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1. WO2020107222 - CAPTEUR DE FIBRE OPTIQUE, ET PROCÉDÉ DE CALCUL ET D'ANALYSE DE VALEUR DE PERTE D'INTENSITÉ DE LUMIÈRE ET APPAREIL ASSOCIÉ

Document

说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

附图

1   2   3   4   5  

说明书

发明名称 : 光纤传感器及其光强损耗值计算分析方法和装置

技术领域

[0001]
本发明属于光电领域,尤其涉及一种光纤传感器及其光强损耗值计算分析方法和装置。

背景技术

[0002]
光纤传感器是将被测参量转换为可测光信号参数变化(强度、相位、偏振态、频率、波长等)的装置。光纤传感器按光波在光纤中被调制的原理可以分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。其中,光强调制型的光纤传感器具有结构简单、成本低、动态范围大、频率响应快等优点,在各领域具有广泛的应用,在生理信息检测领域也显现出巨大潜力,例如用于检测脉搏、呼吸、体动信息等。
[0003]
光强调制型的光纤传感器将来自光源的光经过光纤送入调制模块,使被测参量与进入调制模块的光相互作用后,导致光的强度发生变化,再送入光电转换模块形成光电信号,再经过模数转换模块得到数字采样信号,用于后续的数字信号处理和模式识别等算法分析。在很多应用场景中,被测参量的动态范围非常大,导致被调制的光的变化范围也很大,差异可达数十dB,往往超出光电转换模块或模数转换模块的线性范围。为了克服这个问题,需要动态调节光源的强度,或者在模数转换前调节光电信号的增益。例如,当检测到数字采样信号过低时,可以将输入的光强调大或将增益调大;当数字采样信号接近饱和时,将输入的光强调小或将增益调小。
[0004]
在进行动态入射光强调整或光电信号增益调整的过程中,输出数字采样信号同时受到被测参量、光强调节信号、增益调节信号的影响,不能独立反映被测参量及其变化情况。因此,现有技术中大多通过将数字采样信号、光强调节信号、增益调节信号进行多维信号处理,以拟算出待测参数变化而引起的光损耗变化,最后通过光损耗变化分析待测对象变化或状态。然而,上述数字采样 信号、光强调节信号、增益调节信号并不是相互独立的,通过多维信号处理以拟算出光损耗,不单导致了信息冗余,还增加后续算法分析信号的复杂度。

技术问题

[0005]
本发明的目的在于提供一种光纤传感器及其光强损耗值计算分析方法、装置、计算机可读存储介质,旨在解决将数字采样信号、光强调节信号、增益调节信号进行多维信号处理拟算光损耗而导致了信息冗余,增加了算法复杂度的问题。

技术解决方案

[0006]
第一方面,本发明提供了一种光纤传感器的光强损耗值计算分析方法,所述方法包括:
[0007]
获取增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系;
[0008]
根据增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系计算光纤中的光强损耗值。
[0009]
第二方面,本发明提供了一种光纤传感器的光强损耗值计算分析装置,所述装置包括:
[0010]
获取模块,用于获取增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系;
[0011]
计算模块,用于根据增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系计算光纤中的光强损耗值。
[0012]
第三方面,本发明提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的光纤传感器的光强损耗值的计算分析方法的步骤。
[0013]
第四方面,本发明提供了一种光纤传感器,包括:一个或多个处理器、存储器、以及一个或多个计算机程序,其中所述处理器和所述存储器电连接,所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中,并且被配置成由所述一个或多个处理器执行,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的光纤传感器 的光强损耗值计算分析方法的步骤。

有益效果

[0014]
在本发明中,由于通过获取增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系,计算光纤中的光强损耗值,然后根据光强损耗值对待测参量进行分析。即将数字采样信号、光强调节信号、增益调节信号综合成一个光纤中的光强损耗值,光纤中的光强损耗值包含了待测参量的全部信息,直接、全面地反映了待测参量及其变化,后续信号处理与模式识别等算法分析时,不需要涉及光强调节信号与增益调节信号,降低了算法设计的复杂度,同时解除了算法分析与光强调节、增益调节的耦合,改变光强调节与增益调节的硬件或软件方法时,仅需要重新调整光强衰减信号的合成模型,而不需要变更后续的算法设计。

