专利名称：波峰寻找方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤光栅数据传输系统，尤其涉及光纤光栅数据传输系统中的高重复 性、稳定性寻找波峰的方法和系统。
背景技术：
近年来，光纤光栅技术在各行各业中的应用越来越广泛，因此对光栅解调仪的需 求也随之扩大。光栅传感器用于感知物体的表面由应力、温度、振动等导致的形变等物理参数，根 据各种物理参数产生光信号(光栅反射波长信号)，其波长信号位移量的变化程度和速度 由物理参数决定。光栅解调仪将光栅传感器产生的光信号转换为电子设备能够识别的电信号，并将 模拟电信号经过A/D采样后转换为数字电信号，所述数字电信号代表了光栅反射波长信号 的位移量。波峰寻找方法分析和处理该数字电信号，获得具有高重复性、高稳定度的光栅解 调结果。已有的各种波峰寻找方法大多采用多项式-高斯公式拟合法指令或者高斯公式 拟合法指令，这种方法一方面需要有足够的内存来存储采集的一个周期的数据，并且所述 指令需要消耗很多的指令周期，不仅影响了波峰寻找的速度，而且限制了光纤光栅数据解 调系统的速度；另一方面多以寻找波峰的峰值点的位置来代表波峰的位置，在实际使用过 程中，由于各种干扰因素的存在会对波峰的局部造成影响，进而会造成峰值点的波动和起 伏，使得对同一波形信号的多次寻峰结果会存在差异，降低了光栅解调仪的重复性和稳定 性。因此，有必要提供一种改进的波峰寻找方法和系统来克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种波峰寻找方法及系统，完成对代表光栅反射波长信号的 位移量的离散数字信号的分析和处理，以获得具有高重复性、高稳定度的光栅解调结果。为了实现上述目的，本发明提供了一种波峰寻找方法，包括如下步骤(1)对光栅反射波形信号进行高速A/D采样，获取一组离散波形数据；(2)根据所述离散波形数据的当前数据和前一数据实时切换系统当前状态，直至 系统当前状态为完成态或错误态，状态转换过程中获取离散波形数据中的有效数据；(3)当系统当前状态为错误态时，放弃当前采样的离散波形数据；(4)当系统当前状态为完成态时，对所述有效数据进行数学期望和分位数计算，获 得波峰位置值。在本发明的一个实施例中，所述步骤(2)具体为当当前采样值不大于阀值时，前一状态是初始态，将系统当前状态设置为是初始态；当当前数据和前一数据均大于采样阀值，且当前数据小于前一数据、前一数据不 等于采样阀值时，将系统当前状态设置为下降态；当当前数据和前一数据均大于阀值，前一状态是下降态，且当前数据大于前一数 据或当前数据等于前一数据时，将系统当前状态设置为错误态；当当前数据和前一数据均大于阀值，当前数据大于前一数据，且前一状态不是下 降态时，将系统当前状态设置为上升态；当当前数据和前一数据均大于阀值，当前数据等于前一数据，且前一状态不是下 降态时，将系统当前状态设置为平稳态；当当前数据小于阀值，前一数据大于阀值，且前一状态不是错误态时，将系统当前 状态设置为完成态，其中，当系统当前状态为下降态、上升态或平稳态时，转入对当前数据的下一数据 的判断，直至当前状态为完成态或错误态。在本发明的另一实施例中，所述步骤(4)具体为对所述有效数据进行数学期望计算，获得数学期望值；选择分位数，对所述有效数据进行分位数计算，获得分位数值；将所述数学期望值和所述分位数值相加平均后得到波峰质心值；取在所述离散波形数据中位于所述波峰质心值左右两侧且与波峰质心值最接近 的两个采样点的横坐标值；取所述两个采样点的横坐标值的中间位置为波峰位置。在本发明的又一实施例中，所述步骤( 还包括在切换系统当前状态过程中，当当前数据大于阀值且前一数据小于阀值时，将波 形开始位置更新为当前数据的横坐标；在切换系统当前状态过程中，当当前数据小于阀值且前一数据大于阀值时，将波 形结束位置更新为当前数据的横坐标。在本发明的再一实施例中，所述方法还包括当波峰位置值不在所述起始位置值与所述结束位置值之间时，根据当前数据的下 一数据判断系统当前状态，直至确定的波峰位置值在起始位置值与结束位置值之间。本发明还提供了一种波峰寻找系统，包括波形数据采集模块，用于对光栅反射波形信号进行高速A/D采样，获取一组离散 波形数据；状态转换模块，用于根据所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数据 和前一数据实时切换系统当前状态，直至系统当前状态为完成态或错误态，状态转换过程 中获取离散波形数据中的有效数据；错误态处理模块，用于当所述状态转换模块转换后的系统当前状态为错误态时， 放弃当前采样的离散波形数据；完成态处理模块，对所述有效数据进行数学期望和分位数计算，获得波峰位置值。