CN103644974A - 一种光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的计测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的计测方法。该方法首先通过已有的常规波长扫描技术获取光纤光栅中心波长发生位移前后的反射谱功率数组；然后计算两反射谱功率数组的粗延迟评价函数，获得粗延迟量；而后进行精细延迟评价函数计算，获得精细延迟量；最后由总延迟量直接换算出光纤布拉格光栅反射谱中心波长的位移量。本发明的特点是通过计算两反射谱功率数组延迟量的方法直接计测波长位移量，采用粗延迟计测和精细延迟计测相结合的技术方案，既实现了高精度计测，又减小了运算量。本发明可应用到光纤布拉格光栅透射谱中心波长位移以及长周期光纤光栅中心波长位移的计测，因此，本发明在光纤光栅传感器领域具有重要的应用价值。

Description

一种光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的计测方法

技术领域

本发明属于光纤布拉格光栅传感技术领域，具体涉及一种光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的计测方法

背景技术

光纤布拉格光栅传感器在应变检测、压力传感等很多领域具有广泛的应用前景，其基本原理是通过检测光纤布拉格光栅反射谱中心波长的位移实现对传感物理量的测量。为提高光纤光栅传感物理量的测量精度，在提高光纤光栅传感器灵敏度的同时，对光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的检测精度也提出了更高的测量要求，因此光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的检测技术是光纤布拉格光栅传感器的关键技术之一。

已有的光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的检测技术多是先对光纤布拉格光栅反射谱中心波长进行检测，然后计算两次反射谱中心波长的差值，属于波长位移的间接测量。目前光纤布拉格光栅反射谱中心波长的检测方法主要有光谱仪法、PZT扫描跟踪法、匹配滤波法、可调谐滤波法、边缘滤波法等，这些检测方法的核心是精确测量光纤布拉格光栅反射谱中心波长的数值。但是由于中心波长绝对数值的标校本来就比较困难，再加上光路噪声和电路噪声等干扰的影响，限制了反射谱中心波长位移检测精度的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新颖的光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的计测方法，以克服已有技术的不足。

研究发现，光纤布拉格光栅在传感过程中反射谱形状基本保持不变，仅是反射谱中心波长发生位移，因此光纤光栅中心波长的位移体现在其反射谱功率数组存在延迟量，即光纤光栅中心波长的位移量与其反射谱的延迟量成比例关系，因此基于光纤布拉格光栅反射谱数据的上述特点，通过计测不同反射谱功率数组的延迟量，就可实现对光纤光栅反射谱中心波长位移的直接计测，从而避免了光纤光栅中心波长绝对数值的检测环节。

另外，受到波长扫描步长的限制，常规波长扫描技术的波长位移计测精度一般为波长扫描步长的量级，即整数点的延迟量。为进一步提高计测精度，本发明在常规波长扫描技术的基础上，采用了粗延迟计测与精细延迟计测相结合的技术方案。粗延迟计测通过相关处理技术旨在消除噪声影响，完成了整数点级别的延迟量计测；精细延迟计测通过精细频谱相位处理技术完成了更细级别的延迟量计测，从而突破了波长扫描步长的限制，实现了高精度的波长位移计测。

本发明的步骤如下：

步骤1：首先采用已有的常规光纤光栅波长扫描技术设置起始扫描波长W₁、波长扫描步长W_T和扫描点数N，并对光纤布拉格光栅反射谱进行扫描，即获得光纤光栅对不同输入波长的光功率反射值数组；将光纤光栅中心波长位移前（未发生位移时）的反射谱功率数组记为P₁（i），将光纤光栅中心波长发生一定位移后的反射谱功率数组记为P₂（i），上述i为索引下标，其数值为从1到N的正整数；

步骤2：再对上述两光纤光栅反射谱功率数组P₁（i）和P₂（i）进行粗延迟评价函数R₁（m）计算，计算公式为

所述M为最大延迟量整数，其数值为不大于N/4的最大正整数；所述m为索引下标，其数值为从-M到M的整数；然后确定所述粗延迟评价函数R₁（m）的最大值,该最大值所对应的索引下标m的数值即为粗延迟量T₁；

