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局部异常因子优化的椭圆拟合算法及其在光纤振动传感相位解调中的应用

张令春 姜海明 张俊喜 谢康

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局部异常因子优化的椭圆拟合算法及其在光纤振动传感相位解调中的应用

张令春, 姜海明, 张俊喜, 谢康

Phase demodulation of fiber vibration sensing by modified ellipse fitting algorithm based on local outlier factor optimization

Zhang Ling-Chun, Jiang Hai-Ming, Zhang Jun-Xi, Xie Kang
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  • 已有的椭圆拟合算法利用李萨如图形解决了非理想3×3耦合器所引入的解调结果误差, 但在研究中没有充分考虑电路噪声与相位噪声对李萨如图形的影响. 针对噪声影响提出了基于局部异常因子优化的3×3耦合器椭圆拟合解调方法, 可以有效地消除李萨如图形中因噪声产生的离群点. 仿真结果表明, 该方法能够实现准确解调, 利用蒙特卡洛分析得出综合误差率约为0.13%, 验证了方法的稳定性. 与传统最小二乘拟合方法相比, 所提方法有效地提高了信号解调的稳定性和精确度.
    In the existing ellipse fitting algorithms, the Lissajous figure is used to solve the demodulation error caused by the non-ideal 3×3 couplers. However, the influence of circuit noise and phase noise on Lissajous figure are not fully considered in the studies. In this work, an ellipse fitting demodulation method based on local outlier factor (LOF) algorithm is proposed, which can effectively eliminate the outlier points in Lissajous figure caused by noises. The proposed method proves to achieve the accurate demodulation of the signals by numerical simulations. In addition, the Monte Carlo analysis is used to obtain the comprehensive error rate of about 0.13%, which verifies the stability of the proposed method. Compared with the traditional least square fitting method, this method improves the stability and accuracy of demodulated signals.
      通信作者: 姜海明, hmjiang@gdut.edu.cn ; 谢康, kangxie@gdut.edu.cn
    • 基金项目: 广东省领军人才和国家自然科学基金(批准号: 11874126)资助的课题.
      Corresponding author: Jiang Hai-Ming, hmjiang@gdut.edu.cn ; Xie Kang, kangxie@gdut.edu.cn
    • Funds: Project supported by the Leading Talents of Guangdong Province Program, China, and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11874126).
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  • 图 1  基于3×3耦合器解调的迈克尔逊干涉仪结构

    Fig. 1.  The structure of Michelson interferometer based on 3×3 coupler.

    图 2  两路仿真信号 (a) 无噪声干扰信号; (b) 有噪声干扰信号

    Fig. 2.  Two simulated signals: (a) Without noise interference; (b) with noise interference.

    图 3  两路信号的李萨如图形及拟合曲线

    Fig. 3.  Lissajous figure and fitted curves of two signals.

    图 4  $ k=5 $时, 对象$ p, {o}_{1} $的可达距离和对象$ p, {o}_{2} $的可达距离的示意图

    Fig. 4.  The schematic diagram of the reach-distances of $ p, {o}_{1} $ and $ p, {o}_{2} $ when k = 5.

    图 5  系统流程图

    Fig. 5.  System flowchart.

    图 6  LOF算法处理前后的李萨如图像 (a) 处理前的李萨如图像; (b)处理后的李萨如图像

    Fig. 6.  Lissajous figures with/without LOF processing: (a) Before processing; (b) after processing.

    图 7  解调信号 (a) 完整解调信号; (b) 解调信号局部

    Fig. 7.  The demodulated signals: (a) Full signals; (b) partially-amplified signals.

    图 8  综合评定系数误差概率密度

    Fig. 8.  Error probability density of comprehensive evaluation coefficient.

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-07
  • 修回日期:  2022-06-07
  • 上网日期:  2022-09-16
  • 刊出日期:  2022-10-05

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