基于信号谱乘积分析的中心波长解调方法和系统

摘要

本发明提供一种基于信号谱乘积分析的中心波长解调方法和系统，该系统包括光源、环形器、待测器件、分光模块、光电探测阵列和中心波长解调模块，光源通过环形器将光源信号提供给待测器件，待测器件将反射信号谱反向传输回该环形器，经由环形器传输给分光模块，分光模块将反射信号谱分离成多个独立的纵模，光电探测阵列对多个纵模进行一一对应的稀疏采样，并将采集到的各个纵模传输给中心波长解调模块；中心波长解调模块基于信号谱乘积，对各个纵模进行分析解调，获得待测器件的中心波长。本发明结构简单，解调所基于的数据量少，且解调方法简单，解调速度快。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种基于信号谱乘积分析的中心波长解调方法和系统。

背景技术

光纤布拉格光栅(FBG)是一种折射率调制器件，可以反射与待测量相关的特定波长，在光纤传感和光纤精密领域有着极为重要的应用。FBG定位准、精度高、易复用，在许多应用场景有着其他传感技术不可替代的独特优势。光纤光栅可用于应力、应变、温度、震动等多种参数的传感。布拉格光栅的中心波长，即布拉格波长，是其核心性能参数，可以直接表征激光器的稳频特性，更和所传感量值直接线性相关；因此精确地解调布拉格光栅的中心波长具有重要的意义，是布拉格光栅研究的核心议题。科技和社会的快速发展，对FBG解调的速度和精度都提出了更高的要求。

传统的基于光谱测量的布拉格光栅解调方法已趋于成熟；已经商业化和产业化的方法可以分为两类，一种是基于宽带光源和光谱仪的方法，另一种是基于快速扫描可调谐激光器和光电探测器的方法；其基本机理是从测量得到的分辨力有限的、含噪声的反射光谱中解算布拉格波长的大小，进而估计出待测物理量的大小或评价光功能器件的性能。然而，这些方法面临着巨大的挑战，因为理论上这些方法都采集了大量无用的数据并需要复杂的计算步骤，因此导致了较低的解调速度。国内外市场上现存的商业化的布拉格光栅解调仪，大都无法实现高速的FBG解调。如BaySpec、FBGS、Luna等公司的布拉格光栅解调仪器，单通道测量速度最大仅为5～10kHz，而典型状态速度仅为100～1000Hz。

近年来，随着科学技术和工业生产的快速发展，对超快过程如高频振动等检测的需求越来越高。例如，在航空航天工业中，危险的谐振频率是导致发动机引擎、机匣、转轴等部位损害的主要原因之一，因此实时的振动频率检测是十分必要的。布拉格光栅传感器可以实现多点、分布式的、深入内部的测量，是一种理想的选择。又如在超快激光系统、可调谐激光系统中，布拉格光栅的中心波长的实时、高速监测，可以有效地对光学系统进行诊断或性能表征。在这些过程中，往往需要数百kHz、MHz级别甚至更高的解调速度，而这一需求是传统方法很难实现的。

发明内容

本发明提供一种基于信号谱乘积分析的中心波长解调方法和系统，以解决目前中心波长解调方法解调速度较慢的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于信号谱乘积分析的中心波长解调方法，包括：

