一種白光幹涉傳感器解調信號處理方法

2023-06-10 06:54:26 1

一種白光幹涉傳感器解調信號處理方法
【專利摘要】本發明屬於信號處理領域，特別是涉及一種白光幹涉傳感器解調信號處理方法。本發明採取的方案為：對於白光幹涉原理的光學傳感器，把CCD讀取的含有白光幹涉條紋的原始信號用差值處理方式去除幹涉信號中的基底噪聲，再利用自適應濾波器去除白光幹涉信號中的環境噪聲。最後，從去噪後的信號中提取出幹涉條紋，根據幹涉條紋的分布確定傳感器的位移量。本發明有效解決了從CCD中讀取的白光幹涉信號噪聲大，幹涉條紋不易提取，且既有高頻噪聲又有低頻噪聲，不易進行處理的問題。從而保證了利用白光幹涉條紋計算光傳感器的位移量。
【專利說明】 一種白光幹涉傳感器解調信號處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於信號處理領域，特別是涉及一種白光幹涉傳感器解調信號處理方法。【背景技術】
[0002]白光幹涉型位移傳感器是光位移傳感器研製領域的一個重要分支。國外早在上世紀90年代開展了白光幹涉型位移傳感器研究。ATK Aerospace公司的Thiokol Propulsion噴氣推進部分在火箭發動機上已經驗證了使用楔形介質膜的白光幹涉型線位移傳感器，並得到了滿意的結果，美國Davidson公司也正在NAVY的先進戰艦SC-21上試驗了這種新型的傳感器。
[0003]白光幹涉信號解調是白光幹涉型位移傳感器的重要組成部分。採用光楔為解調器件的白光幹涉信號光楔解調系統其最大特點是沒有運動部件，從理論上講具有很好的長期可靠性，另外，由於該解調系統不需要昂貴的寬帶光源和光譜接收器件，成本非常低，將是今後白光幹涉解調的發展方向。白光幹涉信號經過光楔解調系統後被CCD接收，CCD接收到的光信號包括幹涉信號和背景噪聲，通常情況下傳感器有用信號會被淹沒在噪音中，如何將有用的幹涉信號從噪聲中濾出，是本發明的主要內容。

【發明內容】

[0004]本發明的目的:提出一種能自適應的對光學傳感器的白光幹涉傳感器解調信號處理辦法。
[0005]本發明採取的技術方案為:一種白光幹涉傳感器解調信號處理方法，包括以下步驟:
[0006]步驟一、數據採集:讀取光學傳感器CCD原始採樣數據；
[0007]步驟二、差值計算:將包含白光幹涉條紋的採樣數據I (t)減去未包含白光幹涉條紋的採樣數據I (to)，從而得到去除了基底噪聲後的採樣數據D (t)；
[0008]步驟三、對濾波器的截止頻率下限ω P及截止頻率上限ω s進行參數選取:ωρ從O?15 /16之間逐漸變化，由於COs=COp+Ji/16,則cos從Ji/16?π之間隨之逐漸變化，同時用該截止頻率構造的濾波器濾波得到的結果進行統計，得出白光幹涉條紋積分能量最大值時對應的ωρ和cos ;
[0009]步驟四、濾波處理:利用步驟三得到的濾波器參數ωρ和《S，對去除了基底噪聲後的採樣數據D(t)進行濾波處理，採樣數據D(t)與濾波器FilteHcop，ω s)進行卷積運算得到 F(t) , F(t)=D(t)*Filter(cop, ω s)；
[0010]步驟五、信號提取:遍歷濾波處理後的信號F(t)，找出其中絕對值最大點對應的CCD位置；
[0011]步驟六:位移映射:根據映射關係，得到傳感器的位移量。
[0012]優選地，步驟四採用巴特沃茨濾波器進行卷積運算。
[0013]本發明具有的優點和有益效果:本發明有效解決了從CCD中讀取的白光幹涉信號噪聲大，幹涉條紋不易提取，且既有高頻噪聲又有低頻噪聲，不易進行處理的問題。從而保證了利用白光幹涉條紋計算光傳感器的位移量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是光學傳感器幹涉信號處理實驗平臺示意圖；
