一种光纤F-P温度/压力复合传感器的腔长解调方法

摘要

本发明提供了一种光纤F‑P温度/压力复合传感器的腔长解调方法，对光纤F‑P温度/压力复合传感器接收到的光谱信号进行预处理，利用带通滤波器对复合腔长信号进行分离，利用FFT方法对光谱信号进行解调预估粗略腔长值，在一定范围内以较大步长间隔构造一系列不同腔长值的虚拟干涉光谱信号与实际干涉光谱信号进行互相关解调运算得到较精确的腔长值，然后根据此腔长值缩小腔长模拟范围，在小范围内以小的步长间隔进行互相关运算，依次重复，直到达到解调精度要求，获得腔长值。本方法能对光纤F‑P温度/压力复合传感器多个腔长信息进行绝对测量，解调速度快，腔长分辨率高，动态范围大，在工业生产、装备制造等过程中高温、高压同时检测方面有重要的实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种光纤F-P温度/压力复合传感器的腔长解调方法。

背景技术

信号解调技术是光纤F-P传感系统的核心部分，是决定传感系统的精度与稳定性的关键。目前研究最多和应用最广的解调方法分为强度解调和相位解调两大类。强度解调直接通过干涉输出光强求解F-P腔长，实现简单，响应速度快，但易受光源波长与输出功率的变化影响，解调精度低。相位解调通过检测干涉输出光谱的相位变化实现信号解调，和强度解调相比精度更高。

在相位解调法中，常用的光谱解调法如单峰法或多峰法是通过跟踪归一化干涉谱中的谱峰实现信号解调，难以同时实现高精度和大动态范围测量。傅里叶变换解调法是采用快速傅里叶变换(FFT)求输出信号的频谱，响应速度快，可实现大动态范围测量，但解调精度较低。基于交叉相关运算的相关解调法，可测量绝对腔长值，具有高分辨率，适用于大腔长解调范围。其他的高精度解调方法如离散腔长解调法等系统响应慢，不适用于对待测物理量的实时监测。

发明内容

本发明目的旨在克服上述光纤F-P传感器解调技术中存在的不足，提供一种快速、高精度的光纤F-P温度/压力复合传感器的腔长解调方法，可实现对光纤F-P复合传感器不同腔长值的绝对测量，从而实现对多物理量快速、高精度的同时测量。

本发明为了达到上述的目的，提供的技术方案如下：

为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：一种光纤F-P温度/压力复合传感器的腔长解调方法，包括：

对光纤F-P温度/压力复合传感器接收到的光谱信号进行预处理；

利用带通滤波器对复合腔信号进行分离；

利用快速傅里叶变换(FFT)对光谱信号进行解调预估粗略腔长值；

在第一指定腔长模拟范围内以第一预设步长间隔构造多个腔长值不同的虚拟干涉光谱信号，与实际干涉光谱信号进行互相关运算，得到精确腔长值；

根据精确腔长值缩小腔长第一指定腔长模拟范围，在小范围内以第二步长间隔进行互相关运算，依次重复，直到达到解调精度要求，获得腔长值。

其中，对接收到的光谱信号进行预处理的方式至少包括信号的插值拟合、去噪、光谱归一化。

其中，干涉光谱信号公式表示为：

构造腔长为L，干涉对比度为1的归一化干涉光谱，表示为：

其中，在构造多个腔长值不同的虚拟干涉光谱信号，与实际干涉光谱信号进行互相关运算的步骤中，由实际干涉光谱信号与虚拟干涉光谱信号进行互相关运算，得到二者之间的相关系数为

