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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).
    [1]

    Shi F, Bai X K, Wang F, Pang F F, Pu S L, Zeng X L 2017 IEEE Sens. J. 17 619Google Scholar

    [2]

    Zhang Y C, Wang J F, Chen M, Wang M Y, Liang Y, Meng Z 2020 Sensors 20 6180Google Scholar

    [3]

    Fan P J, Yan W, Lu P, Zhang W J, Zhang W, Fu X, Zhang J S 2020 Opt. Express 17 25238

    [4]

    赵丽娟, 赵海英, 徐志钮 2022 物理学报 71 074206Google Scholar

    Zhao L J, Zhao H Y, Xu Z N 2022 Acta Phys. Sin. 71 074206Google Scholar

    [5]

    于永森, 朱永钦, 赵阳, 潘学鹏 2019 光子学报 48 1148009Google Scholar

    Yu Y S, Zhu Y Q, Zhao Y, Pan X P 2019 Acta Photonica Sin. 48 1148009Google Scholar

    [6]

    余有龙, 刘盛春, 谭华耀, Luenfu Lui 2005 光学学报 25 865Google Scholar

    Yu Y L, Liu S C, Tan H Y, Lui L F 2005 Acta Optica. Sinica. 25 865Google Scholar

    [7]

    韩国庆, 刘显明, 雷小华, 章鹏, 周峰 2022 仪器仪表学报 43 145

    Han G Q, Liu X M, Lei X H, Zhang P, Zhou F 2022 Chinese J. Sci. Instrum. 43 145

    [8]

    Yang T T, Xiao Y B, Ran Z L, He X, Shao T Q, Wang W Y 2021 IEEE Sens. J. 21 22703Google Scholar

    [9]

    梁敏富 2019 博士学位论文(江苏: 中国矿业大学)

    Liang M F 2019 Ph. D. Dissertation (JiangSu: China University of Mining and Technology) (in Chinese)

    [10]

    张晓峻, 康崇, 孙晶华 2013 发光学报 34 665Google Scholar

    Zhang X J, Kang C, Sun J H 2013 Chin. J. Lumin. 34 665Google Scholar

    [11]

    肖倩 2013 博士学位论文 (上海: 复旦大学)

    Xiao Q 2013 Ph. D. Dissertation (ShangHai: Fudan University) (in Chinese)

    [12]

    郎金鹏, 常天英, 陈建冬, 刘野, 崔洪亮, 于淼 2016 光子学报 45 1207004Google Scholar

    Lang J P, Chang T Y, Chen J D, Liu Y, Cui H L, Yu M 2016 Acta Photonica Sin. 45 1207004Google Scholar

    [13]

    孙琪真 2008 博士学位论文 (武汉: 华中科技大学)

    Sun Q Z 2008 Ph. D. Dissertation (WuHan: Huazhong University of Science and Technology) (in Chinese)

    [14]

    Liu T T, Cui J, Chen D S, Xiao L, Sun D X 2008 Chin. Opt. Lett. 6 12Google Scholar

    [15]

    王伟, 唐瑛, 张雄星, 陈海滨, 郭子龙, 王可宁 2019 光学学报 39 0606001Google Scholar

    Wang W, Tang Y, Zhang X X, Chen H B, Guo Z L, Wang K N 2019 Acta Opt. Sin. 39 0606001Google Scholar

    [16]

    梅泽, 吕海飞, 文晓艳, 黎敏 2021 光学学报 41 2412001

    Mei Z, Lü H F, Wen H F, Wen X Y, Li M 2021 Acta Opt. Sin. 41 2412001

    [17]

    高晓文, 张自丽, 叶博, 葛辉良 2019 声学与电子工程 3 15

    Gao X W, Zhang X W, Zhang Z L, Ye B 2019 Acoust Electr. Eng. 3 15

    [18]

    Zhao Z Q, Demokan M S, Macalpinem M 1997 J. Lightwave Technol. 15 2059Google Scholar

