一种光纤波长解调光谱峰值定位方法-山东亚星游戏官网机床有限公司

专利名称：一种光纤波长解调光谱峰值定位方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤波长解调光谱峰值定位方法，特别涉及一种基于LM算法的光纤波长解调光谱峰值定位方法，属于光纤传感技术领域。
背景技术：
光纤光栅(FBG)作为一种敏感元件，目前在光纤传感技术领域里已经得到非常广泛的运用。利用FBG作为敏感元件的传感器，其传感原理是基于FBG反射谱的中心波长与其所经受应变或温度变化的关系，因此准确读取FBG反射谱的中心波长值，对于提高FBG传感器的性能至关重要。常规的光纤波长解调光谱峰值定位方法多为采用功率加权算法、高斯-多项式拟合算法等。功率加权算法的原理是以反射光功率为加权系数，计算波长的加权平均值，得到反射光功率在波长方向上分配的中心位置，以此值作为功率反射谱的中心波长，抗噪性能很差，波长解调精度低。高斯-多项式拟合算法的原理是对波形曲线进行高斯函数-多项式变换，采用一般多项式拟合法的原理得到峰值位置，拟合曲线过分依赖观测得到的数据，抗噪性能差，且如果峰值点不在观测点内，峰值误差较大，波长解调精度低。

发明内容
本发明的目的是为了解决上述常规方法中存在的波长解调不够准确、难于在实际中应用的问题，提出一种基于LM算法的光纤波长解调光谱峰值定位方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。本发明的一种光纤波长解调光谱峰值定位方法，其待解调目标光谱为具有多个像元点的多峰值光谱，该定位方法所包含的功能模块包括解调循环100、构建能量数组�？�101、阈值检测�？�102、寻峰处理�？�103和波长拟合�？�106，其中解调循环100又包括两个模块即构建拟合数组模块104和LM峰值定位�？�105 ；本发明的一种光纤波长解调光谱峰值定位方法，步骤包括I)根据待解调目标光谱中N个像元点的光谱能量值Pji]，利用构建能量数组�？�101，构建各像元对应位置的能量数组P[i]，并取P[i]的最大值为P_，P[i]可以采用P[i] =P0[i]-P0
或者P[i] = (PQ[i]-PQ
)P_两种方式构建，其中各像元对应位置的索引数组 N[i] = i+1,所述 i = 0,1, . . . , N-I ;2)利用阈值检测�？�102，根据待解调目标光谱及最大值Pmax选择合适的阈值参数a、b,并计算比较阈值Th = Pmax/a+b ；3)通过寻峰处理�？�103，从N个像元点中得到索引分别为II1, n2，......，nM的共
M个峰值，并从能量数组P [i]中查找各峰值对应位置的能量数组值也即有效被测FBG的返回值 P[j]，其中 j = Ii1, n2，......，nM ;4)对于第一个峰值Ii1，利用构建拟合数组�？�104构建拟合数组，具体为从N[i]和P[i]中取与Ii1相邻的索引为Ii1-X, -,H1, -n^y的L个数构建拟合数组X[k]和Y[k]，其中 L = x+y+l，k= 1，2，...，L，X[k]为 Y[k]的索引数组，令 X[k] = 1,2, ...,I；5)通过LM峰值定位�？�105，对数据X[k]和Y[k]利用LM算法进行峰值定位，得到第一个峰值Ii1对应的中心像元索引值；6)对于步骤3)中得到的索引为Ii1以后的各峰值，执行解调循环100也即重复步骤4)和步骤5)，得到峰值分别为n2，……，nM时对应的中心像元索引值；7)运用多项式拟合将各峰值对应的中心像元索引值转换为中心波长。上述步骤3)中寻峰处理�？�103寻找峰值的过程中采用两次寻峰算法，第一次寻峰，将P[i]中各值分别与Th进行比较，大于Th作为一个可能的峰值或者称为有效被测FBG的返回值；第二次寻峰，对第一次寻峰中得到的可能峰值，分别将每个峰值和该峰值在P[i]数组中前后相邻的L个数进行比较，若P[i]为其中的最大值，则为一个有效峰值也即有效的被测FBG的返回值，L值根据各峰值间隔确定；本发明中基于LM算法的光纤波长解调光谱峰值定位的原理对于光纤Bragg光栅的反射功率谱密度曲线，理论上其强度最大值位于中心波长处，并以中心波长为轴左右对称，曲线可以用高斯函数近似表达为F(x) =B1GXpt-(X^1)Vc12](I)本方法通过对中间变量X。= (A，B，C)的非线性拟合法实现对其高精度的LM算法拟合。