CN110057386A - 基于全光谱的光纤fp传感器的解调方法及其解调装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全光谱的光纤珐珀(Fabry‑Perot,FP)传感器的解调方法及其解调装置，其中解调方法探测光纤FP传感器的全光谱信息；将光纤FP传感器的全光谱导入计算机中，并从全光谱中选取N组相位差互为120°的三波长；基于三角函数关系，采用三波长对称解调消除每个波长对应光强中的直流分量，得到每个波长的新光强；对同一组中三波长的新光强进行微分处理，并采用同一组中三波长的新光强及对应的光强微分结果计算同一组三波长的输出相位；当所选取的N组相位差互为120°的三波长的输出相位均已计算出时，采用N个输出相位相加求平均得到相位解调结果。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法及其解调装置。
背景技术
光纤传感器拥有电绝缘、抗电磁干扰，并且耐高温、耐腐蚀等优点，便于联网与远距离遥测，最重要的是本质无源，可应用于强辐射、强腐蚀、高温等恶劣工作环境下，光纤传感器已逐渐成为新一代传感器的主流发展方向之一。基于光纤FP腔的传感器对温度交叉敏感性很小，传感器对光纤信号干扰小，能够提供很高的分辨率，得到了广泛的应用。
根据解调时所利用的光学参数的不同，光纤FP传感器解调方案可分为强度解调和相位解调两大类。强度解调是当输入光波长恒定时，由于外部物理参量如温度、压力、应力等变化引起腔内介质折射率和腔长的变化，从而改变了光程差，进而引起光纤FP传感器输出光强的变化。目前强度解调存在的不足是需要使用三个光源，且容易受到外界环境和光源光强波动的影响。相位解调法有条纹计数法、傅里叶强度谱法等。条纹计数法易受条纹畸变影响从而影响精度，且不同用于传感器的空间复用。傅里叶强度谱法由于受到光谱范围的影响分辨率有限。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法及其解调装置，其通过消除直流分量及对多组相位值做平均，以达到消除外界环境影响。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，提供一种基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法，其包括：
探测光纤FP传感器的全光谱信息；
将光纤FP传感器的全光谱导入计算机中，并从全光谱中选取N组相位差互为120°的三波长；
基于三角函数关系，采用三波长对称解调消除每个波长对应光强中的直流分量，得到每个波长的新光强；
对同一组中三波长的新光强进行微分处理，并采用同一组中三波长的新光强及对应的光强微分结果计算同一组三波长的输出相位；
当所选取的N组相位差互为120°的三波长的输出相位均已计算出时，采用N个输出相位相加求平均得到相位解调结果。
进一步地，探测光纤FP传感器的全光谱信息进一步包括：
将扫描半导体激光器发出的光经传光器件打入光纤FP传感器，并将光纤FP传感器返回的反射光经传光器件另一端进入光谱探测装置，探测得到光纤FP传感器的全光谱。
进一步地，所述传光器件为环形器或耦合器。
进一步地，所述扫描半导体激光器的光谱窗口大于或等于其自由光谱范围。。
进一步地，所述基于三角函数关系，采用三波长对称解调消除每个波长对应光强中的直流分量，得到每个波长的新光强进一步地包括：
计算每个波长的光强：
其中，Ii,k(t)为第i组中第k个波长的光强，i＝1，2，3，…，N，k＝1，2，3；I0为光源发出光的光强；为第i组中三波长在t时刻的相位值；D为直流分量；
基于三角函数关系，采用三波长对称解调构建消除光强中的直流分量的因子A：
根据因子A和光强，消除每个光强中的直流分量得到新光强：
其中，Si,k为第i组中第k个波长的新光强。
进一步地，对同一组中三波长的新光强进行微分处理的计算公式为：
其中，为的微分；Ti,k为第i组中第k个波长的新光强微分结果；
计算同一组三波长的输出相位的计算公式为：
其中，S1、S2和S3分别为同一组中三波长的新光强；T1、T2和T3分别为S1、S2和S3的微分结果。