附图说明

[0015]
图1是本发明实施例一提供的光纤传感器的光强损耗值的计算分析方法的流程图。
[0016]
图2是本发明实施例一中,不同接收的光电信号强度下的增益值与采样值的关系曲线示意图。
[0017]
图3是本发明实施例一中,不同光强调节信号的值与接收光强的关系曲线示意图。
[0018]
图4是本发明实施例二提供的光纤传感器的光强损耗值的计算分析装置的功能模块框图。
[0019]
图5是本发明实施例四提供的光纤传感器的具体结构框图。

本发明的实施方式

[0020]
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0021]
为了说明本发明所述的技术方案,下面通过具体实施例来进行说明。
[0022]
实施例一:
[0023]
请参阅图1,本发明实施例一提供的光纤传感器的光强损耗值计算分析方法包括以下步骤:需注意的是,若有实质上相同的结果,本发明的光纤传感器的光强损耗值计算分析方法并不以图1所示的流程顺序为限。
[0024]
S101、获取增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系。
[0025]
在本发明实施例一中,所述增益调节信号的特性关系是指在预设的光电信号强度条件下,模数转换后的数字采样信号的采样值与增益调节信号的对应关系。
[0026]
所述光强调节信号的特性关系是指光强调节信号与光源光强的对应关系。
[0027]
所述增益调节信号的特性关系可以从增益调整模块与模数转换模块的技术文档中获取,或者通过测试得到。通常不同光纤传感器的增益调节信号的特性关系具有差异性,因此对于不同光纤传感器应当建立各自的增益调节信号的特性关系。
[0028]
在本发明实施例一中,通过测试得到所述增益调节信号的特性关系可以包括以下步骤:
[0029]
S1011、建立数字采样信号的采样值与增益调节信号、接收的光电信号的关系模型。
[0030]
根据理论和实验研究,数字采样信号的采样值与增益调节信号的增益值一般呈线性关系,因此可以建立以下近似的关系模型
[0031]
s=L*(g–C1)+C2 (公式1)
[0032]
其中L表示接收的光电信号强度,g为增益调节信号的增益值,s为数字采样信号的采样值。C1和C2为关系模型的未知参数,可以通过函数拟合得到。接收的光电信号强度L是接收光强的函数,与光电转换模块的特性相关,在实际应用中不需要其具体表达式,可以用L直接表示接收光强的值。
[0033]
S1012、通过函数拟合得到所述关系模型的未知参数的值。
[0034]
固定光纤传感器的输入光强及待测参量,使接收的光电信号强度L保持恒 定值。改变增益调节信号的增益值g,记录对应的数字采样信号的采样值s。得到N组对应的增益值与采样值{[g1,s1],[g2,s2],[gi,si],…,[gN,sN]},其中gi为第i次记录的增益值,si为第i次记录的采样值。将这些点绘制在坐标轴中,得到一条近似直线。调整接收的光电信号强度L,重复上述过程,可得到不同接收的光电信号强度L下的增益值与采样值的关系曲线,各条曲线交点的坐标即为所述关系模型的未知参数的值(C1,C2)。如图2所示。
[0035]
S1013、根据得到的所述关系模型的未知参数的值,生成接收的光电信号强度的计算函数。
[0036]
在本发明实施例一中,接收的光电信号强度的计算函数具体为L=(s–C2)/(g–C1),该接收的光电信号强度值与光电信号呈单调、连续的函数关系,能全面地反映接收的光电信号强度及其变化。
[0037]
在本发明实施例一中,所述光强调节信号的特性关系可以从光强调整模块的相关技术文档中获取,或者通过测试得到。通常不同光纤传感器的光强调节信号的特性关系具有差异性,因此对于不同光纤传感器应当建立各自的光强调节信号的特性关系。
[0038]
在本发明实施例一中,通过测试得到所述光强调节信号的特性关系可以包括以下步骤:
[0039]
S1014、建立接收光强、入射光强与光强调节信号的关系模型。
[0040]
根据理论和实验研究,接收光强、入射光强的关系为:L=(1–k)*L0。其中L为接收光强,L0为入射光强,k表示光纤中的光强损耗值,是待测参量的函数,可以直接反映待测参量及其变化。
[0041]
入射光强与光强调节信号的关系一般为非线性函数。结合公式1,可以建立如下关系模型:
[0042]
L=(1–k)*fe(E) (公式2)
[0043]
其中E为光强调节信号,fe为入射光强与光强调节信号的特性关系。
