CN111707300A - 一种光纤布拉格光栅的解调系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤布拉格光栅的解调系统及方法，包括依序连接、稳定设置的：光源、光环形器、光纤布拉格光栅、干涉器阵列；光源，用于发射宽频光并通过环形器的第一端口进入，第二端口输出到光纤布拉格光栅；光纤布拉格光栅，用于接收光源的光并反射，将反射的光从光环形器的第二端口进入第三端口输出到干涉器阵列，干涉器阵列，包括多个干涉器，用于接收光纤布拉格光栅从光环形器传输来的光，并将光的波长信息转换为强度信息，通过压缩感知技术利用强度信息解调光纤布拉格光栅。提出了采用包含多个干涉器的干涉器阵列对回波信号进行空域采样，提高了解调速度；引入压缩感知的思想，通过采样的随机化减少了对干涉器阵列的数目的要求，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及光纤布拉格光栅的解调技术领域，尤其涉及一种光纤布拉格光栅的解调系统及方法。
背景技术
光纤传感器因其敏感度高、抗干扰能力强、光纤纤细形状可变等优点普遍应用于温度传感、曲率传感等领域，其中光纤布拉格光栅因为制作工艺成熟、可以一条光纤上加工多个传感点等优点在光纤传感器中应用最为广泛。
目前光纤布拉格光栅的技术较为成熟，光纤布拉格光栅是将传统通信光纤经过掺杂、载氢等处理后，利用光刻技术在光纤内沿光传播方向刻写折射率周期变化的光栅，每一个折射率变化的界面都会让光能量少部分反射，而当界面间隔(光栅周期)与某个光的波长相一致时，该波长的能量就强烈反射，其它波长正常通过不被反射。当光栅收到如弯曲、温度变化等影响导致光栅周期发生变化时，该光栅反射的波长就发生改变，解调仪通过测量反射光的波长变化可以测量某个光栅受到的弯曲或温度变化。光栅对外界条件的变化非常敏感，一般微弧度级别的弯曲就可以造成光波长的变化。
目前光纤布拉格光栅工艺较为成熟，其主要研究热点在于解调方法。工程上较为成熟的解调方法速度较慢，一般回报率在百Hz以下，大部分产品在Hz级别，且解调速度与光栅数量、解调精度相关，因此光纤布拉格光栅目前更广泛应用于建筑物的长期形变测量、环境长期监测这些对测量速度要求不高的领域。由于光纤传感器的抗干扰、高精度及可任意变形等优点非常适合应用在机器人、可穿戴等领域，但受限于目前的解调速度慢且解调仪成本高昂等问题无法大规模应用。
光纤布拉格光栅的解调方法一般有两类，一种是激光波长在光谱范围内扫描，另一种是采用光谱仪解调。波长扫描型解调仪一般采用波长可变的激光器或腔长可变的波长鉴定器，这类器件使用PZT或MEMS器件驱动谐振腔前后反射面距离变化，也有使用电光或热光效应改变谐振腔介质折射率进而改变光学长度，光路中的光波长周期性扫描，将光纤布拉格光栅的反射光转变为时间序列上的脉冲串，当某个光栅反射光波长变化时，该脉冲返回时间改变，进而得到传感量，这种方法由于每次测量都需要进行全光谱范围扫描，因此测量速度较慢。第二种是使用光谱仪，同时采集光谱范围内所有光谱信息，虽然解调速度快但光谱仪价格昂贵，这种方法一般在实验室使用。具体的，如下所述。
一种采用光谱扫描的解调方法。光谱扫描一种是改变激光器腔长，激光器由谐振腔前后表面反射反复激发腔内介质产生激光，激光的波长由谐振腔的光学长度决定，当谐振腔的长度变化时发射的激光波长就发生改变，谐振腔长度周期性变化时发射的激光波长也在光谱范围内周期性扫描，由于可以将谐振腔扫描周期固定，因此发射激光波长变化的周期固定，当波长与光栅周期不一致时光能量不被反射，波长与光栅周期一致时光能量反射，由于多个光栅周期各不相同，反射光各不相同，这样就把光栅在光谱上的分布变为时间序列上的脉冲串。当某个光栅产生弯曲时，该光栅所反射的脉冲在时间上发生变化，由此可得到弯曲的曲率。缺点是：(1)每次测量需要扫描整个光谱，测量速度慢，目前产品化解调仪一般测量频率在百Hz以下，在机器人领域/可穿戴领域往往要求关节角度采样频率/回报率在KHz以上甚至更高；(2)由于使用了可变的精密光学器件，这类解调仪成本高，不适合小型化且难以适合所有工况。