第二方面，提供一种应用于解调方法的解调装置，其包括扫描半导体激光器、耦合器或环形器、光纤FP传感器、光电探测器和计算机，光路依次为扫描半导体激光器、耦合器或环形器、光纤FP传感器、耦合器或环形器与光谱探测装置，所述光谱探测装置与计算机连接。
本发明的有益效果是：本方案通过监测光纤FP传感器的全光谱信息，使用多组相位差互为120°的三波长信号，通过消除每个波长对应光强中的直流分量，以使得到的新光强不受光源变化的影响，之后通过求出多组相位值并做平均以降低噪声影响和降低外界环境的影响。
另外，本方案仅采用一个扫描半导体激光器作为光源，与传统三波长对称解调相比，省去了两个光源，在解调过程只使用了单个光源对整个光谱上的信息加以复用(用很多组三波长信息)，从而降低解调成本，光源数量的减少可以进一步降低外界环境的影响。
附图说明
图1为基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法的流程图。
图2为解调装置的原理框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法的流程图；如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤105。
在步骤101中，探测光纤FP传感器的全光谱信息；
实施时，本方案优选探测光纤FP传感器的全光谱信息进一步包括：
将扫描半导体激光器发出的光经传光器件打入光纤FP传感器，并将光纤FP传感器返回的反射光经传光器件另一端进入光谱探测装置，探测得到光纤FP传感器的全光谱。
其中的传光器件为环形器或耦合器，扫描半导体激光器的光谱窗口根据其的光谱范围选择，即扫描半导体激光器的光谱窗口大于或等于其自由光谱范围。采用该种光谱窗口的激光器作为光源，具有较宽的扫描频谱范围及较小的扫描波长间距，与其他光源相比具有精度高、分辨率高的优点。
在步骤102中，将光纤FP传感器的全光谱导入计算机中，并从全光谱中选取N组相位差互为120°的三波长；通过选取的N组相位差互为120°的三波长，可以达到对整个光谱上的信息加以复用。
在步骤103中，基于三角函数关系，采用三波长对称解调消除每个波长对应光强中的直流分量，得到每个波长的新光强；
在本发明的一个实施例中，所述基于三角函数关系，采用三波长对称解调消除每个波长对应光强中的直流分量，得到每个波长的新光强进一步地包括：
计算每个波长的光强：
其中，Ii,k(t)为第i组中第k个波长的光强，i＝1，2，3，…，N，k＝1，2，3；I0为光源发出光的光强；为第i组中三波长在t时刻的相位值；D为直流分量；
基于三角函数关系，采用三波长对称解调构建消除光强中的直流分量的因子A：
根据因子A和光强，消除每个光强中的直流分量得到新光强：
其中，Si,k为第i组中第k个波长的新光强。
采用上述方式消除每个波长光强中的直流分量，不需要直流偏置来消除直流分量对微分及交叉相乘操作的影响，而是采用三路波长的光强信号相加后乘以1/3来得到直流分量D，以达到消除直流分量的过程不受光源变化的影响。
在步骤104中，对同一组中三波长的新光强进行微分处理，并采用同一组中三波长的新光强及对应的光强微分结果计算同一组三波长的输出相位；
实施时，本方案优选对同一组中三波长的新光强进行微分处理的计算公式为：
其中，为的微分；Ti,k为第i组中第k个波长的新光强微分结果；
计算同一组三波长的输出相位的计算公式为：
其中，S1、S2和S3分别为同一组中三波长的新光强；T1、T2和T3分别为S1、S2和S3的微分结果。
具体地，在计算同一组三波长的输出相位的过程可以进一步细化为：
采用式(1)三角函数关系得到每一个波长的光强信号乘以另两路微分信号的差如式(2)所示：
sin(α+β)-sin(α-β)＝2cosαsinβ (1)
再利用三角函数关系式(3)，将每一个光强信号与另外两路微分后的差相乘并相加，得到关于相位导数的表达式(4)
为消除光源波动带来的I0变化，把3个波长的新光强平方相加，可得式(5)：
再用式(4)除以式(5)即可消除I0，再经积分运算后即可得到一组中间结果Vout：
最后对中间结果Vout积分，即可得最终的输出相位