在本发明的一个实施例中，所述状态转换模块包括初始态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前采样值不大于阀值时，前一状态是初始态，将系统当前状态设置为是初始态；下降态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数 据和前一数据均大于采样阀值，且当前数据小于前一数据、前一数据不等于采样阀值时，将 系统当前状态设置为下降态；错误态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数 据和前一数据均大于阀值，前一状态是下降态，且当前数据大于前一数据或当前数据等于 前一数据时，将当前状态设置为错误态；上升态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数 据和前一数据均大于阀值，当前数据大于前一数据，且前一状态不是下降态时，将当前状态 设置为上升态；平稳态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数 据和前一数据均大于阀值，当前数据等于前一数据，且前一状态不是下降态时，将当前状态 设置为平稳态；完成态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数 据小于阀值，前一数据大于阀值，且当前状态不是错误态时，将当前状态设置为完成态，其中，当所述下降态确定子模块确定的系统当前状态为下降态、或所述上升态确 定子模块确定的系统状态为上升态，或所述平稳态确定子模块确定的系统状态为平稳态 时，转入对所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数据的下一数据的判断，直 至系统当前状态为完成态或错误态。在本发明的另一实施例中，所述完成态处理模块包括数学期望值计算子模块，用于对所述状态转换模块确定的有效数据进行数学期望 计算，获得数学期望值；分位数值计算子模块，用于选择分位数，并对所述状态转换模块确定的波形数据 进行分位数计算，获得分位数值；波峰质心值获取子模块，用于将所述数学期望值计算子模块确定的数学期望值和 所述分位数值计算子模块确定的分位数值相加平均后得到波峰质心值；波峰位置确定子模块，用于取在离散波形数据中位于所述波峰质心值获取子模块 确定的波峰质心值左右两侧且与波峰质心值最接近的两个采样点的横坐标值；取所述两个 采样点的横坐标值的中间位置为波峰位置。在本发明的又一实施例中，所述系统还包括开始位置值更新模块，用于在所述状态转换模块切换系统当前状态过程中，当当 前数据大于阀值且前一数据小于阀值时，将波形开始位置更新为当前数据的横坐标；结束位置值更新模块，用于在所述状态转换模块切换系统当前状态过程中，当当 前数据小于阀值且前一数据大于阀值时，将波形结束位置更新为当前数据的横坐标。在本发明的再一实施例中，所述系统还包括波峰位置值审核模块，用于判断所述完成态处理模块确定的波峰位置值是否在所 述开始位置值更新模块确定的起始位置值与所述结束位置值更新模块确定的结束位置值 之间，其中，当波峰位置值审核模块判断出波峰位置值不在起始位置值与结束位置值之间时，所述状态转换模块根据当前数据的下一数据判断系统当前状态，直至波峰位置值审 核模块判断所述完成态处理模块确定的波峰位置值在起始位置值与结束位置值之间。与现有技术相比，本发明波峰寻找方法及系统具有如下优点1)状态转换模块将采样数据导入状态转换表，通过系统状态来实时跟踪并确定有 效波形数据，通过系统状态(初始态、上升态、平稳态、下降态、完成态、错误态)的转换，一 方面使系统始终与当前状态同步，因此无需大量存储空间和众多指令周期，能够从采样的 离散数据中快速确定有效波形数据，降低了处理时间且使判断结果具有很高的可靠性。2)通过数学期望值计算子模块和分位数值计算子模块来计算数学期望和分位数 对波形数据进行整体处理，采用波峰质心值获取子模块和波峰位置确定子模块来获得波形 位置，降低了干扰因素对波形的局部影响，具有很强的抗干扰能力和稳定性，能够保证寻峰 结果的稳定性和重复性，适合在高速高精光栅解调仪上应用。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
图1为本发明波峰寻找方法的流程图。图Ia为图1所述波峰寻找方法中系统当前状态转换的流程图。图Ib为图1所述波峰寻找方法中确定波峰位置的流程图。图Ic为图Ia所示当前状态转换的示意图。图2为本发明波峰寻找系统的结构框图。图加为图2所述波峰寻找系统的状态转换模块的结构框图。图2b为图2所述波峰寻找系统的完成态处理模块的结构框图。
