CN106092159B - 具解调结果可信度自诊断功能的光纤光栅传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具解调结果可信度自诊断功能的光纤光栅传感系统，该系统通过在常规的光纤光栅传感系统中嵌入一个特殊的光谱诊断软件模块，以实现对传感解调结果可信度的在线自诊断。光谱诊断软件模块包括以下内容：1.对传感系统获得的光纤传感器光谱进行预处理；2.计算光谱特征指标及其相对变化；3.根据光谱特征指标及其相对变化对光谱信号恶化造成的解调误差进行诊断分析；4.利用分析所得的解调误差对解调结果可信度进行标记并存储。利用此诊断软件模块，光纤光栅传感系统可在线自动地排除错误的解调结果，确保解调结果的可信度。
Description
技术领域
本发明属于光栅传感器领域，具体涉及一种具解调结果可信度自诊断功能的光纤光栅传感系统及方法。
背景技术
光纤光栅具有抗电磁干扰、电绝缘性好、体积小、重量轻、可串联复用等特点，利用其制作的传感器在民用设施及军用设备上都有广泛的应用。光纤光栅在通过设计不同结构对其进行封装之后，可以实现温度、应力/应变、压力、湿度、折射率、流速、流量、粘度等物理量的检测。但是无论进行怎样封装，其最基本的传感原理都是利用光纤光栅光谱中心波长的偏移实现对外界物理量变化的传感。光纤光栅传感系统一般主要包含传感器网络，光谱采集子模块和光谱解调子模块。实现光谱采集功能的硬件组合形式主要有扫描激光器与光电探测器的组合，以及宽带光源与光谱仪的组合，但是无论通过什么方式对光谱进行采集，最终实现光谱信号解调的原理都是检测光纤光栅传感器光谱中心波长的偏移。而实现光纤光栅传感器光谱的偏移解调的方法有很多，例如比较传统的峰值检测法，质心法，拟合法等，以及比较新颖的相关法，相位法，补偿法等。
然而，在实际应用中，尤其在进行长期的传感测量时，光纤光栅传感光谱往往会出现逐步恶化的情况。光谱的恶化既有可能含有信噪比的降低，也有可能含有光谱形状的变形。光谱的恶化非常容易造成解调精度的下降，甚至解调的错误。在目前的传感系统中，不论采用哪种解调方法，总是能够输出解调信息，但是，解调出的信息是真实反映了被测物理量的变化，还是由于光纤光栅传感器的性能退化造成的，这在实际应用中是非常难以判断的。因此，为了尽量避免实际应用中出现解调错误的情况，对解调信息的可信度进行实时在线的判断是非常必要的，然而目前的解调系统均缺少这样的判断环节。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种具解调结果可信度自诊断功能的光纤光栅传感系统及方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的，一种具解调结果可信度自诊断功能的光纤光栅传感系统，包括光纤光栅光谱自诊断解调子系统，所述光纤光栅光谱自诊断解调子系统包括常规的光纤光栅传感解调软件模块，所述光纤光栅光谱自诊断解调子系统还包括可对传感光谱恶化造成的解调误差进行分析的光谱诊断软件模块，所述光谱诊断软件模块与常规的光纤解调软件模块相结合。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的，一种具解调结果可信度自诊断功能的方法，包括以下步骤：
S1.对传感系统采集的光纤传感器光谱进行预处理；
S2.计算光谱特征指标及其相对变化；
S3.根据光谱特征及其相对变化分析光谱恶化造成的解调误差；
S4.利用分析诊断的解调误差对解调结果可信度进行标记并存储。
进一步，光谱特征指标及其相对变化包括A1、A2、A3、A4中的任意一个或几个的组合；
A1＝FWHM/FWHM0，A2＝SMR，A3＝ILA/ILA0，A4＝IOA，其中，
FWHM表示光谱带宽，FWHM＝ΔλL+ΔλR，其中ΔλL及ΔλR分别表示光纤光栅反射光谱的左半宽和右半宽度，FWHM0为光纤光栅初始光谱的带宽。
SMR表示旁瓣主瓣比，计算公式为SMR＝Rsl/Rmax，Rmax及Rsl分别表示光纤光栅反射光谱主瓣和旁瓣的最大值。
ILA表示局部非对称性指标，计算公式为ILA0表示光纤光栅初始光谱的局部非对称性指标；