在步骤105中，当所选取的N组相位差互为120°的三波长的输出相位均已计算出时，采用N个输出相位相加求平均得到相位解调结果
采用多组三波长消除直流分量后，在对多组输出相位求平均作为相位解调结果，可以大大降低相位信号波动。
如图2所示，本方案还提供一种应用于基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法的解调装置，其包括扫描半导体激光器、耦合器或环形器、光纤FP传感器、光电探测器和计算机，光路依次为扫描半导体激光器、耦合器或环形器、光纤FP传感器、耦合器或环形器与光谱探测装置，所述光谱探测装置与计算机连接。
综上所述，本方案采用光纤FP传感器全光谱信息，通过使用光谱中相位相隔120°的点，每三个一组进行解调，最后求其平均值反应光纤FP传感器的相位变化，通过该种方式以降低噪声影响和降低外界环境的影响。
Claims (7)
1.基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法，其特征在于，包括：
探测光纤FP传感器的全光谱信息；
将光纤FP传感器的全光谱导入计算机中，并从全光谱中选取N组相位差互为120°的三波长；
基于三角函数关系，采用三波长对称解调消除每个波长对应光强中的直流分量，得到每个波长的新光强；
对同一组中三波长的新光强进行微分处理，并采用同一组中三波长的新光强及对应的光强微分结果计算同一组三波长的输出相位；
当所选取的N组相位差互为120°的三波长的输出相位均已计算出时，采用N个输出相位相加求平均得到相位解调结果。
2.根据权利要求1所述的基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法，其特征在于，所述探测光纤FP传感器的全光谱信息进一步包括：
将扫描半导体激光器发出的光经传光器件打入光纤FP传感器，并将光纤FP传感器返回的反射光经传光器件另一端进入光谱探测装置，探测得到光纤FP传感器的全光谱。
3.根据权利要求2所述的基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法，其特征在于，所述传光器件为环形器或耦合器。
4.根据权利要求2所述的基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法，其特征在于，所述扫描半导体激光器的光谱窗口大于或等于其自由光谱范围。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法，其特征在于，所述基于三角函数关系，采用三波长对称解调消除每个波长对应光强中的直流分量，得到每个波长的新光强进一步地包括：
计算每个波长的光强：
其中，Ii,k(t)为第i组中第k个波长的光强，i＝1，2，3，…，N，k＝1，2，3；I0为光源发出光的光强；为第i组中三波长在t时刻的相位值；D为直流分量；
基于三角函数关系，采用三波长对称解调构建消除光强中的直流分量的因子A：
根据因子A和光强，消除每个光强中的直流分量得到新光强：
其中，Si,k为第i组中第k个波长的新光强。
6.根据权利要求5所述的基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法，其特征在于，对同一组中三波长的新光强进行微分处理的计算公式为：
其中，为的微分；Ti,k为第i组中第k个波长的新光强微分结果；
计算同一组三波长的输出相位的计算公式为：
其中，S1、S2和S3分别为同一组中三波长的新光强；T1、T2和T3分别为S1、S2和S3的微分结果。
7.一种应用于权利要求1-6任一所述的基于全光谱的光纤FP传感器的解调方法的解调装置，其特征在于，包括扫描半导体激光器、耦合器或环形器、光纤FP传感器、光电探测器和计算机，光路依次为扫描半导体激光器、耦合器或环形器、光纤FP传感器、耦合器或环形器与光谱探测装置，所述光谱探测装置与计算机连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190726 |
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