激光器发射覆盖整个波段的宽谱光，经各个光栅反射后返回该光栅波长的光，在光谱上显示为一个个分立的谱峰，通过光谱仪一次性读取整个光谱并分析谱峰的变化。这种方法可以一次性读取整个光谱，比光谱扫描方法速度快。缺点是：(1)光谱仪价格非常昂贵，本方案一般只在实验室使用。(2)常用光谱仪一般光谱分辨率不如技术一方法的分辨率高。
所以现有技术中缺乏一种测量速度快、成本低的光纤布拉格光栅的解调方法。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明为了解决现有的问题，提供一种光纤布拉格光栅的解调系统及方法。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种光纤布拉格光栅的解调系统，包括依序连接、稳定设置的：光源、光环形器、光纤布拉格光栅、干涉器阵列；所述光源，用于发射宽频光并通过所述光环形器的第一端口进入，第二端口输出到所述光纤布拉格光栅；所述光纤布拉格光栅，用于接收所述光源的光并反射，将反射的光从所述光环形器的所述第二端口进入第三端口输出到所述干涉器阵列，所述干涉器阵列，包括多个干涉器，用于接收所述光纤布拉格光栅从所述光环形器传输来的光，并将所述光的波长信息转换为强度信息，通过压缩感知技术利用所述强度信息解调所述光纤布拉格光栅。
优选地，所述干涉器阵列包括大于所述光纤布拉格光栅的光栅数目的所述干涉器，且所述干涉器由两根不同长度光纤首尾融合构成，每个所述干涉器的两根所述光纤的差值在所述光纤布拉格光栅的相干长度以内且各不相同。
优选地，所述干涉器阵列中的每个所述干涉器的两根所述光纤的差值的精确值是预先确定的；所述光纤布拉格光栅的相干长度在厘米量级。
本发明还提供一种光纤布拉格光栅的解调方法，采用如上任一所述的光纤布拉格光栅的解调系统对所述光纤布拉格光栅进行解调，具体包括如下步骤：S1：获得干涉器阵列中每个干涉器的两根所述光纤的差值的精确值；S2：采用压缩感知的算法，在光源照射下将每个所述干涉器输出的光强值作为对时域信号的一次随机采样结果s，所述干涉器的两根所述光纤的差值的精确值作为随机采样的位置
S3：根据随机采样的位置
构造恢复矩阵A，所述恢复矩阵A由所述随机采样的位置
与频域正交基ψ相乘得到；S4：根据所述恢复矩阵A、所述随机采样结果s恢复频域信号f，完成光纤布拉格光栅的解调。
优选地，采用已知波长的激光对所述干涉器阵列进行扫描采用，并采集所述干涉器阵列中每个所述干涉器输出的光强值，获得所述干涉器的两根所述光纤的差值的精确值。
优选地，所述干涉器的两根所述光纤的差值通过如下公式计算：
其中，P1和P2分别为所述干涉器的两根所述光纤的光强，λ为进入所述干涉器的光波长，L1和L2分别为两根所述光纤的长度，n为折射率，
为相位噪声。
优选地，所述频域正交基ψ为离散余弦变换正交基。
优选地，通过优化算法迭代得到所述光纤布拉格光栅中每个光栅的反射波长。
优选地，所述优化算法是凸优化算法或正交匹配跟踪算法。
优选地，所述迭代的停止条件为所述光纤布拉格光栅的光栅个数、各所述光栅的波长范围；将光谱按光栅个数划分谱区，各谱区中选择最大似然的波长。