IOA表示整体非对称性指标，计算公式为IOA＝min[ρa(τ)]，其中非对称程度函数ρa(τ)的计算式为
上式中R(λ)为光纤光栅的反射光谱。
进一步，所述光谱特征指标及其相对变化为A1、A2、A3、A4，步骤S3和S4中诊断分析方法为：判断光谱特征是否满足条件Case1，若满足则诊断标记为解调结果可信；若不满足，则判断光谱特征是否满足条件Case2，若满足则诊断标记为解调结果不可信；若不满足，则比较Error的值与5％的大小，若Error<5％，则诊断标记为解调结果可信，若Error≥5％，则诊断标记为解调结果不可信；
Case 1:A1<1.618and A2<0.200and A3<1.618and A4<0.020；
Case 2:A1>2.000and A2>0.618and A3>2.000and A4>0.060；
其中 w1,w2,w3,w4表示权重。
进一步，w1+w2+w3+w4＝10％。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明直接利用传感器的光谱特征及其相对变化对解调结果的可信度状态进行诊断的方法非常适于现场实时在线的监测，并且此方法非常简单实用，通常只需要在现有传感系统中的解调软件上嵌入光谱诊断软件模块即可实现具有可信度标记或解调误差估计的解调结果，利用诊断信息可以及时地排除错误的解调结果，确保解调结果的可信度。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为常规光纤光栅传感系统基本结构；
图2为在线自诊断型光纤光栅传感系统结构；
图3为光纤光栅光谱的特征刻画参数示意图；
图4为在线光谱自诊断软件模块的一般流程。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
常规的光纤光栅传感系统基本结构如图1所示，而利用本发明实现对光纤光栅传感解调结果可信度在线实时判断的传感系统基本结构如图2所示。主要的特征在于在常规的光纤光栅解调子系统中增加了一个光谱诊断软件模块，并能输出解调结果可信度的诊断标记。
由于在实际的光纤光栅传感应用中，后端能够获的信息只有传感器的光谱信息，因此就只能通过对光谱特征的分析来实现对解调结果可信度实时在线的诊断。
在线光谱自诊断的一般流程如图4所示，在进行光谱特征指标及其相对变化的计算之前，通常需要对光谱进行一定的预处理，预处理主要包括为特定的光纤光栅传感光谱确定一定的光谱计算范围及进行一定的平滑处理。倘若光纤光栅传感器进行串联复，光谱计算范围内应当仅含一支传感器的光谱；光谱平滑的方式很多，其主要目的是消除随机噪声对计算光纤光栅光谱特征的影响。
一种具解调结果可信度自诊断功能的方法，包括以下步骤：S1.对传感系统采集的光纤传感器光谱进行预处理；S2.计算光谱特征指标及其相对变化；S3.根据光谱特征及其相对变化分析光谱恶化造成的解调误差；S4.利用分析诊断的解调误差对解调结果可信度进行标记并存储。
光谱特征指标及其相对变化包括A1、A2、A3、A4中的任意一个或几个的组合；
A1＝FWHM/FWHM0，A2＝SMR，A3＝ILA/ILA0，A4＝IOA，
光谱带宽(FWHM)，反映主瓣的宽度，计算公式为FWHM＝ΔλL+ΔλR，其中ΔλL及ΔλR表示光纤光栅反射光谱的左半宽和右半宽度；
旁瓣主瓣比(Sidelobe-to-Mainlobe Ratio，SMR)，反映光谱主瓣与旁瓣的关系，计算公式为SMR＝Rsl/Rmax，Rmax及Rsl分别表示光纤光栅反射光谱主瓣和旁瓣的最大值，与常用的边模抑制比SMSR(Side mode suppression ratio)的关系为SMSR＝10log(1/SMR)；
局部非对称性指标(Index of Local Asymmetry，ILA)，反映光谱主瓣的非对称性，计算公式为ILA0表示光纤光栅初始光谱的局部非对称性指标；整体非对称性指标(Index of Overall Asymmetry，IOA)，反映用于计算的光谱范围[λmin,λmax]内整体非对称性，计算公式为IOA＝min[ρa(τ)]，其中非对称程度函数ρa(τ)的计算式为
