专利名称：保偏光纤应力传感的数据解调方法
技术领域：
本发明涉及偏振器件应力参数测量方法，属于光学测量技术领域，尤其涉及一种 基于干涉法光学保偏器件应力传感的数据解调方法。
背景技术：
保偏光纤受到外力、磁场、弯曲、扭转等因素的扰动时会发生偏振耦合现象，通过 对保偏光纤偏振耦合的测量可实现扰动物理量的传感。白光干涉偏振耦合分布式保偏光纤 传感器由于其高空间分辨率和宽动态范围而被广泛应用于应力、应变、温度、气体和位置传 感。它最大的特点是能在单根光纤上实现分布式传感，光纤上的任何部位都可以作为传感 元。由于保偏光纤具有偏振保持能力，使得在测量过程中不需要考虑偏振控制问题。该系统能广泛应用于结构健康检测中。此外，一个重要的应用是它可以检测光纤 陀螺环固有耦合点及偏振串扰。利用保偏光纤偏振耦合原理实现应力传感有偏振时域反射法(P0TDR)、迈克尔逊 白光干涉法、调频载波(FMCW)法、锁模光纤环激光器法、基于Kerr效应检测法、波长检测干 涉法及合成光学相干函数法。其中白光迈克尔逊干涉法以其结构简单，测量精度高而被广 泛应用。影响测试精度的因素有机械扫描步长、电源的稳定性、探测器的噪声和分辨能 力、采集卡的AD变换噪声等。为了提高系统信噪比，需采取一系列措施，配合相应的数据处 理来改善实验结果，比如，数据预处理、傅立叶平滑滤波、小波去噪等。当信号的有用信息和 噪声的频带没有交叠时，傅立叶平滑滤波才能取得较好的效果，然而，设置一个特定的截 止频率并不适合非线性噪声和存在突变的信号结构。小波变换中，当小波基一旦选定，在整 个分解、重构过程中就无法更换，且对信号局部没有自适应性。小波变换的实质是具有柔性 时频窗的傅立叶变换。经验模态法基于信号局部特性和自适应性，适于处理大量频率随时 间变化的非线性非平稳信号。专利201010183969. 9通过定时器轮询发送现场应力应变数据，经算术平均滤波 后实时显示。专利200920108831. 5用数字信号处理芯片和大规�？杀喑搪呒铝行酒� 作为信号处理单元，用改进的二项式/三项式拟合算法解调出光纤光栅传感系统中的应变 量。多数专利都是在系统结构上做创新，本专利结合经验模态法解调保偏光纤的应变量，结 构简单，易于实现。
发明内容
本发明目的是为提高保偏光纤应力传感中弱耦合点的识别能力和提高耦合强度 测试系统的信噪比，提出一种基于经验模态法的保偏光纤应力传感的数据解调方法。本发明充分考虑了光学偏振器件上许多不同的力致耦合点的耦合效应，通过数据 预处理和改进的经验模态算法，使得测量结果准确、可靠。本发明提供的保偏光纤应力传感的数据解调方法包括第1、使用保偏光纤应力传感测试系统采集干涉信号，得到光电压数据 _ ；
第2、将光电压数据进行数据预处理，每η点做平均后得到新的光电压数据 ⑴， 0 <得,q为_的个数(η的值需要按采集到的数据量的大小灵活选用，η越大，则平均 降噪效果越好，但若原始数据量�。颚怯ο嘤θ⌒∫恍笮惴ㄌ峁┳愎坏氖�)，目 的是有效消除采集信号中的随机噪声，并能将数据量缩小η倍；
第3、用经验模态法将光电压数据信号Q(X)分解为ι个IMF分量和一个余量，即
M
h = Σq⑴+ ~￠),其中，M是平均后的光电压数据，是IMF分量，反映了不同的
ιαxOW^jW
频率和幅度成分，M是IMF分量的个数，i)<M <q ’q为X0(Z)的数据量大�。蔷槟� 态分解满足截止条件后，被剥离的满足IMF条件的信号个数，其随原始信号的不同，结果会 不同。 《是一个余量，经验模态算法能将频率高的IMF分量首先提取出来； 经验模态的基本步骤如下
第3. 1、找到信号、《的所有局部极值点，分别连接极大值和极小值，并用三次样条曲 线拟合得到原始信号的上包络 和下包络Aijll^)；
第3. 2、计算上包络和下包络的均值《办)=(^(0 + ‘ )/2 ,并求信号 ⑴与所得均 值的差值 《 =；
第3. 3、把 ￠)看成新的原始数据，重复第3. 1步和第3. 2步(即将看成新的原始 数据，找到的所有局部极值点，分别连接极大值和极小值，并用三次样条曲线拟合得到 它的上包络和下包络⑩.计算上包络和下包络的均值％(0 = (~ +~ (<))/2 , 并求信号~ 与所得均值的差值,以此类推)，直到运算出来的信号满足 IMF的两个条件，将满足条件的信号定义为q ,定义余量为^￠) .Γι(￡)α·) (每个IMF都需要满足的两个条件如下
1、局部极大值和局部极小值的数目之和与跨零点的数目要相等或是最多相差一个。
2、在任一时间点上，由局部极大值所定义的上包络与局部极小值所定义的下包络 的平均值为零。)
第3. 4、把余量/i 看成新的原始数据，重复第3. 1步至第3. 3步直到提取出所有的 IMF分量；当满足停止条件时，迭代停止(停止条件利用连续两次筛选结果的分量标准差
(SD)作为准则，^ = ^[MytozMlL],典型的SD大小在0. 2至0. 3间)；
第4、从分解出的IMF分量中找出基底分量并识别出小耦合点，具体方法如下 将分解出的各个IMF分量分别与余量相加，S 口巧 = (i)+~ ￠)，求出各自的耦合强度分布4⑷用于判定基底和小耦合点；普遍采用的耦合强度计算方法为
权利要求
1.一种保偏光纤应力传感的数据解调方法，其特征在于，该方法包括第1、使用保偏光纤应力传感测试系统采集干涉信号，得到光电压数据 _ ；第2、将光电压数据对 )进行数据预处理，每η点做平均后得到新的光电压数据；^⑴，(kn<q，q为χψ)的数据量大�。康氖怯行杉藕胖械乃婊肷⒛芙萘� 缩小η倍；第3、用经验模态法将光电压数据信号Hit)分解力丄r个IMF分量和一个余量，即
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第5步所述的应力大小的计算方法如下 根据偏振耦合三段保偏光纤串接应力传感器的理论模型可建立耦合强度与光纤受力大小和方向有如下关系
全文摘要
一种保偏光纤应力传感的数据解调方法。包括使用保偏光纤应力传感测试系统采集干涉信号，得到光电压数据；将光电压数据进行数据预处理，每n点做平均后得到新的光电压数据，，为的数据量大小。用经验模态法将光电压数据信号分解为个IMF分量和一个余量；找出基底分量并识别出小耦合点；重构信号的耦合强度，应力大小可通过各点耦合强度来计算，从而实现了系统的分布式检测。计算信噪比等体现系统测试精度的指标。本发明方法可以有效提高保偏光纤应力传感系统的信噪比，增大弱耦合点的识别能力，提高耦合测试灵敏度。在信噪比较低的环境下，也能较好的检测出微应力。
文档编号G01L1/24GK102095538SQ201110045099
公开日2011年6月15日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者刘铁根, 叶雯婷, 张红霞, 温国强, 贾大功, 陈信伟 申请人:天津大学
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