小型化光纤光栅解调系统设计及寻峰算法的模拟评测

为实现光纤布拉格光栅（FBG）反射光谱信号的实时监测，基于全固态光谱模块设计了用于解调FBG信号的硬件系统和软件架构，编写了上位机软件，嵌入了不同的寻峰算法，可适用于不同噪声环境下中心波长的计算，以减少由算法带来的波长误差。软件还包括数据采集、存储及回放等功能。以高斯拟合寻峰算法为例，提出了一种不依赖硬件设备对寻峰算法进行模拟评测的方法，提高了这类光谱解调系统的开发效率。采用叠加了不同噪声水平的理想FBG反射谱进行模拟评测实验，结果表明，阈值取为噪声平均幅值的2倍时可获得最佳的寻峰结果，且寻峰误差与采集数据的信噪比（SNR）和光谱峰宽成反比。运用高斯拟合寻峰算法对硬件系统实际采集的FBG反射谱数据进行寻峰计算，所得系统精度为5.89 pm，与模拟评测结果的误差小于1.7 pm，验证了模拟评测的可行性。     

指数修正高斯拟合寻峰算法处理FBG传感信号

光纤布拉格光栅(FBG)传感系统因其检测精度高、重复性好和适应性强等优点而被广泛应用于不同领域。由于FBG传感器为波长调制型传感器,因此对于外界参量的检测即为FBG中心波长的检测,而FBG中心波长值对应于FBG反射光谱的峰值。因此,系统解调的核心即为FBG反射光谱的峰值检测,而高精度的寻峰算法是系统解调的关键技术。现有的寻峰算法对FBG反射谱进行峰值检测时,都是以FBG反射谱为标准高斯型为前提的。但由于实际制作工艺及环境的影响,FBG反射光谱并不是标准高斯型光谱,而是非对称的高斯型光谱,其非对称特性往往会对寻峰精度有一定的影响。针对现有算法这一缺陷,提出了一种指数修正高斯(EMG)拟合寻峰算法。利用三次判定定位实现粗定位,同时剔除假峰和无效峰值;在此基础上以粗定位点为中心进行光谱重构,再利用积分判定峰值偏向;然后根据不同的峰值偏向以给定的指数修正函数进行相应的峰值修正。实验仿真结果表明：定温条件下或变温条件下,与直接寻峰算法、高斯拟合算法和文献中的算法相比,EMG算法的峰值检测误差最小,寻峰精度提高。考虑了FBG反射光谱非对称特性对寻峰的影响,从光谱自身特性的角度,既克服了传统寻峰算法的局限性,又保证了高精度的寻峰效果。     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为:3.4pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46％.     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为: 3.4 pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46%.     

基于扫描光纤激光器的光纤传感解调仪研究

介绍了一种基于扫描光纤激光器的光纤传感解调系统.采用氰化氢（HCN）气体吸收池作为波长参考基准,采用三次多项式拟合的方法来确定光纤F- P可调谐滤波器的波长与驱动电压的对应关系,可调谐滤波器扫描过程中对扫描电压、多路光谱信号进行同步采样,实时标定.实验结果表明,该解调系统在1 510 nm到1 590 nm波长范围内对FBG反射峰值波长的分辨率为1.4 pm,长期波长重复性达到3.2 pm.利用该系统实现了对FBG反射峰值波长和光纤EFPI传感器腔长的高准确度解调.     

基于Steger图像算法的光纤布拉格光栅寻峰技术

分析了实际光纤布拉格光栅(FBG)反射谱的特性,建立了FBG反射峰超高斯模型。将图像处理技术用于FBG寻峰,提出了一种基于Steger图像算法的FBG寻峰技术,并给出了非对称光谱中心波长修正公式及峰值亚步长修正公式。Steger寻峰算法兼具滤波和寻峰功能,具有较强的抗噪能力,能克服步长限制,有效消除非对称光谱的干扰。通过理论仿真及实际寻峰研究,对比了该算法与不同寻峰算法在不同采样步长、噪声大小、光谱非对称性下的峰值检测精度。结果表明,该方法较质心法、高斯拟合法具有显著优势。     

基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统的研究

研究制作了基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统, 以多光纤光栅作为波长参考基准、采用可调谐光纤法布里-珀罗(F-P)滤波器作为波长扫描器件。系统中采用三次多项式拟合的方法对滤波器锯齿波的扫描电压与透射波长关系曲线进行非线性拟合, 解决可调谐光纤F-P滤波器的电压—波长非线性关系对系统测量带来的较大误差问题, 实现波长的高精度解调。采用五光纤光栅做波长参考, 单根光纤光栅传感器的解调实验结果表明：待测光纤光栅布拉格波长短期测量分辨率为3.5 pm, 长期测量稳定性为7 pm。采用该系统对光纤非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)应变传感器的测试结果表明, 测量应变灵敏度为2.41 nm/με, 并且应变和波长之间存在良好的线性关系, 线性相关度达到0.99991。     