    [19]

    刘俊承, 张自超, 余波, 高峰 2019 光子学报 48 0106002Google Scholar

    Liu J C. Zhang Z C. Yu B. Gao F 2019 Acta Photonica Sin. 48 0106002Google Scholar

    [20]

    曾周末, 刘芳, 封皓, 冯欣 2014 光学精密工程 22 1410Google Scholar

    Zeng Z M, Liu F, Feng H, Feng X 2014 Opt. Precis. Eng. 22 1410Google Scholar

    [21]

    Breunig M M, Kriegel H P, Raymond T N, Sander J 2000 Principles and Practice of Knowledge Discovery in Databases (Prague: Proceedings of the 3rd European Conference) p93

    [22]

    吴琼, 王博, 王涛, 朱仁江, 张鹏, 汪丽杰 2021 光子学报 50 0406002

    Wu Q, Wang B, Wang T, Zhu R J, Zhang P, Wang L J 2021 Acta Photonica Sin. 50 0406002

    [23]

    赵宁宁, 肖新宇, 凡凤仙, 苏明旭 2022 物理学报 71 074303Google Scholar

    Zhao N N, Xiao X Y, Fan F X, Su M X 2022 Acta Phys. Sin. 71 074303Google Scholar

  • 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.

  • [1]

    Shi F, Bai X K, Wang F, Pang F F, Pu S L, Zeng X L 2017 IEEE Sens. J. 17 619Google Scholar

    [2]

    Zhang Y C, Wang J F, Chen M, Wang M Y, Liang Y, Meng Z 2020 Sensors 20 6180Google Scholar

    [3]

    Fan P J, Yan W, Lu P, Zhang W J, Zhang W, Fu X, Zhang J S 2020 Opt. Express 17 25238

    [4]

    赵丽娟, 赵海英, 徐志钮 2022 物理学报 71 074206Google Scholar

    Zhao L J, Zhao H Y, Xu Z N 2022 Acta Phys. Sin. 71 074206Google Scholar

    [5]

    于永森, 朱永钦, 赵阳, 潘学鹏 2019 光子学报 48 1148009Google Scholar

    Yu Y S, Zhu Y Q, Zhao Y, Pan X P 2019 Acta Photonica Sin. 48 1148009Google Scholar

    [6]

    余有龙, 刘盛春, 谭华耀, Luenfu Lui 2005 光学学报 25 865Google Scholar

    Yu Y L, Liu S C, Tan H Y, Lui L F 2005 Acta Optica. Sinica. 25 865Google Scholar

    [7]

    韩国庆, 刘显明, 雷小华, 章鹏, 周峰 2022 仪器仪表学报 43 145

    Han G Q, Liu X M, Lei X H, Zhang P, Zhou F 2022 Chinese J. Sci. Instrum. 43 145

    [8]

    Yang T T, Xiao Y B, Ran Z L, He X, Shao T Q, Wang W Y 2021 IEEE Sens. J. 21 22703Google Scholar

    [9]

    梁敏富 2019 博士学位论文(江苏: 中国矿业大学)

    Liang M F 2019 Ph. D. Dissertation (JiangSu: China University of Mining and Technology) (in Chinese)

    [10]

    张晓峻, 康崇, 孙晶华 2013 发光学报 34 665Google Scholar

    Zhang X J, Kang C, Sun J H 2013 Chin. J. Lumin. 34 665Google Scholar

    [11]

    肖倩 2013 博士学位论文 (上海: 复旦大学)

    Xiao Q 2013 Ph. D. Dissertation (ShangHai: Fudan University) (in Chinese)

    [12]

    郎金鹏, 常天英, 陈建冬, 刘野, 崔洪亮, 于淼 2016 光子学报 45 1207004Google Scholar

    Lang J P, Chang T Y, Chen J D, Liu Y, Cui H L, Yu M 2016 Acta Photonica Sin. 45 1207004Google Scholar