本发明的有益效果为：提供一种光纤布拉格光栅的解调系统及方法，提出了采用包含多个干涉器的干涉器阵列对回波信号进行空域采样，避免了传统解调方法需要对光谱进行扫描或采用光谱仪等精密分光器件等方案，提高了解调速度。
进一步地，引入压缩感知的思想，通过采样的随机化减少了对干涉器阵列的数目的要求，大大降低了干涉器阵列的成本。
附图说明
图1是本发明实施例中一种光纤布拉格光栅的解调系统的示意图。
图2是本发明实施例中波长信息转换为光强信息的示意图。
图3是本发明实施例中随机采样的示意图。
图4是本发明实施例中一种光纤布拉格光栅的解调方法的示意图。
图5是本发明实施例中一种压缩感知的算法的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
缩略语和关键术语定义：
1.MZ干涉器又称马赫-泽德干涉器，是指将同一光源的光束分为两路(每一路又称为臂)，然后再合束，合束时产生干涉现象，两路的光程差(臂长差)决定了干涉后光强增强还是减弱。如下所述的干涉器为MZ干涉器。
2.线宽是激光在光谱上的分布宽度，一般激光器发出的激光并不是只有一个波长，而是在光谱上有一个分布，如940nm激光二极管一般发射的光从930nm到950nm。
3.相干长度是两束光能产生稳定相干的光程差，一般激光线宽越窄，其相干长度越大，相干长度与线宽的关系大致为：
其中，等号左侧为线宽，L为臂长，n为介质折射率。
在现有技术中，一种采用光谱扫描的解调方法。光谱扫描一种是改变激光器腔长，激光器由谐振腔前后表面反射反复激发腔内介质产生激光，激光的波长由谐振腔的光学长度决定，当谐振腔的长度变化时发射的激光波长就发生改变，谐振腔长度周期性变化时发射的激光波长也在光谱范围内周期性扫描，由于可以将谐振腔扫描周期固定，因此发射激光波长变化的周期固定，当波长与光栅周期不一致时光能量不被反射，波长与光栅周期一致时光能量反射，由于多个光栅周期各不相同，反射光各不相同，这样就把光栅在光谱上的分布变为时间序列上的脉冲串。当某个光栅产生弯曲时，该光栅所反射的脉冲在时间上发生变化，由此可得到弯曲的曲率。每次测量需要扫描整个光谱，测量速度慢，目前产品化解调仪一般测量频率在百Hz以下，在机器人领域/可穿戴领域往往要求关节角度采样频率/回报率在KHz以上甚至更高；由于使用了可变的精密光学器件，这类解调仪成本高，不适合小型化且难以适合所有工况。
还有一种解调方式是激光器发射覆盖整个波段的宽谱光，经各个光栅反射后返回该光栅波长的光，在光谱上显示为一个个分立的谱峰，通过光谱仪一次性读取整个光谱并分析谱峰的变化。这种方法可以一次性读取整个光谱，比光谱扫描方法速度快。但是光谱仪价格非常昂贵，本方案一般只在实验室使用。常用光谱仪一般光谱分辨率不如技术一方法的分辨率高。
再有一种解调方法是构造一种边缘滤波器，所谓边缘滤波器是滤波器的某一个边缘斜率较低且线性度好，这样将光谱频域信号转换为光能量的强弱信号。由于构造边缘滤波器仅能输出光强一个变量，因此大部分这种解调方案只能对一个光栅进行解调，有一些方案采用发射短时脉冲的方法，用不同的回波时间对应不同位置的光栅，但这类方法需要窄脉冲激光和高采样率的光电接收器件，且光栅之间需要间隔较长距离，在一些可穿戴产品(如数据手套)中不便应用；边缘滤波器可能受到温度、形变等影响导致频域响应不稳定；利用相干构造的边缘滤波器容易受到相位噪声的影响，相位噪声可能来源于激光器本身，也可能来源于光路受外界的影响。
如图1所示，本发明一种光纤布拉格光栅的解调系统，其特征在于，包括依序连接、稳定设置的：光源1、光环形器2、光纤布拉格光栅3、干涉器阵列4；
光源1，用于发射宽频光并通过环形器2的第一端口6进入，第二端口7输出到光纤布拉格光栅3；