具体实施例方式现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。图1为本发明波峰寻找方法的流程图。如图1所示，所述峰寻找方法包括如下步 骤步骤SlO 对光栅反射波形信号进行高速A/D采样，获取一组代表波形信号的离散 波形数据；步骤S20 判断所述离散波形数据中80%以上的数据是否高于采样阀值(所述采 样阀值可以根据实际环境动态地设置，阀值的设置方法是光源发出的光入射光栅传感器， 光栅传感器会反射一个中心波长为布拉格波长的波峰信号，如果光栅传感器所测的物理量 发生了变化，则该波峰信号会相对于其中心波长发生位移，寻峰算法就是要获取波峰的位 移量。波峰的光信号经过光电转换后成为连续的模拟电信号，对该模拟电信号进行前端采 样和放大后，根据所得到的电信号的信噪比的大小，由软件动态计算得到采样阀值。大于采 样阀值的数据认为是有效数据，小于采样阀值的数据认为是无效数据。所述判断步骤是为 了过滤掉系统由于电源，布线等产生的系统干扰)，如果否(即当前数据可以认为是来自外 界的干扰，丢弃当前采样数据，重新进行采样)，转步骤S10，如果是，继续下一步；步骤S30 将所述离散波形数据导入状态转换表，根据所述离散波形数据的当前数据和前一数据实时切换系统当前状态，直至系统当前状态为完成态或错误态，状态转换 过程中获取起始位置值、结束位置值、有效数据、无效数据；步骤S40 判断系统的当前状态为错误态还是完成态，当系统的当前状态为错误 态时(说明先前系统采集到了大于采样阀值的数据，由于种种原因波峰形状出现了畸变， 此时波形确定失败)，转步骤S60，当系统的当前状态为完成态时(波形确定成功)，转步骤 S60 ；步骤S50 放弃当前采样的离散波形数据，转步骤SlO ；步骤S60 根据所述有效数据确定波峰位置值；步骤S70 判断所述波峰位置值是否在所述起始位置值与所述结束位置值之间， 如果是，继续下一步，如果否，转步骤SlO ；步骤S80 系统记录波峰位置值，转入步骤S10。如图Ib，所述步骤S60具体为步骤S801，对所述有效数据进行数学期望计算，获得所述有效数据的数学期望值， 数学期望计算公式为
权利要求
1.一种波峰寻找方法，包括如下步骤(1)对光栅反射波形信号进行高速A/D采样，获取一组离散波形数据；(2)根据所述离散波形数据的当前数据和前一数据实时切换系统当前状态，直至系统 当前状态为完成态或错误态，状态转换过程中获取离散波形数据中的有效数据；(3)当系统当前状态为错误态时，放弃当前采样的离散波形数据；(4)当系统当前状态为完成态时，对所述有效数据进行数学期望和分位数计算，获得波 峰位置值。
2.如权利要求1所述的波峰寻找方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为当当前采样值不大于阀值时，前一状态是初始态，将系统当前状态设置为是初始态； 当当前数据和前一数据均大于采样阀值，且当前数据小于前一数据、前一数据不等于 采样阀值时，将系统当前状态设置为下降态；当当前数据和前一数据均大于阀值，前一状态是下降态，且当前数据大于前一数据或 当前数据等于前一数据时，将系统当前状态设置为错误态；当当前数据和前一数据均大于阀值，当前数据大于前一数据，且前一状态不是下降态 时，将系统当前状态设置为上升态；当当前数据和前一数据均大于阀值，当前数据等于前一数据，且前一状态不是下降态 时，将系统当前状态设置为平稳态；当当前数据小于阀值，前一数据大于阀值，且前一状态不是错误态时，将系统当前状态 设置为完成态，其中，当系统当前状态为下降态、上升态或平稳态时，转入对当前数据的下一数据的判 断，直至当前状态为完成态或错误态。
3.如权利要求1所述的波峰寻找方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为 对所述有效数据进行数学期望计算，获得数学期望值；选择分位数，对所述有效数据进行分位数计算，获得分位数值； 将所述数学期望值和所述分位数值相加平均后得到波峰质心值； 取在所述离散波形数据中位于所述波峰质心值左右两侧且与波峰质心值最接近的两 个采样点的横坐标值；取所述两个采样点的横坐标值的中间位置为波峰位置。
4.如权利要求1所述的波峰寻找方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括在切换系统当前状态过程中，当当前数据大于阀值且前一数据小于阀值时，将波形开 始位置更新为当前数据的横坐标；在切换系统当前状态过程中，当当前数据小于阀值且前一数据大于阀值时，将波形结 束位置更新为当前数据的横坐标。
5.如权利要求4所述的波峰寻找方法，其特征在于，还包括当波峰位置值不在所述起始位置值与所述结束位置值之间时，根据当前数据的下一数 据判断系统当前状态，直至确定的波峰位置值在起始位置值与结束位置值之间。
