申请/专利权人：武汉理工大学

申请日：2023-09-11

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN116907556B

主分类号：G01D5/353

分类号：G01D5/353

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2023.11.07#实质审查的生效;2023.10.20#公开

摘要：本发明提出了分布式光纤传感多特征混合解调系统及方法，包括：光路模块，与若干光纤传感器光路连接,用于产生激励光信号，并将激励光信号单向输出至若干光纤传感器中，还单向接收若干光纤传感器的反射光信号并进一步向外单向输出；电路模块与光路模块连接，一方面驱动光路模块工作，另一方面接收所述光路模块单向输出的若干光纤传感器的反射光信号，对反射光信号进行光电转换和信号预处理；信号处理模块与所述电路模块的输出端电性连接，信号处理模块依次通过变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤和FFT相位信息提取步骤，对电路模块的输出信号解调处理。

主权项：1.分布式光纤传感多特征混合解调系统，其特征在于，包括：光路模块1，与若干光纤传感器光路连接；所述光路模块1用于产生激励光信号，并将激励光信号单向输出至若干光纤传感器中，所述光路模块1还单向接收若干光纤传感器的反射光信号并进一步向外单向输出；电路模块2，与光路模块1连接，所述电路模块2一方面驱动光路模块1工作，另一方面接收所述光路模块1单向输出的若干光纤传感器的反射光信号，对反射光信号进行光电转换和信号预处理；信号处理模块3，与所述电路模块2的输出端电性连接，所述信号处理模块3依次通过变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤和FFT相位信息提取步骤，对电路模块2的输出信号解调处理；所述光路模块1包括可调谐环形腔激光器单元11和无源光路单元12；可调谐环形腔激光器单元11的输出端分别与其输入端和无源光路单元12的输入端光路连接，无源光路单元12还与若干光纤传感器光路连接，激励光信号经过无源光路单元12输出至若干光纤传感器，无源光路单元12还接收若干光纤传感器的反射光信号；若干光纤传感器包括光纤FBG传感器和光纤FP传感器；所述可调谐环形腔激光器单元11包括顺次设置的SOA111、第一光隔离器113、可调谐FP滤波器112、第二光隔离器114和光纤耦合器115；所述SOA111的输出端与第一光隔离器113的输入端光路连接，第一光隔离器113的输出端与可调谐FP滤波器112的输入端光路连接，可调谐FP滤波器112的输出端与第二光隔离器114的输入端光路连接，第二光隔离器114的输出端与光纤耦合器115的输入端光路连接，光纤耦合器115的第一输出端与SOA111的输入端光路连接，光纤耦合器115的第二输出端与无源光路单元12光路连接；光纤耦合器115的第一输出端和第二输出端的输出光的比例为10％：90％；所述无源光路单元12包括光分路器121和若干环形器，若干环形器均包括第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与第二端口单向连通，第二端口与第三端口单向连通；光分路器121的输入端与光纤耦合器115的第二输出端光路连接，光分路器121的输出端分别与若干环形器的第一端口光路连接，若干环形器的第二端口分别与一光纤传感器光路连接，若干环形器的第三端口均与电路模块2光路连接；各环形器的第二端口既向光纤传感器发出的激励光信号，又接收光纤传感器的反射光信号，并通过第三端口将反射光信号单向输出至电路模块2；所述电路模块2包括温度控制电路21、恒流驱动电路22、若干光电转换信号调理电路23和信号采集电路24；温度控制电路21和恒流驱动电路22均设置在可调谐环形腔激光器单元11处并与可调谐环形腔激光器单元11电性连接，温度控制电路21用于维持可调谐环形腔激光器单元11的温度稳定，恒流驱动电路22用于驱动可调谐环形腔激光器单元11稳定工作；若干光电转换信号调理电路23的输入端与无源光路单元12的输出端连接，对各光纤传感器的反射光信号对应进行光电转换，并对光电转换后的信号进行放大和滤波；信号采集电路24的输入端与若干光电转换信号调理电路23的输出端一一对应电性连接，用于将光电转换信号调理电路23的输出信号进行模数转换处理；所述信号采集电路24包括模数转换芯片和FPGA芯片；模数转换芯片的各输入通道与若干光电转换信号调理电路23的输出端一一对应电性连接；模数转换芯片的至少两路输入通道交替开启并将若干光电转换信号调理电路23的输出信号进行模数转换，将转换后的数字量发送至FPGA芯片中的FIFO缓存模块进行存储；分布式光纤传感多特征混合解调系统的解调方法，具体包括如下步骤：在信号处理模块3获取电路模块2输出的光电转换和信号预处理的结果后，信号处理模块3顺次执行变阈值光强提取步骤、质心法波长提取步骤和FFT相位信息提取步骤，并将解调的结果打包发送到上位机；所述信号处理模块3的变阈值光强提取步骤，包括如下步骤：S301：确定最值变量和阈值Th：是对信号采集电路24输出的一路光电转换信号调理电路23对应的模数转换处理的数字量的阈值进行逐一比较，将输出数字量的最大值作为该路输出的最值变量；按该最值变量的一定比例确定阈值Th的大小；S302：起始态判断：判断数据点Ni+1、Ni与Th的大小关系，如果满足Ni+1Th且NiTh，进入下一步骤S303；Ni与Ni+1分别为采样时刻i和i+1对应的数字量，相邻采用时刻之间间隔的采样周期固定不变；判断是否满足Ni+1Th且NiTh的过程中，当不满足时，i自增1，重新进行条件比较，满足Ni+1Th且NiTh条件或者当前i的取值达到上限时，则停止上述对比过程，将Ni+1的值作为最值变量的值写入最值变量寄存器中，直到当前模数转换处理的数字量全部对比完成；S303：上升态判断：如果满足Ni+1NiTh，则缓存满足该条件的数据点到FPGA的缓冲模块中；标记各数据点与序列值并进入下一步骤S303；S304：下降态判断：如果满足NiNi+1Th，则缓存满足该条件的数据点到FPGA的缓冲模块中；标记各数据点与序列值进入下一步骤S305；S305：终止态判断：如果满足Ni+1Th且NiTh，则跳转回步骤S302继续搜寻，直到搜寻结束停止变阈值光强提取；所述信号处理模块3的质心法波长提取步骤，是对超过阈值Th的各数据点对应的光谱，通过质心寻峰算法提取波长信息，将横坐标作为质点系的位矢，纵坐标作为质点系的质量，对每个数据分配一个加权系数，以所有的数据的加权平均值作为所求取光纤FBG传感器的波长λB：其中xj代表序列值，yj代表光强值，i+1和k都是序列值的顺序编号；所述信号处理模块3的FFT相位信息提取步骤，是通过快速傅里叶变换将时域信号，然后采用逐点比较法完成光纤FP传感器的频域信号极值的求取：其中xK表示频域值；x1s表示时域采样点；S表示时序采样点的序列索引；WN2为N2次单位根；K为频域值的索引，K＝0，1，2，...，N-1；N为进行FFT变换的采样点的数量。

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