光纤布拉格光栅3，用于接收光源1的光并反射，将反射的光从光环形器2的第二端口7进入第三端口8输出到干涉器阵列4，
干涉器阵列4，包括多个干涉器5，用于接收光纤布拉格光栅3从光环形器2传输来的光，并将光的波长信息转换为强度信息，通过压缩感知技术利用所述强度信息解调光纤布拉格光栅3。
在本发明的一种实施例中，干涉器阵列4包括大于光纤布拉格光栅的光栅数目的干涉器5，且干涉器5由两根不同长度光纤首尾融合构成，每个干涉器5的两根所述光纤的差值在光纤布拉格光栅3的相干长度以内且各不相同；。可以理解的是，干涉器阵列4中的每个所述干涉器5的两根所述光纤的差值的精确值是预先确定的。
目前根据光纤布拉格光栅的工艺，单个光栅反射光谱线宽可达0.1nm，对应的相干长度在厘米量级，在相干长度内随机制作不同臂长差的干涉器。在一种具体的实施例中，光的波长为1550nm，折射率为1.47，根据相干长度与线宽的关系：
其中，等号左侧为线宽，L1、L2分别是干涉器的两根所述光纤的长度，n为介质折射率；可得相干长度为1.63厘米。
本发明的解调系统一是将波长信息转换为光强信息，二是进行随机采样，并且确定采样位置。其主要组成如下
1.如图2所示，某个波长的激光分别通过长度不相等的光纤再进行合束(MZ干涉)，产生相干，其强度为波长、双臂光程差的函数：
其中，E为能量，c为光速，λ为光的波长。
2.如图3所示，多个长度差不等的干涉器组成的干涉器阵列对同一个信号进行采样，相当于时域随机间隔采样，在解调前首先使用已知波长激光对各相干器的臂长差进行测量。
采样数为相干腔和接收器数目，光线布拉格光栅往往测量数目较多，若常规采样可能需要上百个相干器，结构过于复杂，采用压缩感知方法只需要略多于探测自由度的相干器即可。
可以理解的是，上述解调光路需置于稳定装置中，避免温度、震动等影响。
本发明所采用干涉器阵列将波长信息转化为强度信息，同时采用压缩感知技术通过干涉器阵列中的多个干涉器解调多个光栅，可完全应用现有的通信元器件，并采用全光纤光路结构，避免了现有光纤光栅解调方案中解调速度慢、成本高昂、体积大等问题。
光纤布拉格光栅解调的根本目的是获得各个光栅反射光的波长，在本发明中，提出一种干涉器阵列，用多个干涉器对光栅回波进行统一测量。其中多个干涉器的臂长差各不相同，先对干涉器阵列中每个干涉器的臂长差进行标定后，多个干涉器可以获得多个采样信号，在解调中应用压缩感知算法可以获得与干涉器数目相近数量的光栅的波长信号。
压缩感知(Compressed sensing)，也被称为压缩采样(Compressive sampling)，稀疏采样(Sparse sampling)，压缩传感。它作为一个新的采样理论，它通过开发信号的稀疏特性，在远小于Nyquist采样率的条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。光纤布拉格光栅因自由度多且数量及频谱范围确定、采样通道少，适合采用压缩感知解调。
如图4所示，本发明提供一种光纤布拉格光栅的解调方法，采用如上任一所述的光纤布拉格光栅的解调系统对所述光纤布拉格光栅进行解调，具体包括如下步骤：
S1：获得干涉器阵列中每个干涉器的两根所述光纤的差值的精确值；
S2：采用压缩感知的算法，在光源照射下将每个所述干涉器输出的光强值作为对时域信号的一次随机采样结果s，所述干涉器的两根所述光纤的差值的精确值作为随机采样的位置
S3：根据随机采样的位置
构造恢复矩阵A，所述恢复矩阵A由所述随机采样的位置
与频域正交基ψ相乘得到；
S4：根据所述恢复矩阵A、所述随机采样结果s恢复频域信号f，完成光纤布拉格光栅的解调。