其中，L、L₀是真实腔长值和虚拟腔长值，ν为干涉光光谱的频率，ν₁和ν₂分别是干涉光光谱频率的下限和上限，c为光速，γ为干涉条纹对比度。

其中，获取腔长值的步骤为：

当L＝L₀时，提取相关系数曲线的外包络辛格曲线，由主极大峰所对应的最大值求得最大相关系数的位置，得到真实待测腔长值。

其中，利用快速傅里叶变换(FFT)对光谱信号进行解调预估粗略腔长值的步骤之后，包括步骤：

利用快速傅里叶变换(FFT)解调预估腔长值L_R后，将预估腔长值L_R作为腔长模拟范围的中心，取快速傅里叶变换(FFT)分辨率的2到3倍作为腔长模拟范围的半径R_F，在腔长模拟范围(L_R-R_F，L_R+R_F)内以第一预设步长间隔进行互相关运算。

相对于现有技术，本发明具有如下优越性：

本发明的光纤F-P温度/压力复合传感器的腔长解调方法利用FFT解调方法进行腔长预估，再使用变步长互相关方法进行腔长精确求解，可以在确保高精度腔长解调的前提下大大提高解调效率；能对光纤F-P复合传感器多腔长信息进行绝对测量，解调速度快，腔长分辨率高，动态范围大，在工业生产、装备制造等过程中高温、高压同时检测方面有重要的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明提供的一种光纤F-P温度/压力复合传感器的腔长解调方法的流程示意图；

图2是本发明提供的一种光纤F-P温度/压力复合传感器的腔长解调方法的逻辑示意图；

图3是本发明提供的一种光纤F-P温度/压力复合传感器的腔长解调系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参阅图1和图2，图1和图2是本发明提供的一种光纤F-P温度/压力复合传感器的腔长解调方法的流程示意图和逻辑示意图。该方法的步骤包括：

S1：对光纤F-P温度/压力复合传感器接收到的光谱信号进行预处理。

其中，对光纤F-P温度/压力复合传感器接收到的光谱信号进行预处理，包括信号的插值拟合、去噪、光谱归一化。具体包括对离散信号的三次样条插值拟合实现对数据的重新采样；进行小波变换实现对光谱信号的多尺度分解，分离信号以分别获得有效信号和噪声信号的小波系数，对有效信号的小波系数进行增强，再重构出有效信号，提高信噪比；对光谱信号进行希尔伯特变换，使其在频域各频率分量的幅度保持不变，但会产生90°相移，进行信号包络的提取，从而达到光谱归一化的目的。

S2：利用带通滤波器对复合腔信号进行分离。

预处理完成后，选用汉明窗进行带通滤波器窗函数的设计。

对于一个理想低通的线性相位数字滤波器，理想频率响应函数可表示为：

其对应的单位冲激响应为

用有限长单位脉冲响应h(n)逼近h_d(n)。用窗函数w(n)将h_d(n)截断，并进行加权处理，得到：

h(n)＝h_d(n)·w(n)

h(n)就作为实际设计的FIR数字滤波器的单位脉冲响应序列，其频率响应函数H(e^jw)为

式中，n为所选窗函数w(n)的长度。

根据对阻带最小衰减和过渡带宽度的要求选择合适的窗函数w(n)的类型及窗口长度N的取值。选定窗口类型和窗口长度N后，求出单位脉冲响应和H(e^jw)，并验算其是否满足要求。若H(e^jw)不满足要求，则要重新长度N，再次验算，直至满足要求。

S3：利用快速傅里叶变换(FFT)对光谱信号进行解调预估粗略腔长值。

利用快速傅里叶变换(FFT)对光谱信号进行解调预估粗略腔长值的步骤之后，包括步骤：

利用快速傅里叶变换(FFT)解调预估腔长值L_R后，将预估腔长值L_R作为腔长模拟范围的中心，取快速傅里叶变换(FFT)分辨率的2到3倍作为腔长模拟范围的半径R_F，在腔长模拟范围(L_R-R_F，L_R+R_F)内以第一预设步长间隔进行互相关运算。

