一种用于模拟光电传输系统的线性度校正方法与流程

一种用于模拟光电传输系统的线性度校正方法，属于电气测量技术领域。

背景技术：

在电气测量领域，要测量的物理量多为位于高压侧的电流、电压量，为了实现高、低压两端的电气隔离，同时提高待测信号在强电磁环境下传输的抗干扰能力，在工程上多使用光纤来进行信号的传输。传统的模拟光电传输系统如图3所示，待传输的电信号在发射端经过电/光转换之后变为光信号，在经过光纤传输之后在接收端经过光/电转换得到待传输的电信号，利用光纤传输信号有两种方式，方式一是在高压侧将待测量就地数字化后，利用光纤将数字信号以光信号的方式传输至低压侧；方式二是利用光强调制方式，将待测物理电信号以模拟光信号的方式传输至低压侧，光强调制方式由于无需在高压侧利用a/d系统进行采样，即能够保留完整待测量的波形信息，因此其可传输信号的频带远远宽于数字化传输方式，这种优势使得模拟光电传输系统可以应用于对频带要求较宽的小电流测量应用、行波测量应用、冲击电压/电流等测量应用，这是数字化传输系统所不能比拟的。由于避免了高压侧a/d系统的采样环节，因此高压侧电路的功耗大大降低，同时解决了高压侧针对a/d系统的取能问题。然而光强调制方式所存在的问题是：使用该方式传输信号要保证高的传输精度，必须建立一个高线性度的电/光、光/电传输系统，即光路传输的线性度很大程度决定了系统测量的精度。

在现有技术中，解决模拟光电传输系统线性度较为成熟的一个方法是：在发射端生成一个已知的参考信号(一般为直流信号)，将该参考信号与待传输的电信号混合后一起进行传输，在接收端再将传输后参考信号和待传输的电信号分离，由于参考信号为已知量，因此可以利用参考信号在传输前后的衰减程度表征待传输电信号的衰减程度，在对接收端分离得到的电信号进行处理(如放大)后还原处发射端的待传输信号。然而经研究发现，这种信号处理方式还存在有如下缺陷：

如图4所示，传统的模拟光电传输系统的输入值uin的电压输入范围(图中的0～uinmax)，每一个输入值uin均对应于一个输出值uout，从而可以得到模拟光电传输系统近似直线的曲线，然而模拟光电传输系统的整个曲线上会存在有多个不满足线性关系的点，如图中a区域的输入值uin-error1～uin-error5。

在实际传输过程中，待传输的电信号与参考信号(分别参照图5中的曲线la、lb)混合并在经过模拟光电传输系统的传输之后，得到衰减后的参考信号和衰减后的待传输信号(分别参照图6中的曲线la’、lb’)。由上述可知，由于本身存在不满足线性关系的点(或/和区域)，因此若待传输电信号的输入值包括不满足线性关系的点，则输出信号中也就包含了经过非线性传输点传输的数据(如图6中b区域)，因此，现有技术中，利用参考信号的衰减程度表征原待传输信号衰减程度的方法，只是从信号衰减程度的角度对待传输信号整体进行了还原(放大)，而并未考虑到由于模拟光电传输系统自身存在的非线性缺陷，最终还原得到的待传输信号在传输过程中实际已经存在了不满足线性关系的点(或/和区域)，因此造成了最终得到的传输精度下降。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种针对模拟光电传输系统自身的非线性缺陷，对经过其非线性区域传输的信号进行补偿，提高了模拟光电传输系统测量精度的用于模拟光电传输系统的线性度校正方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该用于模拟光电传输系统的线性度校正方法，模拟光电传输系统包括由光纤连接的发射端和接收端，在发射端形成参考信号udc参考，参考信号udc参考与待传输的电信号uac混合后得到混合信号uin混合，混合信号uin混合由发射端发送至接收端，在接收端将得到的衰减后的混合信号uout混合，其特征在于：对所述衰减后的混合信号uout混合的线性度，包括如下校正步骤：

