线阵InGaAs扫描FBG反射谱的传感解调方法

研究并实现了一种基于256像元线阵InGaAs扫描的光纤布拉格光栅传感解调系统。针对线阵InGaAs探测器,分析了光纤光栅反射谱中心波长定位原理,可实现多个FBG光谱的同时解调,单通道解调传感器数量取决于FBG的带宽和中心波长漂移范围。对256个像素点的光谱数据,通过设置的阈值判断反射谱的个数,分别对每一个谱峰进行拟合,基于高斯指数曲线模型实现了寻峰算法,获得了中心波长。搭建FBG解调系统采集光谱数据,寻峰算法的稳定性达到0.5 pm。该解调方法无机械移动部件,实现了多光纤光栅波长寻峰的并行快速响应,波长解调范围为1 525～1 570 nm,为多光纤光栅传感提供了高速解调方案。     

宽带FBG与自相关算法提高CCD解调精度的研究

为提高光纤光栅解调算法的精度,设计了3 dB带宽在1~3 nm之间的宽带布拉格光栅与自相关算法解调系统,使用线阵CCD检测光谱,进行波长寻峰分析与实验验证。线阵CCD离散像素点之间波长间距固定,宽带布拉格光栅可得到更多有效像素数据点;自相关算法只考虑传感测量时光谱的偏移程度,可抵消背景噪声,消除光栅刻写或封装过程中操作不当引起光谱异常的影响,从而提高光栅中心波长解调精度。温度测量结果表明,使用自相关算法解调啁啾光栅与宽带光栅,误差较高斯算法分别减少54.05%和40.87%,此算法可以使啁啾光栅达到正常光栅的解调精度。并且,使用宽带光栅的解调误差仅为啁啾光栅的50%。     

线阵InGaAs光谱谱线定标方法的应用

根据光纤光栅传感解调系统中检测中心波长偏移的特点,提出了一种利用线阵InGaAs作为光谱接收器件的波长解调系统,光谱谱线定位受系统中透射光栅狭缝和线阵InGaAs像元尺寸大小的影响,需要对该解调系统进行标定.在分析线阵InGaAs成像模型的基础上,用最小二乘法进行曲线拟和,获得谱线波长与线阵光电探测器阵列像元之间定位的数值计算方法,以确定光谱线在线阵InGaAs上的精确定位,使光谱谱线的定位精度得到提高.实验结果证明了该方法的可行性和有效性,提高了解调系统的精度.     

基于卷积神经网络的混叠光谱解调方法

研究了一种基于深度学习的光纤光栅混叠FBG光谱解调方法。利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)模型处理混叠光谱非线性序列模型问题,通过一维卷积神经网络预测识别混叠光谱中心波长,并搭建了并联结构的混叠光谱数据自动采集实验系统,验证了混叠光谱的中心波长高精度解调。实验分析了训练样本、迭代次数对训练时间、测试时间、解调精度的影响,并对训练完成后的模型进行了解调时间测试。分别与其他解调算法进行了解调精度和测试时间对比,同时对同一组光谱数据使用解调模型算法及最高点寻峰算法进行中心波长值的对比并进行误差分析。实验结果表明:解调模型均方根误差结果为0.082 58 pm,使用Intel(R) Core(TM) i7-8550U CPU （Central Processing Unit）的解调计算时间为0.338 s。研究结果表明:采用卷积神经网络模型对于混叠光谱中心波长解调结果的准确性具有合理性,与其他算法相比,文中的解调算法在解调精度和时间上具有优势,模型大小在400 kB以下,所需算力较小,可部署在小型嵌入式设备中,在大规模机载传感网络,结构健康监测中有良好的应用前景。     

DWDM技术在新型波长解调方法中的应用

为实现光纤传感器的波长解调,以8通道50 GHz密集型波分复用器作为光纤光栅压力传感器中的解调工具,依据各个通道的中心波长作为波长的标定基准,利用从各通道中获得的光功率输出值获得光纤光栅反射光谱分布曲线的包络,并以高斯多项式拟合法作为光纤光栅波长寻峰算法,最终获得光纤光栅反射光谱的中心波长的准确位置,从而实现结构简洁、成本低廉、全光纤的波长解调系统,系统压力与波长的线性拟合度为0.996 5,实验测得的波长分辨率可达0.3 pm,最大引用误差为2.6%,测量精度为0.16 MPa。     

改进的小波变换用于处理FBG信号

解调系统是光纤布拉格光栅（FBG）传感技术的核心。信号去噪和峰值搜索是影响FBG 传感系统精确解调的两个重要因素。为提高测量精度,文中针对传统方法存在的缺陷,提出了一种新的FBG 波长解调方法,此解调方法由一种改进的去噪方法与高斯拟合寻峰算法组成。采用平移不变量小波与文中提出的改进阈值和改进阈值函数相结合的方法来处理FBG 含噪信号;然后采用高斯拟合寻峰算法对去噪信号作进一步解调。实验结果表明,改进阈值的平移不变量小波能处理不同的FBG 含噪信号,该方法获得的信噪比和均方差性能优于传统小波阈值去噪法以及其他改进的小波去噪法;该改进小波的波长解调方法测量的峰值误差低于1pm,比常用的波长解调方法具有更高的测量精度。     

FBG波长高精度解调的研究进展

在恶劣的环境下能准确地检测出光纤布喇格光栅(FBG)波长对工程监测非常重要。综述了在不同的解调系统中提高波长解调精度的方法和波长信号处理方法,主要介绍了基于可调谐激光器、可调谐滤波器和光谱仪的解调系统提高波长校准精确度的研究进展,分析了信号解调过程中的算法对FBG传感解调性能的影响。     

基于DSP的光纤光栅波长解调仪的研制

研制了一种以数字信号处理器(DSP)为核心的光纤光栅波长解调仪,并提出了一种基于定点DSP的快速寻峰算法,实现了对波长的快速解调.解调原理基于高分辨率分光计的衍射作用,使光谱沿波长分布空间展开,寻峰算法基于高斯曲线拟合.实验证明,其精度适于工程应用,且具有结构简单、扫描范围宽、解调速度快的特点.     