[0044]
S1015、根据所述关系模型确定入射光强与光强调节信号的特性关系。
[0045]
在光纤传感器空载的条件下,设定光纤中衰减为0,此时,对不同光强调节信号的值E,测量接收光强L。代入公式2,即可通过函数拟合得到fe。如图3所示为不同光强调节信号的值与接收光强的关系曲线示意图。
[0046]
S102、根据增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系计算光纤中的光强损耗值。
[0047]
在本发明实施例一中,S102具体为:
[0048]
结合公式(1)s=L*(g–C1)+C2和公式(2)L=(1–k)*fe(E)可得:k=1–(s–C2)/((g–C1)*fe(E))(公式3),假设在光纤传感器空载的情况下,光纤中光强的损耗为0。当外界待测参量变化时,调整光源的强度(即入射光强)或者调整光电信号的增益,使光电转换模块与模数转换模块处在线性范围内,此时根据光强调节信号的值E、增益调节信号的增益值g和数字采样信号的采样值s,代入公式3即可计算出光纤中的光强损耗值。该光强损耗值完备地反映了待测参量与光纤的作用,改变光强调节信号或增益调节信号的大小,算得的光强值将不受影响,仅与被测参量相关。
[0049]
实施例二:
[0050]
请参阅图4,本发明实施例二提供的光纤传感器的光强损耗值的计算分析装置包括:
[0051]
获取模块11,用于获取增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系;
[0052]
计算模块12,用于根据增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系计算光纤中的光强损耗值。
[0053]
本发明实施例二提供的光纤传感器的光强损耗值计算分析装置及本发明实施例一提供的光纤传感器的光强损耗值计算分析方法属于同一构思,其具体实现过程详见说明书全文,此处不再赘述。
[0054]
实施例三:
[0055]
本发明实施例三提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例一提供的光纤传感器的光强损耗值的计算分析方法的步骤。
[0056]
实施例四:
[0057]
图5示出了本发明实施例四提供的光纤传感器的具体结构框图,一种光纤传感器100包括:一个或多个处理器101、存储器102、以及一个或多个计算机程序,其中所述处理器101和所述存储器102电连接,所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器102中,并且被配置成由所述一个或多个处理器101执行,所述处理器101执行所述计算机程序时实现如本发明实施例一提供的光纤传感器的光强损耗值计算分析方法的步骤。
[0058]
本发明实施例四提供的光纤传感器还包括依次电连接的光源、调制模块、光电转换模块和模数转换模块,还包括分别与处理器和模数转换模块电连接的增益调整模块,分别与处理器和光源电连接的光强调整模块,模数转换模块的输出端还分别与处理器、增益调整模块和光强调整模块的输入端连接。
[0059]
在本发明中,由于通过获取增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系,计算光纤中的光强损耗值,然后根据光强损耗值对待测参量进行分析。即将数字采样信号、光强调节信号、增益调节信号综合成一个光纤中的光强损耗值,光纤中的光强损耗值包含了待测参量的全部信息,直接、全面地反映了待测参量及其变化,后续信号处理与模式识别等算法分析时,不需要涉及光强调节信号与增益调节信号,降低了算法设计的复杂度,同时解除了算法分析分别与光强调节、增益调节的耦合,改变光强调节与增益调节的硬件或软件方法时,仅需要重新调整光强衰减信号的合成模型,而不需要变更后续的算法设计。
[0060]
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序可以存储于一计算机可读存储介质中,存储介质可以包括:只读存储器(ROM,Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM,Random Access Memory)、磁盘或光盘等。
[0061]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求书

