基於兩次數據融合技術的分布式光柵溫度測量方法
2023-09-22 09:24:55
專利名稱：基於兩次數據融合技術的分布式光柵溫度測量方法
技術領域：
本發明涉及一種多傳感器測量技術領域，特別涉及一種光柵溫度傳感器測量方法及數據處理技術。
背景技術：
光柵傳感器因其不受電磁幹擾的影響、對腐蝕性環境適應能力強而且便於嵌入被測物體內而廣泛應用於大型建築、煤礦油田等領域。由於光柵便於和光纖相連組成分布式傳感系統，適用於大範圍的環境測量和監控。光柵溫度測量因為光柵的耐熱性能好，以及分布式光柵測量系統便於鋪設而廣泛適用於油管、油罐和天然氣管道的場合。但光柵溫度傳感容易受到交叉敏感的影響，即光柵同時對溫度和應力敏感而使測量數據不準確，傳統的解決方法通過補償來消除交叉敏感的影響，即要從測量結構上對其進行改進，這會導致測量系統結構複雜且成本較高，實用性差。同時光柵傳感網絡化導致測量結構複雜，維護成本高，數據處理困難。尤其在分布式傳感中，交叉敏感導致在光柵溫度測量網絡中各光柵的測量值差別較大，難以得到一個準確的溫度值，而且需要對每個測量單元進行補償，這會導致成本的急劇上升。由於溫度場分布為連續分布，其變化率較小故可以採用數據融合技術對光柵傳感數據進行處理，將數據融合技術融入到光柵溫度測量系統中即可以節省系統成本同時還能消除交叉敏感的影響從而提高測量準確性。數據融合技術是多傳感器測量和傳感器網絡測量領域研究的熱點。總的來說提高傳感測量數據準確度可以用兩種方法實現一是提高傳感器靈敏度；二是採用數據融合技術。由於傳感器易受周圍環境的影響，而高靈敏度傳感器受外界幹擾尤為嚴重，所以目前提高傳感測量數據精度離不開多傳感器數據融合技術。傳感器測量精度由傳感器靈敏度和傳感器抗幹擾能力所決定，而高靈敏度通常導致抗幹擾能力下降，故高靈敏度傳感器通常對使用環境做出限制。目前各國利用數據融合來進行多傳感器測量數據處理，充分利用多個傳感器資源，通過對多傳感器及其觀測數據的合理支配和使用，把多傳感器在空間和時間上冗餘或互補的信息，依據某種算法規則進行組合，以獲得被測對象的一致解釋。目前廣泛使用的用於提高多傳感器測量數據精度的算法包括加權最小二乘算法、加權最小均方誤差算法和Kalman濾波法，其中加權最小二乘算法和加權最小均方誤差算法需要多傳感器測量數據符合正態分布才能達到最優融合效果，而Kalman濾波法融合精度依賴於對測量建立的Kalman濾波模型的精度，而實際的測量環境幹擾眾多難以準確建模，所以Kalman濾波法的通用性差。在實際測量中發現，受幹擾嚴重的傳感器數據往往集中於傳感數據中的最大值和最小值附近，一次數據融合難以達到最優的效果，但如果將這些受幹擾嚴重的數據中幹擾的部分剔除就可以使用加權最小二乘算法、加權最小均方誤差算法和Kalman濾波法來進行數據融合。剔除數據中幹擾的辦法即是剔除最大值和最小值，並對剩餘數據進行數據融合，以得到一個估計值，這時可以用估計值代替原最大值、最小值再進行一次數據融合。綜上所述，以上光柵溫度測量系統存在交叉敏感影響測量精度以及補償法消除交叉敏感會導致系統結構變複雜及成本上升的問題，而直接進行數據融合難以達到最優融合結果。
發明內容
本發明目的是解決現有技術中存在的光柵傳感器易受幹擾而導致測量結果不準確的問題，提供一種基於兩次數據融合技術的分布式光柵溫度測量方法。本發明提供的基於兩次數據融合技術的分布式光柵溫度測量方法的具體步驟是第1、將寬帶光源發出的光信號先後經光隔離器和多級光耦合器後分解成η路光信號，η大於2;第2、上步分解後的η路光信號再分別經過分布式光纖光柵溫度傳感器反射後，各進入一個2X2光耦合器分成兩路完全相同的光信號，其中一路通過斜邊濾波器，另一路不做處理，兩路光信號再同時用光電探測器進行探測，並將光信號轉換為電流信號；第3、對第2步得到的轉換後的電流信號進行調理，將電流信號調整至適合數據採集範圍的電壓信號；第4、對第3步調理後的電信號進行數據採集，將模擬電信號轉換成數位訊號並存儲存儲的數據包括分布式光纖光柵溫度傳感器編號以及對應的數位訊號；第5、第一次數據融合第5. 1、首先將第4步存儲的數據按溫度值大小進行排序，得到一組原始數據，同時記錄溫度最大值和最小值所在的傳感器編號；第5. 2、採用切尾加權數據融合算法對第5. 1步得到的原始數據進行第一次數據融合，然後以融合結果代替所記錄的溫度最大值和最小值所在的傳感器編號對應的溫度測量值，形成一組新的數據；第6、第二次數據融合第6. 