    [13]

    孙琪真 2008 博士学位论文 (武汉: 华中科技大学)

    Sun Q Z 2008 Ph. D. Dissertation (WuHan: Huazhong University of Science and Technology) (in Chinese)

    [14]

    Liu T T, Cui J, Chen D S, Xiao L, Sun D X 2008 Chin. Opt. Lett. 6 12Google Scholar

    [15]

    王伟, 唐瑛, 张雄星, 陈海滨, 郭子龙, 王可宁 2019 光学学报 39 0606001Google Scholar

    Wang W, Tang Y, Zhang X X, Chen H B, Guo Z L, Wang K N 2019 Acta Opt. Sin. 39 0606001Google Scholar

    [16]

    梅泽, 吕海飞, 文晓艳, 黎敏 2021 光学学报 41 2412001

    Mei Z, Lü H F, Wen H F, Wen X Y, Li M 2021 Acta Opt. Sin. 41 2412001

    [17]

    高晓文, 张自丽, 叶博, 葛辉良 2019 声学与电子工程 3 15

    Gao X W, Zhang X W, Zhang Z L, Ye B 2019 Acoust Electr. Eng. 3 15

    [18]

    Zhao Z Q, Demokan M S, Macalpinem M 1997 J. Lightwave Technol. 15 2059Google Scholar

    [19]

    刘俊承, 张自超, 余波, 高峰 2019 光子学报 48 0106002Google Scholar

    Liu J C. Zhang Z C. Yu B. Gao F 2019 Acta Photonica Sin. 48 0106002Google Scholar

    [20]

    曾周末, 刘芳, 封皓, 冯欣 2014 光学精密工程 22 1410Google Scholar

    Zeng Z M, Liu F, Feng H, Feng X 2014 Opt. Precis. Eng. 22 1410Google Scholar

    [21]

    Breunig M M, Kriegel H P, Raymond T N, Sander J 2000 Principles and Practice of Knowledge Discovery in Databases (Prague: Proceedings of the 3rd European Conference) p93

    [22]

    吴琼, 王博, 王涛, 朱仁江, 张鹏, 汪丽杰 2021 光子学报 50 0406002

    Wu Q, Wang B, Wang T, Zhu R J, Zhang P, Wang L J 2021 Acta Photonica Sin. 50 0406002

    [23]