步骤S110、获取待测器件提供的信号谱，所述信号谱为高斯信号谱或类高斯信号谱；

步骤S120、将所述信号谱分离成多个独立的纵模；

步骤S130、分别对多个纵模进行采样；

步骤S140、基于信号谱乘积，对采集到的各个纵模进行分析解调，获得所述待测器件的中心波长。

在一种可选的实现方式中，所述步骤S140包括：

步骤S141、对所述纵模进行乘法运算，获得信号谱乘积；

步骤S142、求取所述信号谱乘积的对数，并确定参数A和参数B；

步骤S143、基于所述参数A和参数B，对所述信号谱乘积的对数开方，获得所述待测器件的中心波长。

在另一种可选的实现方式中，在所述步骤S140之后，还包括：确定所述待测器件的中心波长变化量。

在另一种可选的实现方式中，设采集到的各个纵模的波长分别为λ

I(λ

i＝k-(N-1)/2～k+(N-1)/2

所述信号谱乘积表示为：

其中，α

在另一种可选的实现方式中，所述信号谱乘积的对数表示为：

由于相邻的纵模间隔为δ，所述信号谱乘积的对数可简化为：

设定参数A和参数B分别为：

所述信号谱乘积的对数可进一步简化为：

ln(prod.)＝A-B

其中，α

在另一种可选的实现方式中，所述待测器件的中心波长λ

其中，λ

在另一种可选的实现方式中，所述待测器件的中心波长变化量dλ表示为：

其中，λ

在另一种可选的实现方式中，输入至所述待测器件的光源信号为具有稀疏离散纵模的孤子光梳，所述孤子光梳具有高重频和/或高信噪比；所述待测器件在接收到所述孤子光梳后，向后反向输出所述信号谱，所述信号谱为反射光谱。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于信号谱乘积分析的中心波长解调系统，包括光源、环形器、待测器件、分光模块、光电探测阵列和中心波长解调模块，所述光源的输出端连接该环形器的第一端，所述环形器的第二端连接该待测器件，第三端依次通过该分光模块、光电探测阵列与该中心波长解调模块连接；

所述光源通过该环形器将光源信号提供给该待测器件，所述待测器件将反射光谱反向传输回该环形器，经由该环形器传输给所述分光模块，所述分光模块将所述反射光谱分离成多个独立的纵模，所述光电探测阵列对多个纵模进行一一对应的稀疏采样，并将采集到的各个纵模传输给所述中心波长解调模块；所述中心波长解调模块基于信号谱乘积，对所述各个纵模进行分析解调，获得该待测器件的中心波长，所述反射光谱为高斯光谱或类高斯光谱。

在一种可选的实现方式中，所述中心波长解调模块包括乘法器、对数器和开方器，所述光电探测阵列将采集到的各个纵模传输给乘法器，所述乘法器对所述纵模进行乘法运算，获得信号谱乘积；所述对数器求取所述信号谱乘积的对数，并确定参数A和参数B；所述开方器基于所述参数A和参数B，对所述信号谱乘积的对数开方，获得所述待测器件的中心波长。

本发明的有益效果是：

1、本发明对于具有中心波长且可提供高斯信号谱或类高斯信号谱的待测器件，将待测器件提供的高斯信号谱或类高斯信号谱分离成多个独立的纵模，对纵模进行稀疏采样，获得的待处理数据较少，因而基于这些数据来解调待测器件中心波长，可以提高解调速度；本发明基于信号谱乘积，对各个纵模进行分析解调，获得待测器件的中心波长，解调方法简单，避免了使用高速模数转换器，也避免了拟合算法中耗时的矩阵运算，因此大大提高了解调速度；

2、本发明中当输入至待测器件的光源信号为孤子光梳且具有稀疏离散纵模时，可以对从孤子光梳中分离出的纵模进行稀疏采样，采集到的数据量较少，基于这些数据来解调待测器件中心波长，可以提高解调速度，并且当孤子光梳具有高重频时，可以提高纵模采集的高效性，从而可以保证待测器件中心波长测量实时性；当孤子光梳具有高信噪比时，从其分离出的每个纵模的频率都是稳定的，由此可以按照频率的不同，对纵模进行一一对应的频率分辨采样，从而可以消除反射光谱测量中的不确定性，提升纵模采集准确度，进而提高待测器件中心波长解调精度；

3、本发明结构简单，孤子光梳具有及集成化、甚至片上集成的潜力；孤子光梳具有数百个稳定的纵模，使本方法适用于波分复用技术。

附图说明

图1是本发明基于信号谱乘积分析的中心波长解调方法的一个实施例流程图；

图2是本发明基于信号谱乘积分析的中心波长解调系统的一个实施例结构示意图；

图3是本发明中心波长解调模块的一个实施例结构示意图；

图4是本发明升温信号测量结果波形图；

图5是本发明振动信号测量结果波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明基于信号谱乘积分析的中心波长解调方法的一个实施例流程图。该方法可以包括：

步骤S110、获取待测器件提供的信号谱，所述信号谱为高斯信号谱或类高斯信号谱；

步骤S120、将所述信号谱分离成多个独立的纵模；

步骤S130、分别对多个纵模进采样；

步骤S140、基于信号谱乘积，对采集到的各个纵模进行分析解调，获得所述待测器件的中心波长。需要注意的是，待测器件提供的信号谱可以是信号输入至待测器件，并经过该待测器件后，得到的信号谱。