[0015]圖2是白光幹涉傳感器解調信號處理流程圖；
[0016]圖3是包含噪聲的白光幹涉信號示意圖；
[0017]圖4是差值處理後的白光幹涉信號示意圖；
[0018]圖5是自適應濾波後的白光幹涉條紋示意圖。
[0019]其中，1:傳感器幹涉信號，2:光纖,3:擴束透鏡,4:柱透鏡,5:光楔,6:(XD感光器件；
【具體實施方式】
[0020]對於白光幹涉原理的光學傳感器，把CCD讀取的含有白光幹涉條紋的原始信號用差值處理方式，去除幹涉信號中的基底噪聲。隨後，利用本發明提出的自適應濾波器，根據白光幹涉信號的特徵，計算濾波器的截止頻率參數，用構造好的濾波器去除白光幹涉信號中的環境噪聲。最後，從去噪後的信號中提取出幹涉條紋，根據幹涉條紋的分布確定傳感器的位移量。
[0021]本發明對白光幹涉傳感器解調信號進行處理。首先將含有幹涉條紋的採樣信號減去上一時刻未含有幹涉條紋的採樣信號，從而消除CCD讀取的原始信號中的基底噪聲。然後根據所得到的信號的特點進行計算，得到自適應調整濾波器的參數，進行濾波處理，進一步消除掉CCD信號中的環境噪聲。將白光幹涉條紋很好的從CCD源信號中提取出來。從而解決了從CCD中讀取的白光幹涉信號噪聲大，且既有高頻噪聲又有低頻噪聲，不易進行處理的問題。從而保證了利用白光幹涉條紋計算光傳感器的位移量。
[0022]下面結合附圖對本發明做詳細說明，本發明的光學傳感器幹涉信號處理實驗平臺如圖1所示，光學傳感器的幹涉信號從光纖中發出，到達擴束透鏡的表面。經過透鏡折射後，光信號穿過柱透鏡。通過柱透鏡後，光信號照射在光楔上。經過光楔的反射，白光解調信號照射在CCD表面。CCD採集的信號由計算機收集並存儲下來。
[0023]一種白光幹涉傳感器解調信號處理方法，包括以下步驟:
[0024]步驟一、數據採集:利用光學傳感器幹涉信號處理實驗平臺讀取光學傳感器CCD原始採樣數據，數據以數值的形式存儲在計算機中；
[0025]步驟二、差值計算:將沒有幹涉條紋時的CCD採樣信號存儲在計算機中，用I(t0)表示此時的信號。在信號源加載幹涉條紋之後，再次記錄C⑶感光後的採樣信號，用I(t)表示此時的信號。隨後，用包含白光幹涉條紋的採樣數據I(t)減去未包含白光幹涉條紋的採樣數據I (to)，從而得到去除了基底噪聲後的採樣數據D (t)；
[0026]D (t) =I ⑴-1 (tO)；
[0027]步驟三、對濾波器的截止頻率下限ω P及截止頻率上限ω s進行參數選取:ωρ從O?15 /16之間逐漸變化，由於COs=COp+Ji/16,則cos從Ji/16?π之間隨之逐漸變化，同時用該截止頻率構造的濾波器濾波得到的結果進行統計。對於每次濾波處理後的信號進行積分運算，記錄下白光幹涉條紋積分能量值最大時對應的ωρ和《S，作為構造濾波器的截止頻率下限和截止頻率上限；
[0028]步驟四、濾波處理:利用步驟三得到的濾波器參數ωρ和《S，對去除了基底噪聲後的採樣數據D(t)進行濾波處理，採樣數據D(t)與濾波器FilteHcop，ω s)都是一維數據矩陣，進行卷積運算得到F(t), F(t)=D(t)*Filter(cop, ω s)；
[0029]步驟五、信號提取:遍歷濾波處理後的信號F(t)，找出其中絕對值最大點對應的CCD位置；
[0030]步驟六:位移映射:根據映射關係，得到傳感器的位移量。
[0031]實例
[0032]以某一具體事例為例，對本發明做進一步詳細描述。