步骤1001，建立室温下所述模拟光电传输系统的非线性基本数据表，并得到模拟光电传输系统在室温下的线性传输系数；

步骤1002，在模拟光电传输系统的接收端得到混合信号uout混合之后，对混合信号uout混合进行ad采样，得到信号uout混合的各个离散点；

步骤1003，对混合信号uout混合的各个离散点进行分解，计算出每一个离散点中的衰减后的参考信号u’dc参考；

步骤1004，计算得到当前温度下模拟光电传输系统的线性传输系数；

步骤1005，将当前温度下混合信号uout混合所有离散点的数据换算成室温下相对应的数据uout混合-室温；

步骤1006，将当前温度下混合信uout混合所有的离散点转换为室温下所对应的数据uout混合-室温之后，根据非线性基本数据表查表判断所有的uout混合-室温是否位于模拟光电传输系统的非线性区内，如果位于模拟光电传输系统的非线性区内，执行步骤1007，如果位于模拟光电传输系统的非线性区之外，执行步骤1008；

步骤1007，对当前温度下混合信号uout混合中所有不满足线性关系的离散点进行补偿；

步骤1008，在所有不满足线性度要求的uout混合的离散点完成补偿后，结合所有满足线性度要求的uout混合离散点，得到满足线性度要求的传输系统的混合信号uout混合。

优选的，所述非线性基本数据表的建立流程，包括如下步骤：

步骤1001-1，在室温下，在模拟光电传输系统的电压输入范围内，以固定的电压间距输入若干个不同大小测试点输入电压uin直流，经模拟光电传输系统传输后对应得到测试点输出电压的测试值uout直流，进一步得到每个测试点的(uin直流，uout直流)点，完成所有测试点的测试之后，得到若干组关于输入-输出的数据集合(uin直流1，uout直流1)、(uin直流2，uout直流2)、……、(uin直流n，uout直流n)；

步骤1001-2，利用步骤1001-1中得到的输入-输出的数据集合，对模拟光电传输系统的传输关系进行线性拟合，得到传输系统的传输关系表达式：uout直流＝k室温*uin直流，k室温为模拟光电传输系统在室温下的线性传输系数；

步骤1001-3，根据步骤1001-2中得到的传输关系表达式：uout直流＝k室温*uin直流，将步骤1001-1中的各个测试点输入电压uin直流逐一代入，计算相对应的测试点输出电压的理想值uout理想；

步骤1001-4，找出所有不满足线性关系的测试点；

步骤1001-5，将所有不满足线性关系的测试点所对应的两个电压输出值：测试点输出电压的测试值uout直流和测试点输出电压的理想值uout理想组成的数据集合(uout直流，uout理想)作为模拟光电传输系统的非线性基本数据表。

优选的，在所述的步骤1001-2中，对所述模拟光电传输系统的传输关系进行线性拟合时，拟合的原则是：拟合得到的直线包括尽可能多的测试点。

优选的，在所述的步骤1001-4中，找出所有不满足线性关系的测试点的方法是：逐一比较每一个测试点输入电压uin直流所对应的输出电压的测试值uout直流和理想值uout理想，并设定误差ε，满足不等式|uout直流-uout理想|＞ε的测试点为不满足线性关系的测试点。

优选的，在所述的步骤1004中，所述当前温度下模拟光电传输系统的线性传输系数k当前温度的计算公式为：

k当前温度＝u’dc参考/udc参考

其中：udc参考为当前温度下在发射端形成的参考信号，u’dc参考为当前温度下在接收端得到的衰减后的参考信号，当前温度下的参考信号udc参考需要根据模拟光电传输系统的非线性基本数据表，在模拟光电传输系统的线性区域内选取。

优选的，在步骤1005中，将当前温度下混合信号uout混合所有离散点的数据换算成室温下相对应的数据uout混合-室温的转换公式为：

其中：k当前温度为当前温度下模拟光电传输系统的线性传输系数，k室温为室温下模拟光电传输系统的线性传输系数。

优选的，在步骤1007中，对混合信号uout混合中所有不满足线性关系的离散点进行补偿的方法为：根据非线性基本数据表对混合信号uout混合中不满足线性关系的离散点进行查表，判断在非线性基本数据表中是否存在与混合信号uout混合离散点相对应的数值相同的uout混合-室温的记录，如果存在则将该混合信号uout混合离散点替换为uout混合-室温相对应的uout理想；若在非线性基本数据表中不存在与混合信号uout混合离散点相对应的数值相同的uout混合-室温的记录，则使用与混合信号uout混合离散点相对应的数值相同的uout混合-室温最接近的两个点，利用插值的方法得到其理论上的校正值uout理想，并对该混合信号uout混合离散点进行替换。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本用于模拟光电传输系统的线性度校正方法中，针对模拟光电传输系统自身的非线性缺陷，对经过其非线性区域传输的信号进行补偿，提高了模拟光电传输系统的测量精度。