步骤3：对光纤光栅反射谱功率数组P₂（i）按照P₃（i）=P₂（i+T₁）公式计算获取数组P₃（i）；所述i为索引下标，其数值为从1到N的正整数；所述P₂（i+T₁）在计算过程中，若i+T₁的数值大于N或者小于1，则P₂（i+T₁）取值为0，即此时P₃（i）=P₂（i+T₁）=0；

步骤4：对上述反射谱功率数组P₁（i）和P₃（i）进行精细延迟评价函数R₂（i）计算，其计算公式为：

S（i）=FFT[P₁（i）]/FFT[P₃（i）]；

D（i）=angle[S（i）]；

R₂（i）=N·D（i）/(2π·i)；

所述S和D为计算过程临时变量数组，所述FFT为快速傅立叶变换函数，所述angle为复数相位角求解函数；所述i为索引下标，其数值为从1到N的正整数；

步骤5：再对所述精细时延评价函数R₂（i）按照

公式进行计算，获得精细延迟量T₂；所述L为截止索引下标，其数值在5至15之间取某个整数值；

步骤6：最后将所述粗延迟量T₁和所述精细延迟量T₂相加形成总延迟量T，即T=T₁+T₂；再将所述总延迟量T与所述波长扫描步长W_T相乘得到波长位移ΔW，即ΔW=T×W_T，从而完成对光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的计测。

上述步骤1中的常规波长扫描技术为可调谐窄带光源法或者可调谐滤波法等已有的光纤光栅波长扫描技术。

上述步骤1中的光纤光栅传感器反射谱功率数组P₁和P₂所对应的波长扫描范围一致，即所述步骤1中的起始扫描波长W₁、波长扫描步长W_T和扫描点数N一致，否则导致计测结果有误。另外，波长扫描范围要足够宽，不仅要包含光纤光栅发生位移前后的反射峰，且要在反射峰两侧各包含至少2倍反射峰宽度的扫描范围。波长扫描点数N应大于100，以保证计测精度。

上述步骤5中的截止索引下标L的用途是数据平滑，不仅减小了运算量，还消弱了噪声影响。L数值根据反射谱功率数组起伏情况在5至15之间取整数值，数值越小则滤波平滑作用越强。

本发明可广泛地应用于光纤布拉格光栅透射谱的中心波长位移和长周期光纤光栅中心波长位移的高精度检测。

本发明的特点和有益效果是：

本发明提出了光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的直接计测方法，并大幅度消除了噪声影响，提高了检测精度。本发明方法无需先后两次检测光纤光栅反射谱中心波长的数值，而是通过计算反射谱功率数组延迟量的方法直接计测波长位移量。同时，本发明突破了波长扫描步长的限制，实现了高精度的波长位移计测。因此，本发明在光纤光栅传感器领域具有重要的应用价值。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为本发明实施例的光纤光栅中心波长发生位移前后的反射谱功率数组曲线。

图3为本发明实施例的粗延迟评价函数曲线。

图4为本发明实施例的精细延迟评价函数曲线。

具体实施方式

实施例

如图1的流程框图所示，该方法的具体实施步骤为：

步骤1：采用可调谐窄带光源法波长扫描技术，设置起始扫描波长W₁为1528.5nm，固定扫描步长W_T为0.005nm，扫描点数N为600点，扫描获得光纤光栅位移前（未发生位移时）的反射谱功率数组为P₁，光纤光栅发生位移后的反射谱功率数组为P₂。P₁和P₂数组长度为600点，其曲线如图2所示（P₁数组的中心波长为1530.000000nm，P₂数组的中心波长为1530.250555nm）。

步骤2：设置最大延迟量整数取为150，采用

公式计算粗延迟评价函数R₁（m），结果如图3所示，所述m取值范围为-150到150的整数。然后寻找粗延迟评价函数R₁（m）的最大值，最大值所对应的索引下标m数值为50，因此粗延迟量T₁为50。

步骤3：对反射谱功率数组P₂采用公式P₃（i）=P₂（i+50）进行延迟，其中索引下标i的取值范围为从1到600的整数；当i大于等于550后，此时P₂的索引下标超出范围，因此P₃（i）=0。