[0033]步驟一、數據採集:光學傳感器幹涉信號處理實驗平臺如圖1所示，光學傳感器的幹涉信號從光纖中發出，到達擴束透鏡的表面。經過透鏡折射後，光信號穿過柱透鏡。通過柱透鏡後，光信號照射在光楔上。經過光楔的反射，白光解調信號照射在(XD表面。(XD米集的信號由計算機收集並存儲下來，在計算機上顯示的結果如圖3所示；
[0034]步驟二、差值計算:將沒有幹涉條紋時的CCD採樣信號存儲在計算機中，用I(t0)表示此時的信號。在信號源加載幹涉條紋之後，再次記錄C⑶感光後的採樣信號，用I(t)表示此時的信號。隨後，用包含白光幹涉條紋的採樣數據I(t)減去未包含白光幹涉條紋的採樣數據I (to)，從而得到去除了基底噪聲後的採樣數據D (t)，得到的結果如圖4所示，計算公式如下；
[0035]D(t)=I (t)-1 (tO)；
[0036]步驟三、對濾波器的截止頻率下限ω P及截止頻率上限ω s進行參數選取:ωρ從O?15 /16之間逐漸變化，由於COs=COp+Ji/16,則cos從Ji/16?π之間隨之逐漸變化，同時用該截止頻率構造的濾波器濾波得到的結果進行統計，得出白光幹涉條紋積分能量最大值時對應的ωρ和cos,此時的ωρ=5π/16,而cos=6:n/16;
[0037]步驟四、濾波處理:利用步驟三得到的濾波器參數ωρ=5 31 /16和ω s=6 Ji /16，對去除了基底噪聲後的採樣數據D(t)進行濾波處理，濾波器為巴特沃茨濾波器。採樣數據D(t)與濾波器 Filter (ωρ, ω s)進行卷積運算得到 F (t), F (t) =D (t) *Filter (ω p, ω s),如圖5所示；
[0038]步驟五、信號提取:遍歷濾波處理後的信號F(t)，找出其中絕對值最大點對應的(XD位置為第1476個像素點；
[0039]步驟六:位移映射:根據映射關係，得到傳感器的位移量。
【權利要求】
1.一種白光幹涉傳感器解調信號處理方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟一、數據採集:讀取光學傳感器CCD原始採樣數據； 步驟二、差值計算:將包含白光幹涉條紋的採樣數據I (t)減去未包含白光幹涉條紋的採樣數據I (tO)，從而得到去除了基底噪聲後的採樣數據D (t)； 步驟三、對濾波器的截止頻率下限ωP及截止頻率上限ω s進行參數選取:ωρ從O?15 /16之間逐漸變化，由於ω s=cop+Ji/16,則cos從Ji/16?π之間隨之逐漸變化，同時用該截止頻率構造的濾波器濾波得到的結果進行統計，得出白光幹涉條紋積分能量最大值時對應的ωρ和cos ; 步驟四、濾波處理:利用步驟三得到的濾波器參數ωρ和《S，對去除了基底噪聲後的採樣數據D(t)進行濾波處理，採樣數據D(t)與濾波器Filter (ωρ，ω s)進行卷積運算得到 F(t), F(t) =D(t)*Filter(ωp, cos)； 步驟五、信號提取:遍歷濾波處理後的信號F (t)，找出其中絕對值最大點對應的CCD位置； 步驟六:位移映射:根據映射關係，得到傳感器的位移量。
2.根據權利要求1所述的白光幹涉傳感器解調信號處理方法，其特徵在於，步驟四採用巴特沃茨濾波器進行卷積運算。
【文檔編號】G01B11/02GK103808268SQ201210452137
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月12日 優先權日:2012年11月12日
【發明者】惠苗, 鄭普超, 王東輝, 李珍 申請人:中國航空工業第六一八研究所