1、對第5步經過第一次數據融合後形成的一組新數據，採用加權最小均方誤差進行第二次數據融合，得到最後的融合結果；第6. 2、以第6. 1步得到的融合結果作為系統最終測量值進行輸出。第7、輸出單元顯示溫度。本發明的優點和有益效果本發明提出一種基於二次融合的分布式光柵溫度測量方法，本方法中使用兩次數據融合算法，第一次數據融合主要用來克服交叉敏感導致的測量偏差，第二次數據融合用於處理符合正態分布的測量噪聲，經過兩次數據融合可以提高分布式光柵傳感的測量準確度。該方法不僅適用於分布式光柵溫度測量系統，同樣適用於其他分布式測量系統， 只要傳感數據呈現出明顯的傾向性，即服從偏態分布，該系統和方法都可以用來提高測量的準確度。該發明實現簡單，對系統硬體要求不高，而且當系統中某一路出現故障時可以有效克服這種故障，即系統的魯棒性得到增強。
圖1是本發明系統組成原理圖。圖2是本發明中數據融合部分的流程圖。圖3是本發明的用以分布式光柵溫度傳感測量網絡系統原理圖。圖中，1隔離器，2第一耦合器，3第二耦合器(共兩個21、22)，4第三耦合器(共六個，31至36)，5光纖布拉格光柵FBG (共六個，即FBG第1至FBG第6)，6第四耦合器(共六個，41至46)，7斜邊濾波器(共六個)，8和9光電探測器(共十二個)，10信號調理電路 (共十二個)。下面結合附圖對本發明作進一步的具體說明。但是本發明不限於所給出的例子。
具體實施例方式實施例如圖3所示，以第1路為例說明，本例是在封閉環境內進行測量。一、分布式光柵溫度測量從寬帶光源發出的光經過隔離器1後進入第一耦合器 2，再經過第二耦合器3和第三耦合器4進入光纖布拉格光柵5，在這裡光柵受溫度等因素的影響將一部分光反射回第三耦合器4，這些反射光再經過第四耦合器6分成兩路完全相同的光信號，其中一路通過斜邊濾波器7，另一路不做處理。二、光電探測兩路光信號同時分別用光電探測器8和9進行探測，此時經過斜邊濾波器7的信號經光電探測器9探測後得到電流信號為
權利要求
1. 一種基於兩次數據融合技術的分布式光柵溫度測量方法，其特徵在於該方法的具體步驟是第1、將寬帶光源發出的光信號先後經光隔離器和多級光耦合器後分解成η路光信號， η大於2 ；第2、上步分解後的η路光信號再分別經過分布式光纖光柵溫度傳感器反射後，各進入一個2X2光耦合器分成兩路完全相同的光信號，其中一路通過斜邊濾波器，另一路不做處理，兩路光信號再同時用光電探測器進行探測，並將光信號轉換為電流信號；第3、對第2步得到的轉換後的電流信號進行調理，將電流信號調整至適合數據採集範圍的電壓信號；第4、對第3步調理後的電信號進行數據採集，將模擬電信號轉換成數位訊號並存儲存儲的數據包括分布式光纖光柵溫度傳感器編號以及對應的數位訊號； 第5、第一次數據融合第5. 1、首先將第4步存儲的數據按溫度值大小進行排序，得到一組原始數據，同時記錄溫度最大值和最小值所在的傳感器編號；第5. 2、採用切尾加權數據融合算法對第5. 1步得到的原始數據進行第一次數據融合， 然後以融合結果代替所記錄的溫度最大值和最小值所在的傳感器編號對應的溫度測量值， 形成一組新的數據；第6、第二次數據融合第6. 1、對第5步經過第一次數據融合後形成的一組新數據，採用加權最小均方誤差進行第二次數據融合，得到最後的融合結果；第6. 2、以第6. 1步得到的融合結果作為系統最終測量值進行輸出； 第7、輸出單元顯示溫度。
全文摘要
本發明提供了一種基於兩次數據融合技術的分布式光柵溫度測量方法，該方法由光纖光柵作為溫度測量元件，通過檢測光柵的反射信號來測量溫度值，對測量的溫度值進行模數轉換後進行採樣，然後利用微處理器對採樣到的多路數據先進行一次切尾加權數據融合，剔除交叉敏感等幹擾因素對光柵測量精度的影響，然後利用切尾加權融合結果替代原始數據中的最大值和最小值從而得到一組新的數據，再對新的數據組實施第二次融合加權最小均方誤差融合，最後將融合結果作為最終輸出結果。該發明實現簡單，解決了現有光柵測量中難以消除交叉敏感、測量準確度低的問題，同時提高了測量系統的魯棒性。
文檔編號G01K11/32GK102353475SQ20111027252
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月15日 優先權日2011年9月15日
發明者曹曄, 楊秀峰, 童崢嶸, 袁其平, 馬磊明 申請人:天津理工大學