CN111707303A - 一种光纤f-p传感器变步长快速高精度信号解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤F‑P传感器变步长快速高精度信号解调方法，首先对光纤F‑P传感器接收到的光谱信号进行预处理，得到离散形式归一化光谱序列，利用快速傅里叶变换方法解调得到腔长粗略值，在虚拟腔长模拟范围内以较大的步长构建一系列虚拟腔长及其对应的干涉光谱，并计算不同腔长值的虚拟光谱与真实光谱的均方误差，获取最小均方差所对应的虚拟腔长值，然后缩小虚拟腔长模拟范围和步长，并计算虚拟腔长与实际光谱的均方误差找出最小均方差对应的腔长值，依次重复，直到符合解调精度要求为止，获得最终腔长值。本方法能够实现光纤F‑P传感器腔长的绝对测量，解调速度快、腔长分辨率高。

Description

一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法。

背景技术

对光纤F-P传感器而言，信号解调方法的优劣直接影响着传感系统的响应速度和探测精度。目前，信号解调方法大体可分为强度解调法和相位解调法两类，在强度解调法中系统常采用窄线宽光源或单色激光光源以保证光波长恒定，利用干涉光在线性工作区内光强与腔长的变化呈线性的规律进行解调，解调速度快，适用于测量振动、声波频率等动态信号的情况。相位解调法是获取F-P腔整个输出光谱的相位变化与腔长变化的关系，进而实现对腔长的求解，该方法通常采用宽带光源或扫频光源，无需检测F-P腔的输出光强变化，因此解调结果不受光源波动及其他光路损耗变化的影响，适用于光纤F-P传感系统对应力、压力和温度等准静态物理参量测量的情况。

目前，应用较多的相位解调法主要包括：条纹计数法、傅里叶变换解调法、离散腔长解调算法等。条纹计数法有单峰法、双峰法等，主要是通过计算F-P腔长改变时引起的输出干涉光谱的峰值偏移量进而求解腔长，动态范围低。傅里叶变换解调法则是采用快速傅里叶变换(Fast Fourier transform，简称FFT)求解输出信号的频谱，解调速度快、但解调精度差。离散腔长解调算法在一个腔长范围内以一定的步长间隔构建一系列的虚拟腔长值，并比较不同虚拟腔长的光谱信号与实际光谱信号，当精度要求高时，该方法存在巨大运算量的问题，不适合实际运用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

设计一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)，对光纤F-P传感器接受到的光谱信号进行预处理，得到离散形式归一化光谱序列；

步骤2)，利用快速傅里叶变换方法解调预处理后的光谱，计算得到光纤F-P传感器的腔长粗略值；

步骤3)，利用步骤2)计算得到的粗略腔长值，在指定的虚拟腔长模拟范围内以预设步长构建一系列虚拟腔长值及其对应的干涉光谱，计算其与实际光谱的均方误差，获取最小均方差所对应的虚拟腔长值；

步骤4)，判断步骤3)得到的均方差最小的腔长值是否满足解调精度要求，若满足，则该腔长值为光纤F-P传感器的腔长；若不满足，以该腔长值为中点，缩小虚拟腔长模拟范围和预设步长进行运算，重复步骤3)，直到满足解调精度要求，输出此时对应的腔长值。

在上述方案中，所述步骤1)中，对光纤F-P传感器接受到的光谱信号进行预处理，包括光谱信号的插值拟合、归一化、去噪和滤波。

在上述方案中，所述步骤1)具体包括以下步骤：

步骤1-1)，先对离散信号的三次样条插值处理；

步骤1-2)，经过三次样条插值后得到光频率均匀分布的光谱信号，在频域内使用希尔伯特变换，仅将频率点的相位左移或者右移π/2，得到归一化光谱信号；

步骤1-3)，在得到归一化光谱信号后进行去噪和滤波得到解调需要的信号成分。

在上述方案中，所述步骤3)中，利用步骤2)得到的腔长粗略值L₀，构建第一次虚拟腔长模拟范围(L₀-d,L₀+d)，其中，d为快速傅里叶变换解调算法分辨率的2～3倍，在此范围内以第一预设步长间隔模拟不同腔长值的光谱序列进行均方误差运算，其中，模拟腔长对应的虚拟离散形式归一化光谱序列表示为：

公式(1)中，R是光纤F-P传感器F-P腔端面的菲涅尔反射率，ν是干涉条纹对比度，λ₀是光谱的初始波长，Δλ是光谱波长的采样间隔，m是离散化光谱序列的序号，L_i是模拟腔长值。

