CN110793557B - 用于短腔光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种用于短腔光纤法布里‑珀罗传感器的腔长解调方法。本发明要解决光纤法布里‑珀罗传感器光源光谱宽度太窄时，短腔光纤法布里‑珀罗传感器无法准确解调的问题。所提出的方法是：采用宽带光源照射光纤法布里‑珀罗传感器，并采集光纤法布里‑珀罗传感器的反射光谱，将反射光谱信号由波长域变换到光频域，对得到的光频域信号去直流量并做平方运算，然后利用重心法寻找光谱的峰值点和谷值点，进而求取光谱周期，计算出光纤法布里‑珀罗传感器的腔长值。本发明可有效实现短腔长光纤珐珀传感器的精确解调，并扩展了光源宽度有限时，光纤法布里‑珀罗传感器的腔长解调范围。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种用于短腔光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调方法。
背景技术
光纤法布里-珀罗传感器可用于测量许多不同种类的物理参数，例如压力，应变/应力，温度，振动等。由于其尺寸小，重量轻，灵敏度高，抗电磁干扰等优点，光纤法布里-珀罗传感器已在各个不同领域得到了广泛的应用。
光纤法布里-珀罗传感器实际应用的主要问题之一是对其腔长的高分辨率解调。目前最典型、最有效的方法是光谱解调，其中，宽带光源发出的光到达光纤法布里-珀罗传感器，并由光谱分析仪(OSA)或光电探测器收集反射或透射光谱，进而对光谱信号进行分析处理可计算出被解调腔长值，由此便可以测量直接或间接影响腔长的任何外部参数。从光纤法布里-珀罗传感器的反射或透射光谱中提取腔长的方法主要有以下三种：傅里叶变换法，互相关法和峰值追踪法。
在傅立叶变换方法中，使用傅立叶或快速傅立叶变换将光纤法布里-珀罗传感器的反射或透射光谱从波长域转换为腔长域，峰值位置即为被测腔长。互相关法对实际法布里-珀罗传感器和具有可调腔长的虚拟法布里-珀罗传感器的反射或透射光谱进行互相关，互相关结果的最大值即为被测腔长。这两种方法都可以获得绝对腔长，但是，傅立叶变换法的分辨率通常受光源光谱宽度的限制；而互相关法在光源的光谱宽度不够宽时，不能保证腔长的精确解调，并且存在很大误差，最大可引入中心波长的一半。
峰值追踪法的工作原理是：跟踪反射或透射光谱中两个峰的波长位置，以提取光纤法布里-珀罗传感器的腔长。该方法存在着下述问题：腔长解调能力受到所用光源的光谱宽度的限制，如果腔长太短而光谱宽度又不够宽，即光源3-dB带宽小于法珀腔频域光谱信号周期时，则反射或透射光谱中最多只有一个峰或者谷出现，无法实现腔长的计算。
发明内容
针对现有技术在光源光谱宽度不够宽时，无法实现腔长计算的问题，本发明提出了一种用于短腔光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调方法。
为了达到本发明的目的，本发明提出的方案如下：一种用于短腔光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调方法，首先采集光纤法布里-珀罗传感器的反射光谱，将反射光谱信号变换到光频域并滤除其中的直流量，再对滤除直流成分的光谱信号进行平方运算，然后对平方后的信号寻找峰值和谷值，最后求取光谱周期，计算出光纤法布里-珀罗传感器的腔长值。
上述方法具体包含以下步骤：
步骤1：使用光谱仪采集光纤法布里-珀罗传感器的反射光谱信号，并将其变换至光频域；
步骤2：滤除光频域光谱信号的直流量，获得去直流的频域反射光谱信号；
步骤3：对去直流之后的频域反射光谱信号进行平方运算；
步骤4：采用重心法在步骤3得到的平方之后的反射光谱信号中寻找峰值点和谷值点；
步骤5：由两相邻峰值点和谷值点计算频域光谱周期，并计算光纤法布里-珀罗传感器的腔长值。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、所提出的平方寻峰解调方法对光纤法布里-珀罗传感器反射光谱去直流量后平方运算，使得频率反射光谱信号的周期变短为原信号的1/2，从而增加了光谱范围内的峰和谷的数量，使得在光谱范围小于法珀腔频域光谱信号周期的条件下，一些只有一个反射峰或者谷的光纤法布里-珀罗传感器能够通过寻峰法获得解调，使得一定腔长范围内原先无法获得解调的短腔光纤法布里-珀罗传感器可以被解调，增加了光纤法布里-珀罗传感器采用光谱法解调时的腔长解调范围。
