[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

说明书

本发明公开了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，已有的椭圆拟合算法利用李萨如图形解决了非理想3×3耦合器所引入的解调结果误差，但在研究中没有充分考虑电路噪声与相位噪声对李萨如图形的影响。针对噪声影响提出了基于局部异常因子优化的3×3耦合器椭圆拟合解调方法，可以有效消除李萨如图形中因噪声产生的离散点。仿真结果表明该方法能够实现准确解调，利用蒙特卡洛分析得出综合误差率约为0.13%，验证了方法的稳定性。与传统最小二乘拟合方法相比，有效提高了信号解调的稳定性和精确度。

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及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。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术也成为国内外研究的热点^[1-7]。光纤传感器因其稳定性好、可靠性高、对电磁波的不敏感性等特点，因而广泛应用于高温、腐蚀性或危险性的环境中^[8-9]。信号解调是光纤传感器应用中的一个重要研究方向，而干涉法解调以其高分辨率的独特优势深受青睐，是最常用到的解调方法之一。其中，基于3×3耦合器的解调算法对激光源的要求较低，稳定性高^[10]，在实践得到广泛应用。常用的于3×3耦合器解调方法有反正切法、微分交叉相乘法(Differential Cross Multiplication,DCM)^[11]和椭圆拟合估计法等^[12].微分交叉相乘法要求三路输出信号相差120°，但在实际应用中3×3耦合器无法达到完全对称，各路输出功率有所差别，加上插入损耗等因素，需要对信号进行归一化处理^[13]，增加了算法难度。椭圆拟合估计法相比于不要求耦合器完全对称，增强了系统的适应性；无需对信号直流补偿，简化了算法。

Liu等利用最小二乘法对每两路输出信号构成的李萨如图形进行椭圆拟合反解出交直流项系数，进而求解相位变化量^[14]。王伟利用双参数椭圆拟合算法实现了法布里-珀罗腔长的解调^[15]。梅泽等聚焦弱信号解调，改进后的算法可以准确解调弱振动信号，提升了探测分辨率^[16]。但以上研究只考虑了3×3耦合器两路信号不完全相差120°这一情况，未考虑实际解调中电路噪声和相位噪声的干扰，噪声干扰会直接影响椭圆拟合算法中的核心——李萨如图形，从而影响解调精度。高晓文为降低信号畸变提出的改进方案中考虑了噪声干扰这一实际因素^[17]，但设定的干扰信号极其微弱，几乎相当于理想状态。综合考虑3×3耦合器两路信号不完全相差120°以及实际中噪声干扰的问题。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供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，相较于传统直接利用最小二乘拟合的方法能有效降低电路噪声和相位噪声对椭圆拟合解调的影响，提高解调精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

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，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。

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：