TDLAS氧气测量系统中激光器调谐性能测试与优化

TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术以其分子光谱高选择性、速度快、灵敏度高、非接触测量等难以取代的优势,成为燃烧过程诊断等应用的首选,可以有效用于氧气测量。DFB(分布反馈)半导体激光器以其体积小、功耗低、寿命长、线宽窄、波长可调谐等优点成为TDLAS系统的主要选择,而其调谐特性是制约系统测量性能的关键因素。根据TDLAS氧气测量系统工作要求,采用一种简单易行的实验方法对系统中用到的764 nm DFB激光器的电流波长、温度波长和电流功率等重要调谐特性进行了测试和分析,发现出射光谱窄线宽、高边模抑制比和宽波长可调谐范围等特点明显,电流波长调谐曲线近似但并非严格线性、调谐速率约0.023 nm·mA-1,温度越高阈值电流越大、PI曲线也并非严格线性,温度调谐特性曲线线性较好、波长温度调谐速率基本保持恒定约为0.056 nm·℃-1。可见各种调谐曲线的非线性失真比较明显,影响氧气测量精度。温度调谐非线性可以通过温控精度的提高来消除,电流功率调谐非线性可以通过设置参考光强来消除。为了进一步解决电流波长调谐非线性问题,根据DFB半导体激光器的调谐机理和电流波长测试结果的多项式拟合,考虑通过DA控制注入电流的方式对电流波长调谐非线性进行补偿。这种方法针对不同激光器只需在系统初次工作之前进行一次多项式拟合,方案合理、实现简单且不影响测量过程。实验证明,补偿之后的λI曲线线性拟合残差小于1 pm,远小于补偿前的22 pm,效果明显,为氧气各种参数TDLAS精确测量和反演提供了依据。     

FBG反射谱展宽效应的高速解调算法研究

FBG传感器在非均匀应力场下因光栅啁啾而产生反射谱展宽,从而影响了低采样率下高速解调的精度和稳定性。针对这个问题,分析了造成异形反射谱的原因,阐述了在反射谱展宽效应下FBG的高速解调原理。通过实验,对比了高斯拟合、B样条插值以及三次样条插值三种算法的寻峰效果;根据误差理论,结合实验结果,给出了三种寻峰算法在此种情况下的均方差(MSE)以及最大峰值误差(MPE)。结果表明,当FBG传感器反射谱展宽时,三次样条插值算法有更好的稳定性。     

提高基于F—P腔的光纤光栅解调精度的研究

提出了使用DSP对F-P腔滤波后的FBG反射谱进行信号处理的解调方案，DSP处理器不断地对测量支路和参考支路的信号进行采集、比较，从而解算出待测量的变化值。从光学原理上探讨了F-P腔用波长表示的干涉滤波函数，对光电探测器测得的信号进行反卷积模拟运算，得到了当光电探测器接收的光强度分布不是中心对称时，分别提高了0．0399nm和0．057nm的FBG反射谱，提高了光纤光栅传感器的解调精度。     

F-P标准具温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响

F-P标准具的特性易受温度影响,温度变化时,其透射峰会发生漂移,将其应用于光纤光栅波长解调时,温度波动会给波长解调精度带来影响。分析了F-P标准具的温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响程度,并分别采用温度稳定性为1.5 GHz和3 GHz的F-P标准具进行了稳定性和重复性实验。实验结果表明:光纤光栅传感器的中心波长不同,由F-P标准具的温度特性产生的解调误差也不同;采用2种F-P标准具测得的稳定性误差最大值分别为0.528 pm和0.676 pm,重复性误差最大值分别为1.77 pm和2.01 pm。     

基于三角波驱动法珀可调谐滤波器的光纤光栅解调偏差校正算法

为了校正解调系统在三角波上升行程和下降行程对光纤布拉格光栅(FBG)波长解调结果出现的偏差,提出一种采样点相对位置的校正算法。将三角波2个扫描行程的FBG波峰分别映射到相应的标准具原始数据中,再对2个映射波峰在标准具光谱中的相对位置偏差进行校正,达到减小解调偏差的目的。实验采用2支不同波长的FBG进行验证,结果显示,经过校正,FBG1将三角波上下扫描行程的解调偏差从12.053 pm减小到了0.476 pm,FBG2将该解调偏差从12.101 pm减小到了0.427 pm,2支传感器的解调偏差相比校正前分别减小了25.3倍和28.3倍。     

Research on FBG sensor signal wavelength demodulation based on improved wavelet transform

A new Fiber Bragg Grating (FBG) wavelength demodulation scheme is studied in the paper, which consists of an improved de-noising method and Gaussian fitting peak searching algorithm. The improved translational invariant wavelet without threshold adjust factor is proposed to get a better de-noising performance for FBG sensor signal and overcome the drawbacks of soft or hard threshold wavelets. In order to get a high wavelength demodulation precision of FBG sensor signal, this de-noising method is designed to combine with Gaussian fitting peak searching algorithm. The simulation results show that the wavelength maximum measurement error is lower than 1 pm, and can get a much higher accuracy.     

一种高准确度光纤光栅波长解调系统

为了消除F-P滤波器的温度特性对光纤光栅波长解调系统准确度的影响,提出了一种采用F-P标准具作为波长参考计算波长的方法,设计了一种高准确度波长解调系统,并采用虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI实现了光谱数据的滤波、寻峰及波长计算算法.测试结果表明,该系统的重复性误差小于1.56 pm,稳定性误差小于1.13 pm.     

双边缘均值光纤Bragg光栅波长解调技术

光纤Bragg光栅（FBG）传感器是一种波长调制型传感器，波长解调技术是FBG传感系统的关键，通常是对FBG反射谱进行波形采样，得到反射谱的峰值信号，以此作为FBG中心波长的特征值。这种方法需要实时采集大量数据，所以影响解调速度。通过对FBG反射谱的分析，得出FBG反射谱具有很好的对称性。在此基础上提出了采用反射波双边缘均值的方法测算中心波长。实验证明，采用这种方法进行波长解调，可以使FBG信号处理简单、动、静态波长时测算精度高，可以极大地提高解调系统处理FBG传感信号的速度。