2、所提出的平方寻峰解调方法，可以在常规的针对光纤法布里-珀罗传感器的光谱解调系统中使用，降低了对光源带宽的要求，无需增加硬件投入，即可实现短腔光纤法布里-珀罗传感器的解调。
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(a)为波长域转频域结果图。
图4(b)为滤除直流量结果图。
图4(c)为重心法寻峰结果图。
图5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-短腔光纤法布里-珀罗传感器，4-光谱仪，5-上位机。
具体实施方式
下面将通过附图和实施例对本发明进行详细地说明。
参见图1，本方法的硬件运行基于公知的光纤法布里-珀罗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到达光纤法布里-珀罗传感器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，传给上位机5进行解算。
本发明提供的用于短腔光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调方法的原理是：基于光纤法布里-珀罗传感器法珀腔体的结构，光纤法布里-珀罗传感器在特定波长λ下的反射率可以表示为：
其中，R1和R2是法布里-珀罗腔两个反射面的反射率，n是腔体中填充材料的折射率，L是法布里-珀罗腔的长度，通过ν＝c/λ可以将公式转换到光频域：
其中，c表示真空中光速，ν为光频率。显然，在光频域中，光谱函数是光频率ν的周期函数，周期T可以由下式给出：
当频率满足：
光纤法布里-珀罗传感器的反射率RFP(v)得到最大值，对应曲线的峰值；
当频率满足：
光纤法布里-珀罗传感器的反射率RFP(v)得到最小值，对应曲线的谷值，任意两个相邻的峰值或谷值之间的频率差为：
如果使用宽带光源照射光纤法布里-珀罗传感器并采集其反射光谱，得到反射率与频率之间的关系，则可以利用峰值追踪法来定位任意两个相邻的反射峰或谷以得到信号周期，进而计算出腔长
然而此方法只适用于当反射光谱中至少包含两个峰或谷，即2T＝c/(nL)≤Δv，其中，Δv是光频域中光源的3dB光谱宽度。如果反射光谱中只存在一个峰或谷，即T＝c/(2nL)≤Δv时，该方法将失效，但是，根据：
则仍可以通过公式(7)得到光频域的周期来计算腔长。如果腔长太短，L＜c/(2nΔv)时，则在某些情况下，反射光谱中只有一个峰或谷，传统的峰值追踪法将失效。
令A＝(R1+R2)/(1+R1R2)且
公式(2)可以写成
显然有，
RFP(vm+1/2)＝A. (11)
从反射率中减去常数项A，然后平方，我们可以得到
在公式的余弦项中，除了频率v之外，还有2v的双频。
当频率满足v2m+1/2＝(2m+1/2)c/(4nL)或v2m+3/2＝(m+3/2)c/(4nL)时
(RFP(v)-A)2＝0, (13)
它们是频谱信号平方的最小值，即对应于曲线的谷点。
当频率满足v2m+1＝(2m+1)c/(4nL)时，公式(12)达到峰值
当频率满足v2m＝(2m)c/(4nL)时，公式(12)亦达到峰值
尽管任意两个相邻的峰值都不相同，但是，相邻的峰值与谷值的频率差满足
如果光源光谱宽度Δv不小于T，即L≥c/(2nΔv)时，则在光谱范围内至少会出现两个相邻的峰或谷，公式(16)可用于确定T/2。如果c/(2nΔv)＞L≥c/(4nΔv)，则在光谱范围内将出现至少一个峰及其相邻的一个谷，则可以使用公式(17)确定T/4。然后，可以通过公式(7)确定腔长。
对于R1＝1，R2＝1的低精细光纤法布里-珀罗传感器，光纤法布里-珀罗传感器的反射率可近似为
其中，A＝R1+R2，
如果滤除常数项A，可以得到
平方之后有，
显然，反射率的平方与光频率的关系是2倍的，新的信号周期是
如果频谱宽度Δv不小于2TD，即L≥c/(2nΔv)，则在频谱范围内将出现两个峰值，如果c/(2nΔv)＞L≥c/(4nΔv)，则在光谱范围内将出现至少一个峰及其相邻的一个谷，在这两种情况下，都可以使用峰值追踪法确定TD，然后，可以通过以下方法确定腔长：
