构。

优选地，所述光纤光栅温度传感器的栅格密集排布。