2、在本用于模拟光电传输系统的线性度校正方法中，针对线性模拟光电系统存在非线性传输区的问题，通过对该光路系统的传输特性进行预测试，找到了非线性传输区所对应的数据点，通过建立一个基本数据表的方法，为系统运行时对非线性数据点的判断提供了参考依据和校正数据。最终提高了该模拟光电传输系统的测量精度。

3、在本用于模拟光电传输系统的线性度校正方法中，非线性数据表虽然是在特定温度(室温)下获得，但运行时该数据表及方法的使用不受温度的限制。可通过把采样数据换算成室温下的对应数据，再对数据进行判断，进而进行校正。

4、在本用于模拟光电传输系统的线性度校正方法的应用时，不受引入额外的光纤耦合、光纤衰减的影响。

5、本用于模拟光电传输系统的线性度校正方法可用于任何存在明显非线性传输区的模拟光电传输系统的精度校正。

附图说明

图1为用于模拟光电传输系统的线性度校正方法流程图。

图2为用于模拟光电传输系统的线性度校正方法非线性基本数据表建立流程图。

图3为现有技术模拟光电传输系统原理方框图。

图4为现有技术模拟光电传输系统输入-输出曲线图。

图5为现有技术模拟光电传输系统发射端混合信号曲线图。

图6为现有技术模拟光电传输系统接收端混合信号曲线图。

具体实施方式

图1～2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～2对本发明做进一步说明。

在本申请的用于模拟光电传输系统的线性度校正方法中，所针对的模拟光电传输系统(以下简称传输系统)本身的传输方法是：在传输系统的发射端生成一个已知的参考信号(一般为直流信号，记为信号udc参考)，并在发射端将信号udc参考与待传输的电信号(记为信号uac)混合后一起生成待传输的混合信号uin混合，混合信号uin混合在经过模拟光电传输系统传输至接收端后得到混合信号uout混合，由于传输之后，混合信号uout混合相对于混合信号uin混合会存在一定程度的衰减，因此在接收端将混合信号uout混合分解后得到衰减后的参考信号(记为信号u’dc参考)和衰减后的待传输信号：信号u’ac。

由于信号udc参考和信号uac在传输过程中的具有相同的衰减程度，因此利用信号udc参考在传输前后的衰减程度表征信号uac的衰减程度，从而通过信号u’dc参考相对于信号udc参考的衰减程度对信号u’ac进行放大，还原出信号uac。

如图1所示，一种用于模拟光电传输系统的线性度校正方法，包括如下步骤：

步骤1001，建立室温下模拟光电传输系统的非线性基本数据表；

具体包括如图2所示的如下步骤：

步骤1001-1，在室温下测量得出模拟光电传输系统的若干组关于输入-输出的数据集合；

在室温下，在该模拟光电传输系统的完整电压输入范围内，以一定的电压间距(如20mv)输入若干个不同大小测试点输入电压：uin直流，得到各自对应的测试点输出电压的测试值：uout直流，从而得到若干个(uin直流，uout直流)点，从而得到若干组关于输入-输出的数据集合(uin直流1，uout直流1)、(uin直流2，uout直流2)、……、(uin直流n，uout直流n)。各个uin直流之间的间隔越小，对系统传输中非线性数据的校正分辨率越高，从而使的系统最终的传输精度就越高。

步骤1001-2，对模拟光电传输系统进行线性拟合；

利用步骤1001-1中得到的各组数据集合(uin直流，uout直流)，对传输系统的传输关系进行线性拟合，得到传输系统的传输关系表达式：uout直流＝k室温*uin直流，k室温为模拟光电传输系统在室温下的线性传输系数。拟合的原则是拟合得到的直线包括尽可能多的测试点从而可以最大程度降低非线性数据的校正工作量。

