一种光纤光栅温度测量方法及测量系统技术方案

本发明专利技术提供了一种光纤光栅温度测量方法，所述方法包括如下步骤：a、搭建光纤光栅温度测量系统，所述系统包括光纤光栅解调仪、光纤光栅温度传感器、恒温箱以及光源；b、将光纤光栅传感器置于所述恒温箱中，控制恒温箱的温度在某一温度范围内变化，采集光纤光栅随恒温箱温度变化的光纤光栅信号X；c、构建正交基字典矩阵ψ，将所述光纤光栅信号X在所述正交字典矩阵下展开；d、构建观测矩阵Φ，对所述光纤光栅信号X执行压缩观测；e、构造信息算子矩阵A；f、重构光纤光栅信号X。本发明专利技术温度测量方法对光纤光栅传感器测量温度时，有效准确地提取出待测环境的温度。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光栅温度测量方法及测量系统
本专利技术涉及光纤光栅传感测量
，特别涉及一种光纤光栅温度测量方法及测量系统。
技术介绍
光纤光栅作为传感器，它凭借其良好的抗电磁干扰能力、防火防爆特性、响应速度快、精度高、损耗低、体积小、性价比高等优点，在土木工程、石油化工、电力电缆以及航天航空等领域发挥着举足轻重的作用。近年来受到广泛关注，成为传感技术研究领域的热点之一。现有的光纤光栅为了保证光栅不会因带的温度变化引起的接近或重合，一个85nm的谱款内，往往只能布设不超过40个光栅。在科技现代化的影响下，光纤光栅传感器性能不断提高且在商业化应用中的不断拓展，随着传感网络的增大、测量数据的增加和对测量速度要求的提升，高速、大容量光纤光栅传感网络亟待发展。光纤光栅传感器的突出优点就是准分布式传感，通常采用复用技术将传感器进行组网，构成光纤传感网络。对于相邻栅格密集的光纤光栅，在进行温度测量时会导致频谱混迭，同时温度测量过程中，采集到的光纤光栅信号中会含有噪声信号，对实际温度的测量产生影响，导致测量不够准确。在波分复用方面，为防止光谱混叠，光栅间需要保持一定频率间隔，导致一半以上的光谱资源处于闲置状态。且随着应用场合复杂程度的提高，测量系统面对海量数据的收集与处理，为了压缩数据量，人们研究了基于节点数据相关性的压缩算法、基于数据传输特性和封包结构的压缩方法和基于预编码的数据压缩算法。但作为传统的压缩方法有明显的缺陷:首先压缩过程要完整的原始信号，其次在计算出完整的投影后需要丢弃大部分分量，浪费计算资源。传统的数据处理方法难以在温度测量过程中由于光纤光栅自身栅格引起的频谱混迭以及噪声信号中提取准确的测量信息。因此，需要一种准确测量温度的光纤光栅温度测量方法及测量系统。
技术实现思路
本专利技术的一个方面在于提供一种光纤光栅温度测量方法，所述方法包括如下步骤：a、搭建光纤光栅温度测量系统，所述系统包括信号处理装置、光纤光栅解调仪、光纤光栅温度传感器、恒温箱以及光源；b、将光纤光栅传感器置于所述恒温箱中，控制恒温箱的温度在某一温度范围内变化，采集光纤光栅随恒温箱温度变化的光纤光栅信号X；c、构建正交基字典矩阵ψ，将所述光纤光栅信号X在所述正交字典矩阵下展开为X＝ψθ，其中θ＝(θ1，θ2，…，θN)T为展开系数向量，所述系数向量θ进行K个分量稀疏；d、构建观测矩阵Φ，对光纤光栅信号X执行压缩观测，得到M个线性观测信号Y，其中Y＝ΦX，Y∈RM，RM为实数R上M的阶正交空间向量；e、构造信息算子矩阵A:A＝Φψ，将所述信息算子矩阵A＝Φψ代入步骤e所述的线性观测信号Y中得到Y＝Φψθ＝Aθ，其中所述信息算子矩阵A满足2K个分量线性独立；f、求解非线性优化问题，求取系数向量θ，重构光纤光栅信号X。优选地，所述步骤b中光纤光栅信号X采用F-P滤波解调方式采集。优选地，所述正交基字典矩阵ψ满足ψ＝(ψ1，ψ2，…，ψN)∈RN，ψi≥ψiTX。优选地，所述观测矩阵Φ为正交基不相关矩阵，其中所述观测矩阵Φ满足Φ：M×N。优选地，所述光纤光栅温度传感器的中心波长在所述光纤光栅解调仪的测量范围内。优选地，步骤c中进行K个分量稀疏后的系数向量θ具有K·N个非零系数。优选地，所述光纤光栅温度传感器的栅格密集排布。本专利技术的另一个方面在于提供一种光纤光栅温度测量系统，所述测量系统包括依次通过光纤光栅连接的光源、光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪和信号处理装置，其中所述光源为宽带光源，用于所述光纤光栅温度传感器提供光纤光栅激光信号；所述光纤光栅温度传感器，用于获得待测环境中温度变化引起的光纤光栅信号变化；所述光纤光栅解调仪，用于对所述光纤光栅信号进行F-P滤波解调采集；所述信号处理装置，用于对采集的光纤光栅信号进行处理并重构。优选地，所述光纤光栅温度传感器的栅格密集排布。本专利技术光纤光栅温度测量方法及测量系统，采用相邻栅格密集的光纤光栅传感器对温度进行测量，有效解决温度测量中温度变化大造成的测量数据的增加时出现的频谱混迭，同时有效过滤有噪声信号，实现实际温度的测量的准确性。