[权利要求 1]
一种光纤传感器的光强损耗值计算分析方法,其特征在于,所述方法包括: 获取增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系; 根据增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系计算光纤中的光强损耗值。
[权利要求 2]
如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述增益调节信号的特性关系是指在预设的光电信号强度条件下,模数转换后的数字采样信号的采样值与增益调节信号的对应关系; 所述光强调节信号的特性关系是指光强调节信号与光源光强的对应关系。
[权利要求 3]
如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述增益调节信号的特性关系从增益调整模块与模数转换模块的技术文档中获取,或者通过测试得到; 所述光强调节信号的特性关系从光强调整模块的相关技术文档中获取,或者通过测试得到。
[权利要求 4]
如权利要求3所述的方法,其特征在于,通过测试得到所述增益调节信号的特性关系包括: 建立数字采样信号的采样值与增益调节信号、接收的光电信号的关系模型; 通过函数拟合得到所述关系模型的未知参数的值; 根据得到的所述关系模型的未知参数的值,生成接收的光电信号强度的计算函数。
[权利要求 5]
如权利要求4所述的方法,其特征在于,通过测试得到所述光强调节信号的特性关系包括: 建立接收光强、入射光强与光强调节信号的关系模型; 根据所述关系模型确定入射光强与光强调节信号的特性关系。
[权利要求 6]
如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述建立数字采样信号的采样值与增益调节信号、接收的光电信号的关系模型具体为: 建立以下近似的关系模型 s=L*(g–C1)+C2 (公式1) 其中L表示接收的光电信号强度,g为增益调节信号的增益值,s为数字采样信号的采样值,C1和C2为关系模型的未知参数; 所述通过函数拟合得到所述关系模型的未知参数的值具体包括: 固定光纤传感器的输入光强及待测参量,使接收的光电信号强度L保持恒定值; 改变增益调节信号的增益值g,记录对应的数字采样信号的采样值s,得到N组对应的增益值与采样值{[g1,s1],[g2,s2],[gi,si],…,[gN,sN]},其中gi为第i次记录的增益值,si为第i次记录的采样值,将这些点绘制在坐标轴中,得到一条近似直线; 调整接收的光电信号强度L,重复上述过程,得到不同接收的光电信号强度L下的增益值与采样值的关系曲线,各条曲线交点的坐标即为所述关系模型的未知参数的值C1和C2; 所述根据得到的所述关系模型的未知参数的值,生成接收的光电信号强度的计算函数具体为: 接收的光电信号强度L是接收光强的函数,与光电转换模块的特性相关,接收的光电信号强度的计算函数具体为L=(s–C2)/(g–C1)。
[权利要求 7]
如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述建立接收光强、入射光强与光强调节信号的关系模型具体为: 建立如下关系模型: L=(1–k)*fe(E) (公式2) 其中,L为接收光强,k表示光纤中的光强损耗值,E为光强调节信号,fe为入射光强与光强调节信号的特性关系; 所述根据所述关系模型确定入射光强与光强调节信号的特性关系具体包括: 在光纤传感器空载的条件下,设定光纤中衰减为0,此时,对不同光强调节信号的值E,测量接收光强L; 将接收光强L代入公式2,即可通过函数拟合得到fe。
[权利要求 8]
如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述根据增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系计算光纤中的光强损耗值具体为: 结合公式(1)和公式(2)得到: k=1–(s–C2)/((g–C1)*fe(E)) (公式3) 假设在光纤传感器空载的情况下,光纤中光强的损耗为0;当外界待测参量变化时,调整光源的强度(即入射光强)或者调整光电信号的增益,使光电转换模块与模数转换模块处在线性范围内,此时根据光强调节信号的值E、增益调节信号的增益值g和数字采样信号的采样值s,代入公式3即可计算出光纤中的光强损耗值。
[权利要求 9]
一种光纤传感器的光损耗值计算分析装置,其特征在于,所述装置包括: 获取模块,用于获取增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系; 计算模块,用于根据增益调节信号的特性关系和光强调节信号的特性关系计算光纤中的光强损耗值。
[权利要求 10]
一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的光纤传感器的光强损耗值计算分析方法的步骤。
[权利要求 11]
一种光纤传感器,其特征在于,包括:一个或多个处理器、存储器、以及一个或多个计算机程序,其中所述处理器和所述存储器电连接,所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中,并且被配置成由所述一个或多个处理器执行,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的光纤传感器的光损耗值的计算分析方法的步骤。
[权利要求 12]
如权利要求11所述的光纤传感器,其特征在于,所述光纤传感器还包括依次电连接的光源、调制模块、光电转换模块和模数转换模块,还包括分别与处理器和模数转换模块电连接的增益调整模块,分别与处理器和光源电连接的光强调整模块,模数转换模块的输出端还分别与处理器、增益调整模块和光强调整模块的输入端连接。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]