在本发明的一种实施例中，采用已知波长的激光对所述干涉器阵列进行扫描采用，并采集所述干涉器阵列中每个所述干涉器输出的光强值，获得所述干涉器的两根所述光纤的差值的精确值。
干涉器的两根所述光纤的差值通过如下公式计算：
其中，P1和P2分别为所述干涉器的两根所述光纤的光强，λ为进入所述干涉器的光波长，L1和L2分别为两根所述光纤的长度，n为折射率，
为相位噪声。
可以理解的是，还可以采用现有技术其中其他方法获得干涉器的两根所述光纤的差值的精确值，比如直接测量的方法。
因为在本发明中臂长差与波长的关系为余弦关系，所以频域正交基ψ为离散余弦变换正交基。
如图5所示，是本发明的一种压缩感知的算法的示意图。
通过优化算法迭代得到所述光纤布拉格光栅中每个光栅的反射波长。所述迭代的停止条件为所述光纤布拉格光栅的光栅个数、各所述光栅的波长范围；将光谱按光栅个数划分谱区，各谱区中选择最大似然的波长。
在步骤S3中仿射空间A×f＝s为凸集，优化算法是凸优化算法或正交匹配跟踪算法。其迭代停止条件为先验条件中的频率个数和位置范围。压缩感知算法在信号上的原理是通过随机采样使频率泄露均匀分布于频谱，而非固定于倍频位置，进而突出实际信号，在数学上的原理是通过随机分配系数，降低向量间相关性，在有限采样中构建满秩矩阵。
具体的，关于凸优化算法：凸优化的对象是凸集上的凸函数，凸集指的是集合上的每一个点，其连线也在集合内，凸函数简单的一个判定方法为在某个定义域内满足f((x1+x2)/2)≤(f(x1)+f(x2))/2的函数，可知，在凸集内的凸函数仅有一个极值点，并且该极值点为最小值点，因此凸优化的主要流程为：判断不等式约束条件为凸集(域为凸集)，判断等式约束条件为凸函数(约束关系为凸函数)，然后采用常规如最小二乘得到极值点。判断凸函数的一个方法是其Hessian矩阵(二阶偏导矩阵)为零。解是已知恢复矩阵A、随机采用的结果s求频域信号f，约束条件是A×f＝s，由于随机采样的结果s作为采样点比常规奈奎斯特采样少很多，因此该约束条件相当于一个未知数远大于方程数的方程组即超定方程组。这里注意，未知数数量是频域信号f中的元素数，求解的波长是频域信号f中的元素的有效数，尽管波长数是一个较小的数目，但频域信号f的元素数很多，大部分很小接近零，可以视作噪声，有效解只有少数几个，因此频域信号f是稀疏的，因此其解并不唯一，但由于在设计本发明的系统时已经保证各光栅返回光波长占用各自波段彼此不覆盖，因此只需求解一个解，其余解在物理上无意义。
根据上述描述，解所在的域为凸集(各个解在光谱上一定区域内，该区域没有“空泡”)，A×f＝s是凸函数(该函数为仿射函数，仿射函数均为凸函数，其二阶偏导为零)，则这个解是凸优化中的最优解，本问题是凸优化问题。
上述阐述均为了解释本发明为什么可以只求一个最小值解，实际的算法与上述描述无关，仅需用最小二乘求满足A×f＝s的1范数最小值即可，其方法一般是求解超定方程组A×f＝s的正规方程组ATAf＝ATs的解。
正交匹配跟踪算法是一种求解超定方程组最小二乘解的迭代算法，它是由匹配跟踪算法改进而来。匹配算法的本质是从字典中找匹配程度最佳的解，找的过程采用迭代方式，由于本应用中已经知道解的数量和大致分布区域，因此很适合用这种方法。匹配跟踪算法的流程和原理如下：
(1)首先初始化残差e0＝s
(2)从字典中找到内积(相关度)最大的基
其中字典即为正交基ψ中的向量，这一步的原理是由于观测到的信号s是由ψ中的各个基线性组合而成的，因此相关度最大基最有可能在原信号中
(3)新残差为旧残差减掉旧残差在最大基空间的正交投影
这一步的原理是旧残差在最大的基上的投影代表了该基成分在残差中存在的“含量”，如果该“剩余含量”不变化甚至增大说明不含有该成分，一直迭代上述三步直至残差即“剩余含量”稳定则结束迭代，稳定判据可以通过残差的拐点(导数)判断