    赵宁宁, 肖新宇, 凡凤仙, 苏明旭 2022 物理学报 71 074303Google Scholar

    Zhao N N, Xiao X Y, Fan F X, Su M X 2022 Acta Phys. Sin. 71 074303Google Scholar

  • [1] 黄天龙, 吴永政, 倪明, 汪士, 叶永金. 量子噪声对Shor算法的影响. 物理学报, 2024, 73(5): 050301. doi: 10.7498/aps.73.20231414
    [2] 樊颖, 张庆礼, 高进云, 高宇茜, 黄磊, 刘耀. Nd3+:GdScO3晶体场能级及拟合分析. 物理学报, 2024, 73(4): 044207. doi: 10.7498/aps.73.20231475
    [3] 朱进进, 吴雨祥, 邵晓鹏. 基于利萨茹椭圆拟合的两步相移轮廓技术. 物理学报, 2021, 70(17): 170602. doi: 10.7498/aps.70.20210644
    [4] 夏麾军, 马远良, 刘亚雄. 海洋环境噪声场对称性分析及噪声消除方法. 物理学报, 2016, 65(14): 144302. doi: 10.7498/aps.65.144302
    [5] 吕俊伟, 迟铖, 于振涛, 毕波, 宋庆善. 磁梯度张量不变量的椭圆误差消除方法研究. 物理学报, 2015, 64(19): 190701. doi: 10.7498/aps.64.190701
    [6] 刘海军, 田晓波, 李清江, 孙兆林, 刁节涛. 基于蒙特卡洛方法的钛氧化物忆阻器辐射损伤研究. 物理学报, 2015, 64(7): 078401. doi: 10.7498/aps.64.078401
    [7] 阮聪, 孙晓民, 宋亦旭. 元胞方法与蒙特卡洛方法相结合的薄膜生长过程模拟. 物理学报, 2015, 64(3): 038201. doi: 10.7498/aps.64.038201
    [8] 王晓晗, 郭红霞, 雷志锋, 郭刚, 张科营, 高丽娟, 张战刚. 基于蒙特卡洛和器件仿真的单粒子翻转计算方法. 物理学报, 2014, 63(19): 196102. doi: 10.7498/aps.63.196102
    [9] 张哲, Obergfell Kyle, 韩先明, 陈向军. Monte-Carlo拟合算法及其在电子动量谱学实验数据处理中应用的研究. 物理学报, 2010, 59(3): 1695-1701. doi: 10.7498/aps.59.1695
    [10] 洪梅, 张韧, 何金海, 薛峰, 葛晶晶. 基于空间基函数客观拟合的副高突变与多态机理分析. 物理学报, 2010, 59(10): 6871-6881. doi: 10.7498/aps.59.6871
    [11] 谢红兰, 胡 雯, 罗红心, 杜国浩, 邓 彪, 陈荣昌, 薛艳玲, 师绍猛, 肖体乔. X射线荧光全息术中消除光源偏振效应和孪生像的重构新算法. 物理学报, 2008, 57(11): 7044-7051. doi: 10.7498/aps.57.7044
    [12] 蔡冬梅, 凌 宁, 姜文汉. 纯相位液晶空间光调制器拟合泽尼克像差性能分析. 物理学报, 2008, 57(2): 897-903. doi: 10.7498/aps.57.897
    [13] 王 健, 雷乃光, 余重秀. 椭圆空气孔微结构光纤限制损耗的分析. 物理学报, 2007, 56(2): 946-951. doi: 10.7498/aps.56.946
    [14] 巴音贺希格, 朱洪春. 基于槽形函数拟合的刻划光栅衍射特性分析方法. 物理学报, 2007, 56(7): 3893-3899. doi: 10.7498/aps.56.3893
    [15] 白 云, 刘新元, 何定武, 汝鸿羽, 齐 亮, 季敏标, 赵 巍, 谢飞翔, 聂瑞娟, 马 平, 戴远东, 王福仁. 在SQUID心磁测量中基于奇异值分解和自适应滤波的噪声消除法. 物理学报, 2006, 55(5): 2651-2656. doi: 10.7498/aps.55.2651
    [16] 徐学友, 张延惠, 黄发忠, 林圣路, 杜孟利. 二维椭圆量子台球中的谱分析. 物理学报, 2005, 54(10): 4538-4542. doi: 10.7498/aps.54.4538
    [17] 刘新元, 谢柏青, 戴远东, 王福仁, 李壮志, 马 平, 谢飞翔, 杨 涛, 聂瑞娟. 射频SQUID心磁图数据自适应滤波研究. 物理学报, 2005, 54(4): 1937-1942. doi: 10.7498/aps.54.1937
    [18] 郭红霞, 陈雨生, 张义门, 吴国荣, 周辉, 关颖, 韩福斌, 龚建成. 多层平板电离室测量不同材料界面剂量分布及其蒙特-卡洛模拟. 物理学报, 2001, 50(8): 1545-1548. doi: 10.7498/aps.50.1545
    [19] 王樨德, 潘正瑛, 黄发泱, 夏荣. 用蒙特-卡罗方法模拟质子X荧光分析中的荧光增强因子. 物理学报, 1989, 38(5): 776-783. doi: 10.7498/aps.38.776
    [20] 江建生, 李方华. 电子的原子散射因子解析表达式的拟合. 物理学报, 1984, 33(6): 845-849. doi: 10.7498/aps.33.845
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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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