在该处理方法中，需要在对数据进行拟合前的变换，将式(I)进行如下变换G(x) =F(x) = exp [_ (X-Id1) VcJ+ln (aj ](2)G(x) =F(x) = exp [~x2/c12+2b1x/c^+ln (a:) -b//C12](3)令A = I/C12, B = 21^/C12, C = In (a:) Hd12/C12,可得G (X) =F (X) = exp (_Ax2+Bx+C)(4)利用LM拟合得到最佳的数组XJAJA)，进而可得式⑴中实际待求的数组(&1，b1 C1)为a: = exp (C+b//C12)(5)Io1 = B c^/2(6)C1 = I/ V A(7)从式(3)可以发现，中间变量非线性拟合法在数据处理过程中，仍然保留了实际测得各个数据采集点的原始数据Y[i]，而未进行任何中间转变，因而可以在很大程度上保证实际数据的拟合精度。同时，该处理方法相对于直接非线性拟合法的优点在于，利用中间变量简化了中间处理运算过程。初始参数X。= (A, B, C)的选�。梢员硎疚狝= 1/(M)2，B = 2A (N)，C = -A (N)2，其中M为光谱的3db带宽，N表示最大值Pmax对应的索引数组值。步骤5)中LM峰值定位�？�105通过以下步骤实现进行峰值定位501)设置初始参数X。= (A，B，C)、阻尼因子y以及缩放常数V、k ；502)计算迭代系数fc、gc、jac、nu,设置迭代次数J = O;503)通过计算中间变量xt,修正迭代系数fc, gc, jac, nu ;504)通过阻尼因子U，缩放常数V、k控制迭代过程，使得参数X。达到最优值，进而得到精确的中心像元N。= B/ (2A)。有益效果
本发明与现有算法对比具有优点I.利用LM进行峰值拟合显著提高了光纤波长解调的精度。寻峰处理模块103采用两次寻峰算法，实现准确查找有效被测FBG象元。LM峰值定位�？�105中初始参数Xc = (A, B, C),阻尼因子ii = 0. 001,缩放常数V = 10, k = 0. I的选取，不仅减少了 LM算法的迭代次数，而且加快了算法的收敛速度。LM峰值定位�？�105中对中间变量X。的非线性拟合，在数据迭代过程中仍然保留了实际测得的原始数据Y[k]，而未进行任何中间转变，因而可以在很大程度上保证实际数据的拟合精度。实现了对中心像元N。的高精度拟合，显著提高了光纤波长解调的精度。2.通过简化后的数据处理过程，便于在数字电路上实现。构建能量数组�？�101中P[i]的构建方法整体缩小了数据大�。菇夂鲜槟？�104中索引数组X[i]的设置方式简化了数据处理过程，LM峰值定位�？�105利用中间变量X。= (A，B，C)的非线性拟合简化了迭代过程中的大量数据运算。上述方法使得基于LM的光纤波长解调光谱峰值定位算法便于在数字电路上实现。

图I为本发明的流程框图；图2本发明实施例中光谱能量曲线图；图3本发明实施例中利用LM算法进行峰值定位的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。一种光纤波长解调光谱峰值定位方法，其待解调目标光谱为具有多个像元点的多峰值光谱，该定位方法所包含的功能�？榘ń獾餮�100、构建能量数组�？�101、阈值检测�？�102、寻峰处理�？�103和波长拟合�？�106，其中解调循环100又包括两个模块即构建拟合数组模块104和LM峰值定位�？�105 ；如图I所示，该方法的步骤包括I)根据待解调目标光谱中N个像元点的光谱能量值Pji]，利用构建能量数组模块101，构建各像元对应位置的能量数组P[i]，并取P[i]的最大值为P_，P[i]可以采用P[i] =P0[i]-P0
或者P[i] = (PQ[i]-PQ
)/P_两种方式构建，其中各像元对应位置的索引数组 N[i] = i+1,所述 i = 0,1, . . . , N-I ;2)利用阈值检测�？�102，根据待解调目标光谱及最大值Pmax选择合适的阈值参数a、b,并计算比较阈值Th = Pmax/a+b ；3)通过寻峰处理�？�103，从N个像元点中得到索引分别为Ii1, n2，......，nM的共