所述步骤S140可以包括：

步骤S141、对所述纵模进行乘法运算，获得信号谱乘积；

步骤S142、求取所述信号谱乘积的对数，并确定参数A和参数B；

步骤S143、基于所述参数A和参数B，对所述信号谱乘积的对数开方，获得所述待测器件的中心波长。

其中，设采集到的各个纵模的波长分别为λ

I(λ

i＝k-(N-1)/2～k+(N-1)/2

所述信号谱乘积可以表示为：

其中，α

所述信号谱乘积的对数可以表示为；

由于相邻的纵模间隔为δ，所述信号谱乘积的对数可简化为：

设定参数A和参数B分别为：

所述信号谱乘积的对数可进一步简化为：

ln(prod.)＝A-B

其中，α

所述待测器件的中心波长λ

其中，λ

由于传感器通常用于对温度、振动等变化量进行检测，因此在步骤S140 中获得所述传感器的中心波长之后，还可以确定所述传感器的中心波长变化量。所述传感器的中心波长变化量可以表示为dλ：

其中，λ

输入至所述待测器件的光源信号可以为具有稀疏离散纵模的孤子光梳，所述孤子光梳具有高重频和/或高信噪比；所述待测器件在接收到所述孤子光梳后，可以向后反向输出所述信号谱，所述信号谱为反射光谱，所述反射光谱可以为布拉格散射光。本发明中当输入至待测器件的光源信号为孤子光梳且具有稀疏离散纵模时，可以对从孤子光梳中分离出的纵模进行稀疏采样(例如可以实现反射光谱中3-7个纵模采集)，采集到的数据量较少，基于这些数据来解调待测器件中心波长，可以提高解调速度，并且当孤子光梳具有高重频时，可以提高纵模采集的高效性，从而可以保证待测器件中心波长测量实时性。当孤子光梳具有高信噪比时，从其分离出的每个纵模的频率都是稳定的，由此可以按照频率的不同，对纵模进行一一对应的频率分辨采样，从而可以消除反射光谱测量中的不确定性，提升纵模采集准确度，进而提高待测器件中心波长解调精度。本发明结构简单，孤子光梳具有及集成化、甚至片上集成的潜力；孤子光梳具有数百个稳定的纵模，使本方法适用于波分复用技术。此外，本发明不仅可以实现一个待测器件的中心波长测量，还可以实现多个串联的待测器件的中心波长测量。该待测器件可以为光纤光栅传感器等。

由上述实施例可见，本发明对于具有中心波长且可提供高斯信号谱或类高斯信号谱的待测器件，将待测器件提供的高斯信号谱或类高斯信号谱分离成多个独立的纵模，对纵模进行稀疏采样，获得的待处理数据较少，因而基于这些数据来解调待测器件中心波长，可以提高解调速度；本发明基于信号谱乘积，对各个纵模进行分析解调，获得待测器件的中心波长，解调方法简单，避免了使用高速模数转换器，也避免了拟合算法中耗时的矩阵运算，因此大大提高了解调速度。

参见图2，为本发明基于信号谱乘积分析的中心波长解调系统的一个实施例结构示意图。该系统可以包括光源1、环形器2、待测器件6、分光模块 3、光电探测阵列4和中心波长解调模块5，所述光源1的输出端连接该环形器2的第一端，所述环形器2的第二端连接该待测器件6，第三端依次通过该分光模块3、光电探测阵列4与该中心波长解调模块5连接；所述光源1 通过该环形器2将光源信号提供给该待测器件6，所述待测器件6将反射光谱反向传输回该环形器2，经由该环形器2传输给所述分光模块3，所述分光模块3将所述反射光谱分离成多个独立的纵模，所述光电探测阵列4对多个纵模进行一一对应的稀疏采样，并将采集到的各个纵模传输给所述中心波长解调模块5；所述中心波长解调模块5基于信号谱乘积，对所述各个纵模进行分析解调，获得所述待测器件的中心波长，所述反射光谱为高斯光谱或类高斯光谱。