基于F-P滤波器光纤光栅解调系统

提出并实验演示了一种基于F-P可调滤波法对光纤光栅波长解调的新方案,利用参考光栅温度与其反射波长关系来检测传感光栅的波长移动量,该解调方法成本低.实验结果证明:采用此方法的解调系统波长测量精度达到5pm以上,有很高的稳定性,具有实际应用价值.     

光纤光栅传感应用中的波长编码信号解调技术

波长编码信号解调是实现光纤光栅多参量、多点分布式传感网络的核心技术之一。总结了光纤光栅传感信号解调的一般原理和技术难点，分类评述了常用解调方法的工作机理、特点和性能。同时，提出了一种新的闭环反向锁定解调方法，它既具有高波长分辨率(优于2pm)的优点，又有效降低了系统成本。     

基于非切趾短FBG光栅的小信号测量方法

为解决基于图像传感器的FBG解调系统精细测量的问题,提出了使用非切趾FBG测量弱信号的方法。设计出了非切趾FBG反射谱近似模型,采用对数放大的方法提高非切趾FBG的旁瓣,在较宽的光栅频谱范围内,进行光谱相关解调并给出解调算法。基于蒙特卡洛方法对非切趾光栅测量仿真,并搭建实验系统对非切趾FBG、宽带高斯光栅进行对比测量实验。研究结果表明,基于非切趾FBG的弱信号测量方法可有效提高波长测量精度,通过相关解调,可使测量精度达到宽带光栅的2倍。     

高斯拟合提高光纤布喇格光栅波长检测精度

由于各种光噪声的影响,基于可调谐法布里-珀罗(F-P)滤波器的光栅解调仪解调精度不够高,光路噪声通常会带来10pm量级的波长测量误差。为了提高布喇格波长检测精度,采用了在解调过程中对光纤光栅反射谱进行高斯拟合,从而消减噪声影响的方法。实验发现,拟合后中心波长的测量误差小于2.5pm,温度测量值与实际温度之间的标准方差为0.3℃。结果表明,在有害噪声信号不是非常大的情况下,该方法能有效提高波长检测精度。     

基于数字相关匹配的光纤光栅非对称反射峰解调算法研究

光纤布拉格光栅(FBG)在封装时易出现非对称反射峰,传统拟合方式对此现象解调误差大.针对这一问题提出了一种基于数字相关匹配的光纤光栅解调新算法.采用Matlab仿真和水浴实验对此算法进行了检验,证明该算法的可行性及有效性.实验结果表明:在FBG存在非对称反射峰现象时,所提出的算法比传统高斯拟合算法误差减小约67％.基于数字相关匹配的光纤光栅解调算法扩大了解调算法的运用范围,提高了非对称峰时的解调精度,保持了光纤光栅的有效传感.     

基于人工蜂群优化算法的光谱形复用技术

光纤布喇光栅(FBG)在构成大型传感网络时,由于光源带宽有限会出现光谱重叠的问题。提出了一种人工蜂群(ABC)算法及改进ABC(IABC)算法的解调技术,结合谱形复用技术与IABC算法对光谱重叠中的各个光栅的波长进行识别,并对多个FBG传感系统进行实验仿真与分析。实验结果表明:IABC算法在多FBG传感复用系统中的解调误差不超过3.6 pm,解调时间不超过7 s,温度测量精度达0.5℃,解决了多个FBG传感网络部分重叠和完全重叠问题。     

A Calibration Method Based on Linear InGaAs in Fiber Grating Sensors Interrogation System

In accordance with the characteristics of wavelength shift detection in fiber grating sensor interrogation system, the wavelength interrogation system which uses linear InGaAs as the spectrum receiver is proposed. Orientation of optic spectrum line affects the silt of volume phase grating and size of InGaAs photosensitive unit, thus the calibration method is needed. Based on an analysis of InGaAs imaging model, least square curve fitting method is proposed to detect spectrum wavelength and InGaAs photosensitive unit position. The experimental results show that the methods are effective and the demodulation system precision is improved.     

线阵CCD紫外光谱仪的波长定标研究

波长定标的精度是衡量光谱仪的重要 指标之一。鉴于其重要性,研究了线阵电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)紫外光谱仪的波长定 标,并完整地给出了一种波长定标方法(包括噪声扣除、谱 峰定位和波长拟合三部分)。针对暗噪声影响光谱信号的问 题,提出了一种利用非曝光像元扣除暗噪声的方法;针对谱峰漂移 的问题,提出了一种基于权重窄窗差分的谱峰定位方法;针对单一光 源特征谱线数量不足的问题,提出了一种多波段波长拟合方法。实 验结果表明,本文方法的波长定标精度在0.6 nm之内,关键波长点 上的定标精度在0.01 nm之内,具有定标精度高、复杂度低等优 点,因此可用于紫外光谱仪的波长定标。