M个峰值，并从能量数组P [i]中查找各峰值对应位置的能量数组值也即有效被测FBG的返回值 P[j]，其中 j = Ii1, n2，......，nM ;4)对于第一个峰值Ii1，利用构建拟合数组�？�104构建拟合数组，具体为从N[i]和P[i]中取与Ii1相邻的索引为Ii1-X, -,H1, -n^y的L个数构建拟合数组X[k]和Y[k]，其中 L = x+y+l，k= 1，2，...，L，X[k]为 Y[k]的索引数组，令 X[k] = 1,2, ...,I；5)通过LM峰值定位�？�105，对数据X[k]和Y[k]利用LM算法进行峰值定位，得到第一个峰值Il1对应的中心像元索引值；6)对于步骤3)中得到的索引为Ii1以后的各峰值，执行解调循环100也即重复步骤4)和步骤5)，得到峰值分别为n2，……，nM时对应的中心像元索引值；7)运用多项式拟合将各峰值对应的中心像元索引值转换为中心波长。上述步骤3)中寻峰处理模块10 3寻找峰值的过程中采用两次寻峰算法，第一次寻峰，将P[i]中各值分别与Th进行比较，大于Th作为一个可能的峰值或者称为有效被测FBG的返回值；第二次寻峰，对第一次寻峰中得到的可能峰值，分别将每个峰值和该峰值在P[i]数组中前后相邻的L个数进行比较，若P[i]为其中的最大值，则为一个有效峰值也即有效的被测FBG的返回值，L值根据各峰值间隔确定；本发明中基于LM算法的光纤波长解调光谱峰值定位的原理对于光纤Bragg光栅的反射功率谱密度曲线，理论上其强度最大值位于中心波长处，并以中心波长为轴左右对称，曲线可以用高斯函数近似表达为F(x) =B1GXpt-(X^1)Vc12](I)本方法通过对中间变量X。= (A，B，C)的非线性拟合法实现对其高精度的LM算法拟合。在该处理方法中，需要在对数据进行拟合前的变换，将式(I)进行如下变换G(x) =F(x) = exp [_ (X-Id1) VcJ+ln (aj ](2)G(x) =F(x) = exp [~x2/c12+2b1x/c^+ln (a:) -b//C12](3)令A = I/C12, B = 21^/C12, C = In (a:) Hd12/C12,可得G (X) =F (X) = exp (_Ax2+Bx+C)(4)利用LM算法拟合得到最佳的数组X。= (A, B，C)，进而可得式⑴中实际待求的数组(a1; b1； C1)为a: = exp (C+b//C12)(5)Io1 = B cJ/2(6)C1 = I/ V A(7)从式(3)可以发现，中间变量非线性拟合法在数据处理过程中，仍然保留了实际测得各个数据采集点的原始数据Y[k]，而未进行任何中间转变，因而可以在很大程度上保证实际数据的拟合精度。同时，该处理方法相对于直接非线性拟合法的优点在于，利用中间变量简化了中间处理运算过程。根据光谱能量曲线的性质，初始参数X。= (A，B，C)的选�。梢员硎疚狝= 1/(M)2,B = 2A (N), C = -A (N)2，其中M为为光谱的3db带宽，N表示最大值Pmax对应的索引数组值。步骤5)中LM峰值定位�？�105通过以下步骤实现进行峰值定位501)设置初始参数X。= (A，B，C)、阻尼因子y以及缩放常数V、k;502)计算迭代系数fc、gc、jac、nu,设置迭代次数J = O;503)通过计算中间变量xt,修正迭代系数fc, gc, jac, nu ；504)通过阻尼因子U，缩放常数V、k控制迭代过程，使得参数X。达到最优值，进而得到精确的中心像元N。= B/ (2A)。实施例以图2中具有81个像元点的多峰值光谱202作为本实施例的待解调光谱，图2中，横坐标为像元索引值N[i]，i = 0，I-80，纵轴为实际测量的各像元对应位置的光能量数组PQ[i]，i = 0，1 "80，虚线曲线201为实际光谱能量曲线，实线曲线202为测量得到的光谱能量曲线，峰值点203为实际光谱峰值之一，峰值点204为测量得到的光谱峰值之一；光谱峰值定位算法的实施方式是对图2中的测量光谱曲线202利用LM算法进行拟合得到实际光谱能量曲线201，进而对光谱峰值进行精确定位，得到实际光谱峰值203。以图2中测量得到的光谱能量曲线202为例，该曲线具有具有4个峰值，采用本发明的光谱峰值定位算法包括如下步骤I)将测量光谱曲线202作为待解调目标光谱，根据待解调目标光谱中81个像元点的光谱能量值，利用构建能量数组�？�101，构建各像元对应位置的能量数组P[i]，并取P[i]的最大值卩_，？