6.一种波峰寻找方法系统，包括波形数据采集模块，用于对光栅反射波形信号进行高速A/D采样，获取一组离散波形 数据；状态转换模块，用于根据所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数据和前 一数据实时切换系统当前状态，直至系统当前状态为完成态或错误态，状态转换过程中获 取离散波形数据中的有效数据；错误态处理模块，用于当所述状态转换模块转换后的系统当前状态为错误态时，放弃 当前采样的离散波形数据；完成态处理模块，对所述有效数据进行数学期望和分位数计算，获得波峰位置值。
7.如权利要求1所述的波峰寻找方法系统，其特征在于，所述状态转换模块包括初始态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前采样值 不大于阀值时，前一状态是初始态，将系统当前状态设置为是初始态；下降态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数据和 前一数据均大于采样阀值，且当前数据小于前一数据、前一数据不等于采样阀值时，将系统 当前状态设置为下降态；错误态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数据和 前一数据均大于阀值，前一状态是下降态，且当前数据大于前一数据或当前数据等于前一 数据时，将当前状态设置为错误态；上升态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数据和 前一数据均大于阀值，当前数据大于前一数据，且前一状态不是下降态时，将当前状态设置 为上升态；平稳态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数据和 前一数据均大于阀值，当前数据等于前一数据，且前一状态不是下降态时，将当前状态设置 为平稳态；完成态确定子模块，用于当所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数据小 于阀值，前一数据大于阀值，且当前状态不是错误态时，将当前状态设置为完成态，其中，当所述下降态确定子模块确定的系统当前状态为下降态、或所述上升态确定子 模块确定的系统状态为上升态，或所述平稳态确定子模块确定的系统状态为平稳态时，转 入对所述波形数据采集模块获取的离散波形数据的当前数据的下一数据的判断，直至系统 当前状态为完成态或错误态。
8.如权利要求6所述的波峰寻找方法系统，其特征在于，所述完成态处理模块包括 数学期望值计算子模块，用于对所述状态转换模块确定的有效数据进行数学期望计算，获得数学期望值；分位数值计算子模块，用于选择分位数，并对所述状态转换模块确定的波形数据进行 分位数计算，获得分位数值；波峰质心值获取子模块，用于将所述数学期望值计算子模块确定的数学期望值和所述 分位数值计算子模块确定的分位数值相加平均后得到波峰质心值；波峰位置确定子模块，用于取在离散波形数据中位于所述波峰质心值获取子模块确定 的波峰质心值左右两侧且与波峰质心值最接近的两个采样点的横坐标值；取所述两个采样 点的横坐标值的中间位置为波峰位置。
9.如权利要求1所述的波峰寻找方法系统，其特征在于，还包括开始位置值更新模块，用于在所述状态转换模块切换系统当前状态过程中，当当前数据大于阀值且前一数据小于阀值时，将波形开始位置更新为当前数据的横坐标；结束位置值更新模块，用于在所述状态转换模块切换系统当前状态过程中，当当前数 据小于阀值且前一数据大于阀值时，将波形结束位置更新为当前数据的横坐标。
10.如权利要求9所述的波峰寻找方法系统，其特征在于，还包括 波峰位置值审核模块，用于判断所述完成态处理模块确定的波峰位置值是否在所述开 始位置值更新模块确定的起始位置值与所述结束位置值更新模块确定的结束位置值之间， 其中，当波峰位置值审核模块判断出波峰位置值不在起始位置值与结束位置值之间 时，所述状态转换模块根据当前数据的下一数据判断系统当前状态，直至波峰位置值审核 模块判断所述完成态处理模块确定的波峰位置值在起始位置值与结束位置值之间。
全文摘要
本发明公开了一种波峰寻找方法，包括如下步骤(1)对光栅反射波形信号进行高速A/D采样，获取一组离散波形数据；(2)根据离散波形数据的当前数据和前一数据实时切换系统当前状态，直至系统当前状态为完成态或错误态，状态转换过程中获取离散波形数据中的有效数据；(3)当系统当前状态为错误态时，放弃当前采样的离散波形数据；(4)当系统当前状态为完成态时，对有效数据进行数学期望和分位数计算，获得波峰位置值。本方法能完成对代表光栅反射波长信号的位移量的离散数字信号的分析和处理，以获得具有高重复性、高稳定度的光栅解调结果。另外本方法还包括对波峰位置值进行有效审核的步骤。本发明同时公开了一种波峰寻找系统。
文档编号H04B10/08GK102098101SQ20111000057
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者刘泉, 周祖德, 曾阳, 熊涛, 韩屏 申请人:武汉理工大学