[发明专利]光纤振动传感相位解调的局部异常因子优化椭圆拟合方法

权利要求书

1.一种光纤振动传感相位解调的局部异常因子优化椭圆拟合方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)采用椭圆拟合的方法对光纤耦合器进行解调，解得椭圆方程系数，再与信号系数对应，计算出信号系数；

(2)通过仿真系统验证噪声对于椭圆拟合的影响；

(3)利用局部异常因子算法对椭圆拟合进行优化；

(4)通过数值仿真进行验证利用局部异常因子算法对椭圆拟合进行优化的有效性；

(5)利用蒙特卡洛方法计算利用局部异常因子算法对椭圆拟合进行优化后的误差率，并验证其稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种光纤振动传感相位解调的局部异常因子优化椭圆拟合方法，其特征在于：步骤(1)所述的采用椭圆拟合的方法对光纤耦合器进行解调，解得椭圆方程系数，再与信号系数对应，计算出信号系数，具体如下：

对于理想的3×3光纤耦合器，假设条纹可见性相等，则光纤耦合器三路输出信号中的两路经光电探测器的光电转换后为：

其中，u₁和u₂分别为两个光电探测器输出的电信号，θ＝120°，I₁，I₂与光纤耦合器性能有关的常数；

实际应用中，理想的3×3光纤耦合器并不存在，3×3光纤耦合器输出信号的条纹可见性不相等，信号之间的相位差θ也不稳定在120°，因此两个光电探测器的输出为：

其中：A₁≠A₂，B₁′≠B₂′，θ′＝120°-δ，δ是由耦合器非对称性造成的微小相位偏差，A₁，A₂，B₁′，B₂′，δ均是常数，式(2)展开成：

检测信号系数A₁，A₂，B₁，B₂，C₂的求解建立在椭圆拟合的基础上，椭圆合成遵循李萨如图的性质和规律；由式(2)知，光电探测器输出信号u₁和u₂对同一相位函数进行调制，其变化形式与简谐振动一致，变化频率相同，相位差θ′恒定，符合李萨如图的形成条件；此外，由于两路信号的相位差接近120°，如果在互相垂直的两个坐标轴上同时画出u₁，u₂，其轨迹能形成一个椭圆，椭圆方程表示为：

式中，g＝[a，b，c，d，e，f]^T为椭圆的系数矢量，对于式(4)所示的二次曲线，当且仅当b²-4ac＜0时，曲线为椭圆.选取b²-4ac＝0，解得椭圆方程系数，再与信号系数对应，计算出信号系数，信号系数计算公式为：

将式(5)解得的信号系数代入信号方程(3)，获得与信号，采用3×3光纤耦合器的微分交叉相乘还原算法，解得相位变化：

3.根据权利要求2所述的一种光纤振动传感相位解调的局部异常因子优化椭圆拟合方法，其特征在于：步骤(2)所述的通过仿真系统验证噪声对于椭圆拟合的影响，具体如下：

假设相位噪声n_ε(t)和加性电路噪声n_c(t)都用正态分布随机噪声模拟，两路信号表示为：

为了验证噪声对干涉信号的影响，在仿真中信号幅值的单位选为电压幅值，假设直流量A₁、A₂分别为和10V、12V，B₁′、B₂′的值分别为9V和6V；分别用幅值为0.5V和1.5V的随机噪声来模拟相位噪声n_ε(t)和加性电路噪声n_c(t)，在传感光纤上叠加扰动信号：

令仿真系统的采样频率为fs＝20000Hz，采样数为N＝10000，绘出两路仿真信号图；通过两路仿真信号图两图的对比看出，噪声对两路信号均有明显干扰，而两路信号形成的李萨如图是椭圆拟合的基础，两路信号受噪声干扰，由两路信号形成的李萨如图也势必受到影响，绘出两路信号的李萨如图，从李萨如图看出，最小二乘法拟合的椭圆曲线椭圆与理想椭圆曲线相比倾角有明显偏差。