如果腔长太短，即L＜c/(4nΔv)，可以滤除公式(18)中的直流量，然后再对结果平方，使得反射率的四次方与光频率的关系将再次倍频，新的信号周期为：
在相同的光频率范围内将出现一个完整的周期或一个额外的峰值，因此如果L≥c/(8nΔv)，则可以解调较短的腔长。通过重复使用滤除直流量和平方运算以在光频域中实现光频域信号的N倍频化，该方法可用于解调短腔光纤法布里-珀罗传感器。
参见图2，一种用于短腔光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调方法，首先采集光纤法布里-珀罗传感器的反射光谱，将反射光谱信号变换到光频域并滤除其中的直流量，再对滤除直流成分的的光谱信号进行平方运算，然后对平方后的信号寻找峰值和谷值，最后求取光谱周期，计算出光纤法布里-珀罗传感器的腔长值。
本发明具体包括以下步骤：
步骤1：使用光谱仪采集光纤法布里-珀罗传感器的反射光谱信号，并将其变换至光频域；
步骤2：滤除光频域光谱信号的直流量，获得去直流的频域反射光谱信号；
步骤3：对去直流之后的频域反射光谱信号进行平方运算；
步骤4：采用重心法在步骤3得到的平方之后的反射光谱信号中寻找峰值点和谷值点；
步骤5：由两相邻峰值点和谷值点计算频域光谱周期，并计算光纤法布里-珀罗传感器的腔长值。
实施例：本实施例中，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：1546nm。以腔长15.451μm的光纤法布里-珀罗传感器为例，其反射光谱信号参见图3。
一种用于短腔光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调方法，具体步骤如下：
步骤1：使用光谱仪采集光纤法布里-珀罗传感器的反射光谱信号，并将其变换至光频域v，光谱信号记为Y(v)，图4(a)为转到光频域的光谱图；
步骤2：滤除光频域光谱信号的直流量，获得去直流的频域反射光谱信号，相关运算结果如图4(b)所示，可以看到光谱中只存在一个峰值；
步骤3：对去直流之后的频域反射光谱信号进行平方运算，相关运算结果如图4(c)所示，可以看到经过平方后的光谱出现了一个峰值一个谷值；
步骤4：采用重心法在步骤3得到的平方之后的反射光谱信号中寻找峰值点和谷值点，其值分别为191.744609375THz和194.169282852THz；
步骤5：由两相邻峰值点和谷值点计算频域光谱周期T/4＝2.424673477THz，可以计算出光纤法布里-珀罗传感器的腔长值为15.466μm。
进一步的，利用光纤法布里-珀罗传感器腔长乘方解调方法对15～25μm的法珀腔进行解调，制作了五个不同腔长的光纤法布里-珀罗传感器，其腔长分别为15.451μm，18.346μm，20.741μm，23.244μm，24.665μm。图5为标准腔长值与腔长解调结果之间的曲线关系，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0.030μm。
Claims (2)
1.一种用于短腔光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调方法，首先采集光纤法布里-珀罗传感器的反射光谱，将反射光谱信号变换到光频域并滤除其中的直流量，再对滤除直流量的光谱信号进行平方运算，然后对平方后的信号寻找峰值和谷值，最后求取光谱周期，计算出光纤法布里-珀罗传感器的腔长值。
2.根据权利要求1所述的用于短腔光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调方法，其特征在于：包含以下步骤
步骤1：使用光谱仪采集光纤法布里-珀罗传感器的反射光谱信号，并将其变换至光频域；
步骤2：滤除光频域光谱信号的直流量，获得去直流的频域反射光谱信号；
步骤3：对去直流之后的频域反射光谱信号进行平方运算；
步骤4：采用重心法在步骤3得到的平方之后的反射光谱信号中寻找峰值点和谷值点；
步骤5：由两相邻峰值点和谷值点计算频域光谱周期，并计算光纤法布里-珀罗传感器的腔长值。
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