[1] =P0[i] 一 PJ0]，各像元对应位置的索引数组N[i] = i+1, (i =0，I. N)；2)利用阈值检测模块102，根据待解调目标光谱选择合适的阈值参数a = 5、b =8，并计算比较阈值Th = Pmax/5+8 ；3)通过寻峰处理模块103进行寻峰，具体为第一次寻峰，将P[i]中各值分别与Th进行比较，大于Th作为一个可能的峰值或者成为有效被测FBG的返回值，此时得到5个可能的峰值P[j]，且j = 15，28，40，65，66 ;第二次寻峰，对第一次寻峰中得到的5个可能峰值，分别将每个峰值P[j]和该峰值在P[i]数组中前后相邻的4个数进行比较，若P[i]为其中的最大值，则为一个有效峰值也即有效的被测FBG的返回值，最终得到4个有效被测FBG的返回值 P[j]，其中 j = 15,28,40,65 ；4)对于第一个峰值15也即图2中峰值点203，利用构建拟合数组�？�104构建拟合数组，具体为从N[i]和P[i]中取索引为12、13、14、15、16、17、18的7个数构建拟合数组 X[k]和 Y[k]，k= 1，2，…，7，X[k]为 Y[k]的索引数组，令 X[k] = 1，2，...，7;5)通过LM峰值定位�？�105，对数据X[k]和Y[k]利用LM算法进行峰值定位，得到第一个峰值15对应的中心像元索引值M[15] = 14. 940 ；6)对于步骤3)中得到的索引为28，40，65的各峰值，执行解调循环100也即重复步骤4)和步骤5)，得到峰值分别为n2，……，nM时对应的中心像元索引值；7)运用多项式拟合将各峰值对应的中心像元索引值转换为中心波长。上述步骤5)中LM峰值定位�？�105利用LM算法进行峰值定位的实施过程如图3所示，包含以下步骤步骤301，设置初始参数X。，其中A = 2，B = 12，C =-18，阻尼因子ii =0.001，缩放常数V = 10, k = 0. I ;步骤302,计算迭代系数 fc, gc, jac, nu,其中 nu = E (I I gc | |),fc = E [exp (_Ax2+Bx + C)-Y]2，jac = [ j a c (I) , jac (2) , j a c (3) ] , gc =jac， [exp (-Ax2+Bx+C) _Y],设置迭代次数 J = 0,其中 jac (I) = _x2 exp (_Ax2+Bx+C),jac (2) =x* exp (_Ax2+Bx+C), jac (3) = exp (_Ax2+Bx+C)；步骤303,计算 xt, xt = Xc-[jac; jac)+nu eye (3) F1 gc,设置迭代次数 idid=0 ；步骤304,计算 ft = E [exp (_xt (I) x2+xt (2) x+xt (3))-Y]2 ;步骤305,计算 rat, rat = (fc-ft)/ (-gc/ (xt~Xc))；步骤306，判断rat是否小于0. 25，如果小于0. 25，进入步骤307 ;如果不小于0. 25，进入步骤308 ；步骤307,修正迭代系数nu, nu = max (nu v, k),进入步骤311 ；步骤308，判断rat是否小于0. 75，如果小于0. 75，进入步骤309 ;如果不小于0. 75，进入步骤311 ；步骤309,判断nu U是否小于k,如果小于k,进入步骤310 ;如果不小于k,进入步骤311 ；步骤310,修正迭代系数nu,令nu = 0,进入步骤311 ；步骤311，判断迭代系数idid是否小于M，如果小于M，继续迭代过程316 ;如果不小于M，停止迭代，进入步骤312 ；步骤312,修正初始参数Xc, Xc = Xt ；步骤313，判断迭代系数J是否小于N，如果小于N，继续迭代过程315 ;如果不小于N，停止迭代，进入步骤314;步骤314,计算中心像元N。= B/ (2A),结束本次峰值定位；步骤315,令J = J+1,修正迭代系数fc, gc, jac, nu,进入步骤303 ；步骤316,令 idid = idid+1,计算 xt = Xc-[jac ' jac) +nu eye (3) ]-1 gc,进入步骤304。以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种光纤波长解调光谱峰值定位方法，其待解调目标光谱为具有多个像元点的多峰值光谱，其特征在于，该峰值定位方法所包含的功能�？榘ń獾餮�(100)、构建能量数组�？�(101)、阈值检测�？�(102)、寻峰处理模块(103)和波长拟合�？�(106)，其中解调循环(100)又包括两个�？榧垂菇夂鲜槟？�(104)和LM峰值定位�？�(105)，定位方法的步骤包括 1)根据待解调目标光谱中N个像元点的光谱能量值PJi]，利用构建能量数组�？�(101)，构建各像元对应位置的能量数组P[i]，并取P[i]的最大值为P_，P[i]可以采用P[i] =P0[i]-P0