本实施例中，所述光源信号可以为宽带光源，例如具有稀疏离散纵模的孤子光梳。所述孤子光梳可以具有高重频和/或高信噪比。本发明中当光源信号为孤子光梳且具有稀疏离散纵模时，光电探测阵列可以对从孤子光梳中分离出的纵模进行稀疏采样(例如可以实现光纤光栅反射信号谱中3-7个纵模采集)，采集到的数据量较少，基于这些数据来解调待测器件中心波长，可以提高解调速度，并且当孤子光梳具有高重频时，可以提高纵模采集的高效性，从而可以保证待测器件中心波长测量实时性。当孤子光梳具有高信噪比时，从其分离出的每个纵模的频率都是稳定的，由此光电探测阵列中各个像元可以按照频率的不同，对纵模进行一一对应的频率分辨采样，从而可以消除反射光谱测量中的不确定性，提升纵模采集准确度，进而提高待测器件中心波长解调精度。本发明结构简单，孤子光梳具有及集成化、甚至片上集成的潜力；孤子光梳具有数百个稳定的纵模，使本方法适用于波分复用技术。此外，本发明不仅可以实现一个待测器件的中心波长测量，还可以实现多个串联的待测器件的中心波长测量。该待测器件可以为光纤光栅传感器等。

为了保证所述光电探测阵列对多个纵模进行一一对应的稀疏采样，可以对所述分光模块3的参数进行设置，以使各个纵模与所述光电探测阵列4中的像元一一对应，从而使光电探测阵列4中各个像元可以按照频率的不同，对纵模进行一一对应的频率分辨采样。其中，孤子光梳1可以是微谐振腔光频梳或者为高重频超快激光频率梳，特点是具有高重频、稳定的多纵模；分光模块3可以是光栅、波分复用器件、阵列波导光栅等；光电探测阵列4为光电二极管阵列或者线阵图像传感器等等；布拉格波长解调模块5可以硬件电路实现，也可以编程数字实现。

另外，中心波长解调模块如图3所示，其可以包括乘法器7、对数器8 和开方器9，所述光电探测阵列4将采集到的各个纵模传输给乘法器7，所述乘法器7对所述纵模进行乘法运算，获得信号谱乘积；所述对数器8求取所述信号谱乘积的对数，并确定参数A和参数B；所述开方器9基于所述参数 A和参数B，对所述信号谱乘积的对数开方，获得所述待测器件的中心波长。设采集到的各个纵模的波长分别为λ

I(λ

i＝k-(N-1)/2～k+(N-1)/2

其中，α

乘法器7对所述纵模进行乘法运算后，获得的信号谱乘积可以表示为：

信号谱乘积经对数器8后，得到的所述信号谱乘积的对数可以表示为；

由于相邻的纵模间隔为δ，所述信号谱乘积的对数可简化为：

设定参数A和参数B分别为：

所述信号谱乘积的对数可进一步简化为：

ln(prod.)＝A-B

其中，α

在将所述参数A和参数B输入至所述开方器之后，所述开方器基于所述参数A和参数B，对所述信号谱乘积的对数进行开方，获得的待测器件的中心波长λ

其中，λ

由于传感器通常用于对温度、振动等变化量进行检测，因此在获得所述待测器件的中心波长之后，还可以确定所述待测器件的中心波长变化量。所述待测器件的中心波长变化量可以表示为dλ：

其中，λ

由上述实施例可见，本发明对于具有中心波长且可提供高斯信号谱或类高斯信号谱的待测器件，将待测器件提供的高斯信号谱或类高斯信号谱分离成多个独立的纵模，对纵模进行稀疏采样，获得的待处理数据较少，因而基于这些数据来解调待测器件中心波长，可以提高解调速度；本发明基于信号谱乘积，对各个纵模进行分析解调，获得待测器件的中心波长，解调方法简单，避免了使用高速模数转换器，也避免了拟合算法中耗时的矩阵运算，因此大大提高了解调速度。此外，本发明结构简单。

在一个例子中，以重频50GHz的微谐振腔光频梳为光源，以非平行光栅对进行分光，以高速InGaAs阵列作为探测阵列，实现了温度信号和高频振动信号的测量，分别如图4和图5所示。其中，图4(a)为10s时间温度连续测量结果，图4(b)为相对于参考值的误差，图5(a)为20ms振动信号的测量结果，图5(b)为10-10.5ms局部的放大结果，图5(c)为测量误差，图5(d)为测量结果的频谱。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。