步骤4：分别对所述P₁和P₃数组进行FFT变换，然后求解变换后数组的相位差D，计算精细延迟评价函数R₂。整个计算过程为：

S（i）=FFT[P₁（i）]/FFT[P₃（i）]；

D（i）=angle[S（i）]；

R₂（i）=N·D（i）/(2π·i)；

所述FFT为快速傅立叶变换函数，所述angle为复数相位角求解函数。所述S为复数数组，D和R₂为实数数组。计算得出的精细延迟评价函数R₂曲线如图4所示。

步骤5：设置过滤选择所用的截止索引下标,L=10，采用

计算精细延迟量T₂，计算结果为T₂=0.1115。

步骤6：将粗延迟量T₁和精细延迟量T₂相加形成总延迟量T，T=50.1115；则光纤光栅物理量传感前后的反射谱中心波长位移量为ΔW=50.1115×5pm=250.5575pm。

该结果与真值250.555pm存在0.0025pm的偏差，该偏差对应的延迟量为0.0005，即该数值为波长扫描步长的0.0005倍。可见，精细延迟计测则可实现更精细的延迟计测。多次结果统计表明，本发明的精细延迟计测可达到0.001点的计测精度（每1点对应1个波长扫描步长），即将计测精度提升了三个数量级。

虽然参照上述实施例描述了本发明，但是本发明不应该局限于该实施例和附图公开的内容，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。

Claims (5)

1.一种光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的计测方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

步骤1：首先采用已有的常规光纤光栅波长扫描技术设置起始扫描波长W₁、波长扫描步长W_T和扫描点数N，并对光纤布拉格光栅反射谱进行扫描，即获得光纤光栅对不同输入波长的光功率反射值数组；将光纤光栅中心波长位移前的反射谱功率数组记为P₁（i），将光纤光栅中心波长发生一定位移后的反射谱功率数组记为P₂（i），上述i为索引下标，其数值为从1到N的正整数；

步骤2：再对上述两光纤光栅反射谱功率数组P₁（i）和P₂（i）进行粗延迟评价函数R₁（m）计算，计算公式为所述M为最大延迟量整数，其数值为不大于N/4的最大正整数；所述m为索引下标，其数值为从-M到M的整数；然后确定所述粗延迟评价函数R₁（m）的最大值,该最大值所对应的索引下标m的数值即为粗延迟量T₁；

步骤3：对光纤光栅反射谱功率数组P₂（i）按照P₃（i）=P₂（i+T₁）公式计算获取数组P₃（i）；所述i为索引下标，其数值为从1到N的正整数；所述P₂（i+T₁）在计算过程中，若i+T₁的数值大于N或者小于1，则P₂（i+T₁）取值为0，即此时P₃（i）=P₂（i+T₁）=0；

步骤4：对上述反射谱功率数组P₁（i）和P₃（i）进行精细延迟评价函数R₂（i）计算，其计算公式为：

S（i）=FFT[P₁（i）]/FFT[P₃（i）]；

D（i）=angle[S（i）]；

R₂（i）=N·D（i）/(2π·i)；

所述S和D为计算过程临时变量数组，所述FFT为快速傅立叶变换函数，所述angle为复数相位角求解函数；所述i为索引下标，其数值为从1到N的正整数；

步骤5：再对所述精细时延评价函数R₂（i）按照

公式进行计算，获得精细延迟量T₂；所述L为截止索引下标，其数值在5至15之间取某个整数值；

步骤6：最后将所述粗延迟量T₁和所述精细延迟量T₂相加形成总延迟量T，即T=T₁+T₂；再将所述总延迟量T与所述波长扫描步长W_T相乘得到波长位移ΔW，即ΔW=T×W_T，从而完成对光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的计测。

2.根据权利要求1所述的计测方法，其特征在于，所述步骤1中的光纤光栅传感器反射谱功率数组P₁（i）和P₂（i）所对应的波长扫描范围一致，即所述步骤1中的起始扫描波长W₁、波长扫描步长W_T和扫描点数N一致。

3.根据权利要求1所述的计测方法，其特征在于，所述的步骤1中的所述波长扫描点数N应为大于100的正整数。

4.根据权利要求1所述的计测方法，其特征在于，所述的步骤1中的常规波长扫描技术为可调谐窄带光源法或者可调谐滤波法。

5.权利要求1所述的光纤布拉格光栅反射谱中心波长位移的计测方法，应用于光纤布拉格光栅透射谱的中心波长位移或者长周期光纤光栅中心波长位移的计测。

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