或者P[i] = (PQ[i]-PQ
)P_两种方式构建，其中各像元对应位置的索引数组 N[i] = i+1,所述 i = 0,1, . . . , N-I ; 2)利用阈值检测模块(102)，根据待解调目标光谱及最大值Pmax选择合适的阈值参数a、b,并计算比较阈值Th = Pmax/a+b ； 3)通过寻峰处理�？�(103)，从N个像元点中得到索引分别为Ii1,n2，......，nM的共M个峰值，并从能量数组P [i]中查找各峰值对应位置的能量数组值也即有效被测FBG的返回值 P[j]，其中 j = Ii1, n2, ......, nM ； 4)对于第一个峰值Ii1，利用构建拟合数组�？�(104)构建拟合数组，具体为从n[i]和P[i]中取与Ii1相邻的索引为Ii1-X,…，叫， !!#的L个数构建拟合数组X[k]和Y[k]，其中 L = x+y+1, k = 1,2, ...,L, X[k]为 Y[k]的索引数组，令 X[k] = 1,2, ...,I； 5)通过LM峰值定位�？�(105)，对数据X[k]和Y[k]利用LM算法进行峰值定位，得到第一个峰值Ii1对应的中心像元索引值； 6)对于步骤3)中得到的索引为Ii1以后的各峰值，执行解调循环100()也即重复步骤4)和步骤5)，得到峰值分别为n2，……，nM时对应的中心像元索引值； 7)运用多项式拟合将各峰值对应的中心像元索引值转换为中心波长。
2.根据权利要求I所述的一种光纤波长解调光谱峰值定位方法，其特征在于，所述步骤3)中寻峰处理�？�(103)寻找峰值的过程中采用两次寻峰算法第一次寻峰，将P [i]中各值分别与Th进行比较，大于Th作为一个可能的峰值或者称为有效被测FBG的返回值；第二次寻峰，对第一次寻峰中得到的可能峰值，分别将每个可能峰值和该峰值在P[i]数组中前后相邻的L个数进行比较，若P[i]为其中的最大值，则为一个有效峰值也即有效的被测FBG的返回值，L值根据各峰值间隔确定。
3.根据权利要求I所述的一种光纤波长解调光谱峰值定位方法，其特征在于，所述步骤5)中LM峰值定位�？�(105)通过以下步骤实现进行峰值定位 501)设置初始参数X。=(A，B，C)、阻尼因子y以及缩放常数V、k; 502)计算迭代系数fc、gc、jac、nu; 503)通过计算中间变量xt,修正迭代系数fc,gc, jac, nu ； 504)通过阻尼因子U，缩放常数v、k控制迭代过程，使得参数X。根据中间变量Xt达到最优值，进而得到精确的中心像元N。= B/ (2A)。
4.根据权利要求3所述的一种光纤波长解调光谱峰值定位方法，其特征在于，所述步骤504)是通过对中间变量X。= (A，B，C)的非线性拟合得到中心像元N。的高精度拟合。
5.根据权利要求3所述的一种光纤波长解调光谱峰值定位方法，其特征在于，初始参数 X。= (A，B，C)的选�。梢员硎疚� A = 1/(M)2，B = 2A (N)，C = -A (N)2，其中 M 为为光谱的3db带宽，N表示最大值Pmax对应的索引数组值。
全文摘要
本发明涉及一种光纤波长解调光谱峰值定位方法，属于光纤传感技术领域。该方法首先对获得的衍射光谱能量数据进行最大值检测，根据最大值确定合适的阈值，再用该阈值进行寻峰处理，将处理后的数据构建拟合数组，利用LM峰值定位算法对光谱进行准确峰值定位。该算法相对于现有的功率加权算法和高斯-多项式拟合算法，具有高精度定位光谱峰值的优点，通过简化后的数据处理过程，便于在数字电路上实现。
文档编号G01D5/26GK102706372SQ20121008551
公开日2012年10月3日申请日期2012年3月28日优先权日2012年3月28日
发明者何彦璋, 申雅峰, 胡春艳申请人:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所

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一种光纤波长解调光谱峰值定位方法