(4)由于本应用中已知解(基)的数量，则在(2)步骤中可选取前“解的数量”个数的基进行迭代计算
在上述算法中，步骤(3)中残差是由旧残差减去旧残差在基的投影而得，已知由于解s是由多个基组成，因此残差不与任何一个基方向相同，因此此步中求解残差的方式相当于一个三角形的两个边求第三个边，然后再用第三个边和另一个新方向的边再构建新的三角形，一个不准确但较为形象的比喻是该行为相当于在平面空间不停画螺旋，因此迭代次数多且耗时长，由此改进的算法为正交匹配跟踪算法，其步骤和原理如下：
(1)首先初始化残差e0＝s
(2)找到与残差内积最大的基，将其作为列向量从左到右组成矩阵A，例如第一次迭代中找到了向量
则
第二次迭代中找到
则
(3)迭代r次，残差为er＝er-1-A(ATA)-1ATer-1，这一步的原理是利用了构建的A矩阵有之前迭代中的历史信息，其中A(ATA)-1AT是A中包含的基所张成的空间的投影向量，一个便于理解的比喻是如果
是x轴，A只包含
则所述“A中包含的基张成的空间”为x轴，A(ATA)-1AT为对x轴的投影算子，如果A中包含
为x轴、y轴，则所述“A中包含的基所张成的空间”为xy平面，A(ATA)-1AT为对xy平面投影的算子，以此类推。因此本步骤中开始的公式意义为，上一次的残差减去上一次残差在“历史所有用过的基”所张成的空间的投影，每当找到一个新的基，该投影方向就向这个基的方向拐一次，由于解即初始残差的方向是由能找到的前几个基的方向组成的，因此最后迭代的残差最终会转到解的方向，这个方法避免了匹配跟踪算法中由于方向不定导致残差一直在空间中画圈浪费了求解时间
(4)该步骤与前述算法一致。
本发明提供一种基于压缩感知的光纤布拉格光栅解调方法，解决了传统光纤布拉格光栅解调速度慢、解调仪成本高的问题。
本发明首先提出了采用不等臂长MZ干涉器阵列对回波信号进行空域采样，避免了传统解调方法需要对光谱进行扫描或采用光谱仪等精密分光器件等方案，提高了解调速度；在不等臂长MZ干涉器阵列的硬件基础上，又首次引入压缩感知的思想，通过采样的随机化减少了对MZ干涉器的数目的要求，大大降低了干涉器阵列的成本。
本申请实施例还提供一种控制装置，包括处理器和用于存储计算机程序的存储介质；其中，处理器用于执行所述计算机程序时至少执行如上所述的方法。
本申请实施例还提供一种存储介质，用于存储计算机程序，该计算机程序被执行时至少执行如上所述的方法。
本申请实施例还提供一种处理器，所述处理器执行计算机程序，至少执行如上所述的方法。
所述存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备、或者它们的组合来实现。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，ErasableProgrammable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，FerromagneticRandom Access Memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，SynchronousStatic Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，DynamicRandom AccessMemory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，Synchronous Dynamic RandomAccessMemory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double DataRateSynchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。
