CN109916434B - 一种光纤法珀传感器腔长多倍频相关解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤法珀传感器腔长多倍频相关解调方法。本发明要解决传统互相关函数峰值之间差异小导致判断模糊的问题，所提供的方法是：采用白光光源发出的宽带光照射光纤法珀传感器，并采集光纤法珀传感器的反射光谱，将反射光谱信号与单倍频模板函数进行互相关运算，得到多个离散的峰值，再将反射光谱信号与多倍频模板函数进行互相关运算，提取多倍频互相关曲线的包络，将包络曲线的波谷位置作为基准，与单倍频相关得到的多个离散的峰值作比较，取最接近包络曲线波谷位置的单倍频信号峰值为对应的光纤法珀传感器的腔长值。本发明有效提高了光纤珐珀传感器的解调精度。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤法珀传感器腔长多倍频相关解调方法。
背景技术
光纤法珀腔传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、动态响应范围大和抗电磁干扰等优点，根据具体结构的不同，它可将压力、应变、温度等信息转化为法珀腔长度信息，广泛应用于航空航天、桥梁、油田、大坝等不同领域。
光纤法珀传感器应用的关键是对传感器法珀腔腔长的解调。目前最典型的解调方法为相位解调。相位解调法主要分为峰值追踪法、傅里叶变换法和互相关法。峰值追踪法通过定位光谱中峰值位置的相对变化来确定腔长，其中单峰法适用于传感器解调的相对腔长；双峰法及多峰法适用于解调绝对腔长。峰值追踪法在解调时需要准确定位谱峰的波长位置，因此解调精度取决于谱峰波长定位方法的精度，且解调中易出现级次判断错误的问题。傅里叶变换方法中本身存在的栅栏效应，遮挡有效信息点，频率分辨率被降低，不适用于光源光谱较窄的法珀传感系统的腔长解调。
相关解调法即将信号函数与对应的模板函数卷积，利用模板函数与信号的特点匹配程度高时，互相关系数极大值对应的腔长定位准确的原理进行腔长解调。在解调方法中，同时使用反射光谱信号频率信息和相位信息，相比仅使用频率信息、相位信息的解调方法该解调更为准确。但采用相关法解调法解调光纤珐珀传感器仍然存在着下述问题是：由于使用的是低细度的光纤珐珀传感器，其反射光谱近似于余弦函数，在互相关运算时互相关系数有多个极大值，即互相关函数图谱的包络峰值趋于平缓不利于峰值位置的准确定位，导致解调精度受限。
发明内容
针对现有的相关法解调法对互相关函数峰值定位不准确问题，本发明提出了一种光纤法珀传感器腔长多倍频相关解调方法。
为了达到本发明的目的，本发明提出的方案如下：
一种光纤法珀传感器腔长多倍频相关解调方法，首先采集光纤法珀传感器的反射光谱，将反射光谱信号与单倍频模板函数进行互相关运算，得到多个离散的峰值；再将反射光谱信号与多倍频模板函数进行互相关运算，提取多倍频互相关曲线的包络，将包络曲线的波谷位置作为基准，与单倍频相关得到的多个离散的峰值作比较，最后取最接近包络曲线波谷位置的单倍频信号峰值为对应的光纤法珀传感器的腔长值。
进一步的，包含以下步骤：
步骤1：采集光纤珐珀传感器的反射光谱信号：光谱仪采集光纤珐珀传感器的反射光谱信号，并把光谱信号坐标由波长λ变为频率v，光谱信号记为Y(v)；
步骤2：单倍频互相关计算：将实测的反射光谱信号Y(v)与模板函数C0(v)做相关运算，模板函数取
从而得到单倍频互相关函数表达式为：
式中，v1和v2为光谱仪所探测到整个信号的频域范围，互相关后得到多个离散的峰值，将峰值坐标记为LK；
步骤3：多倍频互相关计算：将实测的反射光谱信号Y(v)与模板函数C1(v)做相关运算，模板函数C1(v)为C0(v)的m倍，其中，m为大于2的整数，模板函数取
从而得到多倍频互相关函数表达式为：
步骤4：包络提取：提取多倍频互相关曲线的包络，并得到包络的波谷位置，记为点x；
步骤5：峰值检测：在LK中寻找最接近点x的峰值坐标，峰值坐标即为对应的光纤法珀传感器的腔长值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、所提出的多倍频相关方法利用多倍频互相关函数约束传统互相关函数最大系数值的范围，确定了传统互相关系数极大值对应的腔长值，有效提高了光纤珐珀传感器解调系统的精度。
2、本发明采用多倍频相关方法，不需要完整周期的光谱信号就可解算出法珀腔的腔长值。本发明解决了在傅里叶变换中出现的栅栏效应、降低频率分辨率和缩短光谱测量范围，能够对较短频谱范围内周期不完整的光谱信号解调，从而可以显著降低解调系统对光源带宽的要求。
3、该方法的硬件使用条件不变，可以在现有的设备上直接使用，降低了设备的投资成本。
附图说明
图1为采用本发明方法的光纤法珀传感系统的结构示意图。
图2为本发明实施例的运算流程图。
图3为光纤珐珀传感器反射光谱仿真图。