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示意性示出了本专利技术光纤光栅温度测量方法的流程框图；图2示出了本专利技术光纤光栅温度测量系统的结构示意图。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。下面根据本专利技术通过具体的实施例对本专利技术的内容进行详细的说明，对于反演单一光栅的光谱图仅需要少量离散数据进行高斯非线性拟合，因此在光纤光栅测量过程中采集的离散数据存在大量的无用数据点。本专利技术根据上述的光栅光谱具有稀疏性的特点，提供一种光纤光栅温度测量方法，如图1所示本专利技术光纤光栅温度测量方法的流程框图，具体来说一种基光纤光栅温度测量方法，包括如下步骤：步骤S101、搭建光纤光栅温度测量系统。搭建纤光栅温度测量系统，包括信号处理装置、光纤光栅解调仪、光纤光栅温度传感器、恒温箱以及光源。在步骤S101中，搭建光纤光栅温度测量系统时，将光源、光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪和信号处理器依次通过光纤光栅连接，将光纤光栅传感器粘贴在恒温箱中。其中光纤光栅温度传感器的中心波长应当在所述光纤光栅解调仪的测量范围内，采用的光纤光栅温度传感器的栅格密集排布。优选地，光源选用宽带光源。步骤S102、采集光纤光栅信号。将光纤光栅传感器置于所述恒温箱中，控制恒温箱的温度在某一温度范围内变化，采集光纤光栅随恒温箱温度变化的光纤光栅信号X。在步骤S102中光纤光栅信号X采用F-P滤波解调方式采集。步骤S103、构建正交基字典矩阵，对光纤光栅信号进行稀疏。构建正交基字典矩阵ψ，将所述光纤光栅信号X在所述正交字典矩阵下展开为X＝ψθ，其中正交基字典矩阵ψ满足ψ＝(ψ1，ψ2，…，ψN)∈RN，ψi≥ψiTX；θ＝(θ1，θ2，…，θN)T为展开系数向量，所述系数向量θ进行K个分量稀疏。也就是说，步骤S103对采集到的光纤光栅信号通过构建的正交基字典矩阵展开，借助稀疏系数进行稀疏。通过K个分量稀疏后的系数向量θ具有K·N个非零系数。步骤S104、构建观测矩阵，对光纤光栅信号压缩观测。构建观测矩阵Φ，对光纤光栅信号X执行压缩观测，得到M个线性观测信号Y，其中Y＝ΦX，Y∈RM，RM为实数R上M的阶正交空间向量；观测矩阵Φ为正交基不相关矩阵，观测矩阵Φ满足Φ：M×N。通过对光纤光栅信号X执行压缩观测，得到的M个线性观测信号Y中包含了重构光纤光栅信号X的足够信息。步骤S105、构造信息算子矩阵，求取系数向量重构光纤光栅信号。构造信息算子矩阵A:A＝Φψ，将所述信息算子矩阵A＝Φψ代入步骤e所述的线性观测信号Y中得到Y＝Φψθ＝Aθ，其中所述信息算子矩阵A满足2K个分量线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤光栅温度测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：a、搭建光纤光栅温度测量系统，所述系统包括信号处理装置、光纤光栅解调仪、光纤光栅温度传感器、恒温箱以及光源；b、将光纤光栅传感器置于所述恒温箱中，控制恒温箱的温度在某一温度范围内变化，采集光纤光栅随恒温箱温度变化的光纤光栅信号X；c、构建正交基字典矩阵ψ，将所述光纤光栅信号X在所述正交字典矩阵下展开为X＝ψθ，其中θ＝(θ

【技术特征摘要】
2016.11.02 CN 20161094456731.一种光纤光栅温度测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：a、搭建光纤光栅温度测量系统，所述系统包括信号处理装置、光纤光栅解调仪、光纤光栅温度传感器、恒温箱以及光源；b、将光纤光栅传感器置于所述恒温箱中，控制恒温箱的温度在某一温度范围内变化，采集光纤光栅随恒温箱温度变化的光纤光栅信号X；c、构建正交基字典矩阵ψ，将所述光纤光栅信号X在所述正交字典矩阵下展开为X＝ψθ，其中θ＝(θ1，θ2，…，θN)T为展开系数向量，所述系数向量θ进行K个分量稀疏；d、构建观测矩阵Φ，对光纤光栅信号X执行压缩观测，得到M个线性观测信号Y，其中Y＝ΦX，Y∈RM，RM为实数R上M的阶正交空间向量；e、构造信息算子矩阵A:A＝Φψ，将所述信息算子矩阵A＝Φψ代入步骤e所述的线性观测信号Y中得到Y＝Φψθ＝Aθ，其中所述信息算子矩阵A满足2K个分量线性独立；f、求解非线性优化问题，求取系数向量θ，重构光纤光栅信号X。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤b中光纤光栅信号X采用F-P滤波解调方式采集。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，魏钰柏，刘锋，何巍，闫光，董明利，娄小平，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11