本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。
本申请所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光纤布拉格光栅的解调系统，其特征在于，包括依序连接、稳定设置的：光源、光环形器、光纤布拉格光栅、干涉器阵列；
所述光源，用于发射宽频光并通过所述光环形器的第一端口进入，第二端口输出到所述光纤布拉格光栅；
所述光纤布拉格光栅，用于接收所述光源的光并反射，将反射的光从所述光环形器的所述第二端口进入第三端口输出到所述干涉器阵列，
所述干涉器阵列，包括多个干涉器，用于接收所述光纤布拉格光栅从所述光环形器传输来的光，并将所述光的波长信息转换为强度信息，通过压缩感知技术利用所述强度信息解调所述光纤布拉格光栅。
2.如权利要求1所述的光纤布拉格光栅的解调系统，其特征在于，所述干涉器阵列包括大于所述光纤布拉格光栅的光栅数目的所述干涉器，且所述干涉器由两根不同长度光纤首尾融合构成，每个所述干涉器的两根所述光纤的差值在所述光纤布拉格光栅的相干长度以内且各不相同。
3.如权利要求1所述的光纤布拉格光栅的解调系统，其特征在于，所述干涉器阵列中的每个所述干涉器的两根所述光纤的差值的精确值是预先确定的；
所述光纤布拉格光栅的相干长度在厘米量级。
4.一种光纤布拉格光栅的解调方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一所述的光纤布拉格光栅的解调系统对所述光纤布拉格光栅进行解调，具体包括如下步骤：
S1：获得干涉器阵列中每个干涉器的两根所述光纤的差值的精确值；
S2：采用压缩感知的算法，在光源照射下将每个所述干涉器输出的光强值作为对时域信号的一次随机采样结果s，所述干涉器的两根所述光纤的差值的精确值作为随机采样的位置
S3：根据随机采样的位置
构造恢复矩阵A，所述恢复矩阵A由所述随机采样的位置
与频域正交基ψ相乘得到；
S4：根据所述恢复矩阵A、所述随机采样结果s恢复频域信号f，完成光纤布拉格光栅的解调。
5.如权利要求4所述的光纤布拉格光栅的解调方法，其特征在于，采用已知波长的激光对所述干涉器阵列进行扫描采用，并采集所述干涉器阵列中每个所述干涉器输出的光强值，获得所述干涉器的两根所述光纤的差值的精确值。
6.如权利要求5所述的光纤布拉格光栅的解调方法，其特征在于，所述干涉器的两根所述光纤的差值通过如下公式计算：
其中，P1和P2分别为所述干涉器的两根所述光纤的光强，λ为进入所述干涉器的光波长，L1和L2分别为两根所述光纤的长度，n为折射率，
为相位噪声。
7.如权利要求4所述的光纤布拉格光栅的解调方法，其特征在于，所述频域正交基ψ为离散余弦变换正交基。
8.如权利要求4所述的光纤布拉格光栅的解调方法，其特征在于，通过优化算法迭代得到所述光纤布拉格光栅中每个光栅的反射波长。
9.如权利要求8所述的光纤布拉格光栅的解调方法，其特征在于，所述优化算法是凸优化算法或正交匹配跟踪算法。
10.如权利要求8所述的光纤布拉格光栅的解调方法，其特征在于，所述迭代的停止条件为所述光纤布拉格光栅的光栅个数、各所述光栅的波长范围；将光谱按光栅个数划分谱区，各谱区中选择最大似然的波长。
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