图4为单倍频互相关运算结果图。
图5为提取多倍频互相关曲线的包络结果图。
图6为提取多倍频互相关曲线的包络局部放大图。
图7为利用多倍频互相关方法解调腔长示意图。
图8为理论腔长值与实际腔长值之间的关系图。
图中，1-ASE宽带光源，2-光学环行器，3-光纤法珀传感器，4-光谱仪，5-解调电路，6-上位机。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
本发明提供的一种光纤法珀传感器腔长多倍频相关解调方法，采用多倍频互相关法对采集到的光纤法珀传感器的反射光谱进行处理，进行高精度的腔长值解调，其中的核心是利用多倍频互相关函数约束传统互相换函数最大系数值的范围，确定传统互相关系数极大值对应的腔长值。
参见图1，本方法的硬件运行基于公知的光纤法珀传感器腔长解调系统。系统中ASE宽带光源1发出的宽带光通过光学环行器2到达光纤法珀传感器3，反射光由光学环行器的3端口出射通过光谱仪4将光信号转换为电信号，再由解调电路5采集电信号进行腔长解算，上位机6显示解算结果。选用ASE宽带光源做为系统光源，光源的光谱范围为1524～1570nm，中心波长：1550nm。以腔长80μm的光纤法珀传感器为例，其反射光谱信号如图3。
参见图2，一种光纤法珀传感器腔长多倍频相关解调方法，其过程是：采集反射光纤法珀传感器的光谱，将反射光谱信号与单倍频模板函数进行互相关运算，得到多个离散的峰值，再将反射光谱信号与多倍频模板函数进行互相关运算，提取多倍频互相关曲线的包络，将包络曲线的波谷位置作为基准，与单倍频相关得到的多个离散的峰值作比较，取最接近包络曲线波谷位置的单倍频信号峰值为对应的所解调的腔长值。
实施例：
一种光纤法珀传感器腔长多倍频相关解调方法，具体步骤如下：
步骤1：采集光纤珐珀传感器的反射光谱信号：光谱仪采集光纤珐珀传感器的反射光谱信号，并把光谱信号坐标由波长λ变为频率v，光谱信号记为Y(v)；
步骤2：单倍频互相关计算：将实测的反射光谱信号Y(v)与模板函数C0(v)做相关运算，模板函数取
从而得到单倍频互相关函数表达式为：
相关运算结果如图4所示，可以看到互相关函数图谱的包络峰值在75μm～85μm之间趋于平缓，得到单倍频互相关的腔长值约为79μm；
步骤3：多倍频互相关计算：将实测的反射光谱信号Y(v)与模板函数C1(v)做相关运算，模板函数C1(v)为C0(v)的m倍，其中，m为大于2的整数，模板函数取
从而得到多倍频互相关函数表达式为：
步骤4：包络提取：提取多倍频互相关曲线的包络，结果如图5所示，得到包络的波谷位置，记为点x，x＝80.079μm，图6为包络的局部放大图，能够更准确地判断出多倍频互相关曲线的波谷位置；
步骤5：峰值检测：在75～85μm中寻找最接近点x＝80.079μm的峰值坐标，峰值坐标即为对应的光纤法珀传感器的腔长值，最终腔长值为80μm。结果如图7所示，图中可以明显看出多倍频互相关曲线的包络波谷位置对应的单倍频信号峰值是最接近理论腔长值的。
进一步的，利用光纤法珀传感器腔长多倍频相关解调方法对70～160μm的法珀腔进行解调，图8为理论腔长值与实际腔长值之间的曲线关系，可以看出两者之间呈现良好的线性关系。经过计算，解调误差小于4nm。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (1)
1.一种光纤法珀传感器腔长多倍频相关解调方法，其特征在于，首先采集光纤法珀传感器的反射光谱，将反射光谱信号与单倍频模板函数进行互相关运算，得到多个离散的峰值；再将反射光谱信号与多倍频模板函数进行互相关运算，提取多倍频互相关曲线的包络，将包络曲线的波谷位置作为基准，与单倍频相关得到的多个离散的峰值作比较，最后取最接近包络曲线波谷位置的单倍频信号峰值为对应的光纤法珀传感器的腔长值；
包含以下步骤：
步骤1：采集光纤珐珀传感器的反射光谱信号：光谱仪采集光纤珐珀传感器的反射光谱信号，并把光谱信号坐标由波长λ变为频率v，光谱信号记为Y(v)；
步骤2：单倍频互相关计算：将实测的反射光谱信号Y(v)与单倍频模板函数C0(v)做相关运算，单倍频模板函数取
从而得到单倍频互相关函数表达式为：
式中，v1和v2为光谱仪所探测到整个信号的频域范围，互相关后得到多个离散的峰值，将峰值坐标记为LK；
步骤3：多倍频互相关计算：将实测的反射光谱信号Y(v)与多倍频模板函数C1(v)做相关运算，多倍频模板函数取
m为大于2的整数，从而得到多倍频互相关函数表达式为：
步骤4：包络提取：提取多倍频互相关曲线的包络，并得到包络的波谷位置，记为点x；
步骤5：峰值检测：在LK中寻找最接近点x的峰值坐标，峰值坐标即为对应的光纤法珀传感器的腔长值。
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