上式中R(λ)为光纤光栅的反射光谱。
假设光纤光栅传感器原始光谱的带宽及局部非对称性指标分别为FWHM0和ILA0，原始光谱一般可选择为光纤光栅传感系统安装校正之后的光谱。然后利用A1＝FWHM/FWHM0，A2＝SMR，A3＝ILA/ILA0，A4＝IOA可以对解调结果的可信度进行诊断，具体的诊断方法如表1所示：
表1光纤光栅解调结果可信度的诊断方法
关于表1中权重(w1,w2,w3,w4)的设置：
权重满足关系w1+w2+w3+w4＝10％；系统中采用的解调算法不同，权重的分配可具有差异，例如对于峰值检测法，对其影响较大的是带宽及局部非对称性的变化，因此w1，w3的权重应当较大，可取为(w1＝4.5％，w2＝0.5％，w3＝4.5％,w4＝0.5％)；对于质心法，旁瓣及主瓣对其解调结果的影响都较大，因此w1，w2，w3的权重应当较大，可取为(w1＝3％，w2＝3％， w3＝3％，w4＝1％)；对于高斯拟合法，谱形整体的非对称性其解调结果的影响较大，因此w4 的权重应当较大，可取为(w1＝2％，w2＝2％，w3＝2％，w3＝4％)。
本发明直接利用传感器的光谱特征及其相对变化对解调结果可信度进行诊断的方法非常适于现场实时在线的监测，并且此方法非常简单实用，通常只需要在现有传感系统中的解调软件上嵌入光谱诊断软件模块即可实现具有可信度标记或误差估计的解调结果，利用诊断信息可以及时地排除错误的解调结果，确保解调结果的可信度。
在本发明中，并不一定限制于综合采用利用四个光谱指标及其相对变化，也可以单独采用某个指标或其相对变化，以及某些指标的组合进行判断(优选实施例中判断依据采用了黄金比例0.618和1.618)。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种具解调结果可信度自诊断功能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.对传感系统采集的光纤传感器光谱进行预处理；
S2.计算光谱特征指标及其相对变化；
S3.根据光谱特征及其相对变化分析光谱恶化造成的解调误差；
S4.利用分析诊断的解调误差对解调结果可信度进行标记并存储；
光谱特征指标及其相对变化包括A1、A2、A3、A4中的任意一个或几个的组合；
A1＝FWHM/FWHM0，A2＝SMR，A3＝ILA/ILA0，A4＝IOA，
其中，FWHM表示光谱带宽，FWHM＝ΔλL+ΔλR，其中ΔλL及ΔλR分别表示光纤光栅反射光谱的左半宽和右半宽度，FWHM0为光纤光栅初始光谱的带宽；SMR表示旁瓣主瓣比，计算公式为SMR＝Rsl/Rmax，Rmax及Rsl分别表示光纤光栅反射光谱主瓣和旁瓣的最大值；
ILA表示局部非对称性指标，计算公式为：
ILA0表示光纤光栅初始光谱的局部非对称性指标；
IOA表示整体非对称性指标，计算公式为IOA＝min[ρa(τ)]，其中非对称程度函数ρa(τ)的计算式为：
上式中R(λ)为光纤光栅的反射光谱。
2.根据权利要求1所述的具解调结果可信度自诊断功能的方法，其特征在于：所述光谱特征指标及其相对变化为A1、A2、A3、A4，步骤S3和S4中诊断分析方法为：
判断光谱特征及其相对变化是否满足条件Case1，若满足则诊断结果为解调结果可信；若不满足，则判断光谱特征及其相对变化是否满足条件Case2，
若满足则诊断结果为解调结果不可信；若不满足，则比较Error的值与5％的大小，若Error<5％，则诊断标记为解调结果可信，若Error≥5％，则诊断标记为解调结果不可信；
Case1:A1<1.618 and A2<0.200 and A3<1.618 and A4<0.020；
Case2:A1>2.000 and A2>0.618 and A3>2.000 and A4>0.060；
其中，w1,w2,w3,w4表示权重。
3.根据权利要求2所述的具解调结果可信度自诊断功能的方法，其特征在于：w1+w2+w3+w4＝10％。
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