步骤1001-3，计算模拟光电传输系统数据集合中输出值的理想值；

根据步骤1001-2中得到的传输关系表达式：uout直流＝k室温*uin直流，将步骤1001-1中的各个测试点输入电压逐一代入各个测试点输入电压：uin直流，计算相对应的测试点输出电压的理想值：uout理想。

步骤1001-4，找出所有不满足线性关系的测试点；

逐一比较每一个测试点输入电压uin直流所对应的输出电压的测试值uout直流和理想值uout理想，并设定误差ε，满足不等式|uout直流-uout理想|＞ε的测试点为不满足线性关系的测试点。

步骤1001-5，得到室温下模拟光电传输系统的非线性基本数据表；

找出并记录各个线性度不合格点uout直流所对应的理论上的理想信号uout理想，并作为一组非线性基本数据(uout直流，uout理想)，所有(uout直流，uout理想)即构成了本传输系统的非线性基本数据表。由于这些点是在室温下测得，记做(uout直流-室温，uout理想)。

步骤1002，对模拟光电传输系统的输出信号进行采样；

在传输系统的接收端输出信号(混合信号uout混合)之后，对混合信号uout混合进行ad采样，得到信号uout混合的各个离散点；

步骤1003，得到模拟光电传输系统输出信号中的参考信号；

使用fft算法计算出混合信号uout混合各个离散点中的直流量(衰减后的参考信号)u’dc参考。

步骤1004，计算出当前温度下模拟光电传输系统的线性传输系数；

由于通过步骤1001得到了本传输系统的非线性基本数据表，因此在通过本传输系统进行信号传输前，选择参考信号udc参考时，需要在本传输系统的线性区域内选取，因此参考信号udc参考以及参考信号udc参考在经过传输系统传输后得到衰减后的参考信号u’dc参考所对应的数据(udc参考，u’dc参考)位于传输系统中的线性区。

由于(udc参考，u’dc参考)点位于传输关系中的线性区，因此无论系统处于什么温度，(udc参考，u’dc参考)仍然位于当前温度下的线性传输区内，因此可直接根据(udc参考，u’dc参考)算出当前温度下传输系统的线性传输系数k当前温度，即k当前温度＝u’dc参考/udc参考。

步骤1005，将当前温度下模拟光电传输系统输出的信号转换为室温下的数值；

将传输系统室温下和温度下理想线性传输系数的比值即为α，即；当当前温度不是室温时(k当前温度≠k室温)，可以通过算出两者的变化倍数将当前温度下uout混合所有离散点的数据换算成室温下相对应的数据uout混合-室温，即：

步骤1006，判断当前温度下模拟光电传输系统的输出信号是否位于线性区；

将当前温度下所有uout混合的离散点转换为室温下的数据uout混合-室温之后，根据非线性基本数据表查表判断所有的uout混合-室温是否位于本传输系统的非线性区，如果位于本传输系统的非线性区内，执行步骤1007，如果位于本传输系统的非线性区之外，执行步骤1008。

在对非线性基本数据表(uout直流-室温，uout理想)查表的过程中，由于模拟光电系统是一个近似理想的线性系统，各uout直流点一定是随着uin直流点的增大而线性或近似线性增大，因此即使各非线性传输点偏大/偏小脱离理想线性关系的曲线，这些非理想的uout直流点所占据的大小区间也是一定的，也就是说，这些点的偏离程度不会导致其与某些在线性关系曲线上的点拥有同样的uout直流纵坐标，因此不会出现误判的情况。所以通过查看uout混合-室温的大小是否在非线性区间对应的uout直流纵坐标范围内就可简单的完成判断。

步骤1007，对当前温度下不满足线性关系的输出信号进行补偿；

在对不满足线性关系的uout混合所对应的uout混合-室温进行补偿时，若在非线性基本数据表中存在有数值相同的uout混合-室温的记录，则将其自身替换为相对应的uout理想；若在非线性基本数据表中不存在有数值相同的uout混合-室温的记录，则可以使用与其最接近的两个点插值的方法得到其理论上的校正值uout理想。

步骤1008，得到满足线性度要求的输出信号；

在得到所有满足线性度要求的uout混合的离散点以及对所有不满足线性度要求的uout混合的离散点完成补偿后，得到传输系统的输出信号uout混合所有满足线性关系的离散点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。