S4：在第一指定腔长模拟范围内以第一预设步长间隔构造多个腔长值不同的虚拟干涉光谱信号，与实际干涉光谱信号进行互相关运算，得到精确腔长值。

对单腔信号，干涉光谱信号为：

构造腔长为L，干涉对比度为1的归一化干涉光谱，表示为：

由真实待测腔长对应的干涉信号与虚拟构造腔长对应的干涉信号，得到二者之间的相关系数：

因此，当L＝L₀时，即真实腔长与虚拟腔长值相等时，相关系数C得到最大值。提取相关系数曲线的外包络辛格曲线，由主极大峰所对应的最大值求得最大相关系数的位置，进而得到真实待测腔长值。

S5：根据精确腔长值缩小腔长第一指定腔长模拟范围，在小范围内以第二步长间隔进行互相关解调运算，依次重复，直到达到解调精度要求，获得腔长值。

本发明的方法是以具有一定腔长间隔的虚拟光谱信号与实际光谱做互相关运算，从而求得光纤F-P传感器的腔长值，为了获得高的解调精度和分辨率，需要将腔长间隔设的较小，若无法确定待测传感器的粗略腔长值，就必须设置较大的腔长虚拟范围，相应的计算量就会急剧增加。因此可利用快速傅里叶变换(FFT)解调预估腔长值L_R后，将粗测值L_R作为腔长模拟范围的中心，取FFT方法分辨率的2到3倍作为腔长模拟范围的半径L_R，在腔长模拟范围(L_R-R_F，L_R+R_F)内先以较大步长间隔进行互相关运算，找出最大相关系数对应的腔长，得到较精确的腔长值，然后根据此腔长值缩小腔长模拟范围，在小范围内以小的步长间隔进行互相关运算，依次重复，直到达到解调精度要求，获得最终待测腔长值。

如图3所示，本发明给出一种光纤F-P温度/压力传感器的解调系统，使用如前述技术方案中的方法进行调解，包括：该解调系统由宽带光源1，环形器2，传输光纤3，光纤F-P压力/温度复合传感器4，光电探测器5及计算机6，宽带光源1发出的光经耦合器2和传输光纤3传输到复合传感器4上，反射回来的干涉信号光由光电探测器5进行探测，然后传输给计算机6进行运算，计算机6依照本发明所提出的解调方法编写的计算机程序对数据进行实时处理，解调得到待测传感器4的腔长变化。所述的宽带光源1的中心波长为850nm，3dB带宽为40nm。

光纤F-P压力/温度复合传感器的温度腔和压力腔腔长值分别300μm和100μm。对传感器接收到的光谱信号进行预处理，包括信号的插值拟合、去噪、光谱归一化。利用带通滤波器对预处理后的信号进行分离。对分离出的包含压力腔腔长信息的光谱进行解调：利用FFT方法进行腔长预估确定腔长模拟范围后，进行互相关运算。首先以100nm腔长间隔在80μm～120μm的范围内进行互相关运算，求得腔长为99.7μm；以上次解调结果作为范围中心，将腔长分辨率扩大十倍作为范围半径，重新确定腔长模拟范围为98μm～102μm，然后以10nm的腔长间隔在范围内进行互相关运算，解调出腔长为100.12μm；与上次相同的方式重新确定腔长模拟范围，然后以1nm的腔长间隔在99.9μm～100.3μm范围内进行互相关运算，解调出腔长为100.121μm；最后再以目标腔长分辨率0.1nm为腔长间隔在100.1μm～100.14μm范围内做互相关运算，解调出最终压力腔腔长值为100.1212μm，腔长分辨率达到了0.1nm。同样地，对分离出的包含温度腔腔长信息的光谱进行解调，解调出最终温度腔腔长值为299.9103μm，腔长分辨率也达到了0.1nm。

相对于现有技术，本发明具有如下优越性：

本发明的光纤F-P温度/压力复合传感器的腔长解调方法利用FFT解调方法进行腔长预估，再使用变步长互相关方法进行腔长精确求解，可以在确保高精度腔长解调的前提下大大提高解调效率；能对光纤F-P复合传感器多腔长信息进行绝对测量，解调速度快，腔长分辨率高，动态范围大，在工业生产、装备制造等过程中高温、高压同时检测方面有重要的实际应用价值。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。