在上述方案中，所述步骤3)中，在构建好虚拟腔长模拟范围中不同腔长值的归一化离散光谱序列后，计算归一化离散光谱序列与实际光谱的均方误差：

公式(2)中，N₂是归一化离散光谱序列的数量，x(n,L₀)为实际信号的归一化光谱序列，I(n,L)为虚拟腔长值L对应的归一化离散光谱序列。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明利用变步长均方误差计算进行腔长精确求解，改变搜索步长的大小以实现不同的精度要求，在保证高精度的前提下提高解调的速率，能够实现光纤F-P传感器腔长信息的绝对测量，解调速率快、精度高，具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明提供的光纤F-P传感器系统的结构示意图；

图2是本发明提供的一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的第一次计算均方误差结果示意图。

图中：宽带光源1、环形器2、光纤3、光纤F-P传感器4、光谱采集模块5和计算机6。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明提高一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法，该光纤F-P传感系统的结构示意图如图1所示，其包括宽带光源1、环形器2、光纤3、光纤F-P传感器4、光谱采集模块5和计算机6，宽带光源1的中心波长为850nm，3dB带宽为40nm。宽带光源1发出的光经过光纤3和环形器2传输到光纤F-P传感器4上，反射回的光信号再经环形器2进入光谱采集模块5，光谱采集模块5将采集到的原始干涉光谱信号传输至计算机6，在计算机6上应用本发明提供的光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法对原始干涉光谱信号进行解调，得到待测光纤F-P传感器4的腔长变化。

本发明提供一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤1)，对光纤F-P传感器接受到的光谱信号进行预处理，得到离散形式归一化光谱序列。

其中，对光纤F-P传感器接受到的光谱信号进行预处理，包括光谱信号的插值拟合、归一化、去噪和滤波。具体包括以下步骤：步骤1-1)，先对离散信号的三次样条插值处理，实现数据的重新采样；步骤1-2)，经过三次样条插值后得到光频率均匀分布的光谱信号，在频域内使用希尔伯特变换不会影响各频率点的幅度，仅将频率点的相位左移或者右移π/2，得到归一化光谱信号；步骤1-3)，在得到归一化光谱信号后进行去噪和滤波得到解调需要的信号成分，对于低通线性相位数字滤波器，其频率响应函数为：

理想的单位冲激响为：

利用有限长度的窗函数w(n)对h_d(n)进行加窗截断，得到：

h(n)＝h_d(n)·w(n) (3)

在实际应用中对FIR数字滤波器进行设计时，频率响应函数H(e^jw)与h(n)的关系为，

公式(4)中，N₁为w(n)的长度。

在设计数字滤波器时，从滤波器阻带最小衰减和过渡带宽度的需求出发，选择窗函数序列的形状和长度。在确定窗口长度N₁后，求出滤波器的单位取样响应h(n)，并计算出频率响应函数H(e^jw)，判断是否符合指标要求，不符合则重复上述步骤，重新选择窗函数类型、长度，重新验算，直至满足指标要求。

步骤2)，利用快速傅里叶变换方法解调预处理后的光谱，计算得到光纤F-P传感器的腔长粗略值；

步骤3)，利用步骤2)计算得到的粗略腔长值，在指定的虚拟腔长模拟范围内以预设步长构建一系列虚拟腔长值及其对应的干涉光谱，计算其与实际光谱的均方误差，获取最小均方差所对应的虚拟腔长值。

利用步骤2)得到的腔长粗略值L₀，构建第一次虚拟腔长模拟范围(L₀-d,L₀+d)，其中，d为快速傅里叶变换解调算法分辨率的2～3倍，在此范围内以第一预设步长间隔模拟不同腔长值的光谱序列进行均方误差运算。

其中，模拟腔长对应的虚拟离散形式归一化光谱序列表示为：

公式(5)中，R是光纤F-P传感器F-P腔端面的菲涅尔反射率，ν是干涉条纹对比度，λ₀是光谱的初始波长，Δλ是光谱波长的采样间隔，m是离散化光谱序列的序号，L_i是模拟腔长值。

在构建好虚拟腔长模拟范围中不同腔长值的归一化离散光谱序列后，计算归一化离散光谱序列与实际光谱的均方误差：

公式(6)中，N₂是归一化离散光谱序列的数量，x(n,L₀)为实际信号的归一化光谱序列，I(n,L)为虚拟腔长值L对应的归一化离散光谱序列。

步骤4)，判断步骤3)得到的均方差最小的腔长值是否满足解调精度要求，若满足，则该腔长值为光纤F-P传感器的腔长；若不满足，以该腔长值为中点，缩小虚拟腔长模拟范围和预设步长进行运算，重复步骤3)，直到满足解调精度要求，输出此时对应的腔长值。

本发明的方法是以具有一定腔长间隔的虚拟归一化离散光谱序列与实际光谱进行均方差运算，求得光纤F-P传感器的腔长值。首先利用快速傅里叶变换方法得到的腔长粗略值L₀，构建第一次虚拟腔长模拟范围(L₀-d,L₀+d)，其中，d为快速傅里叶变换解调算法分辨率的2～3倍，在此范围内以预设步长间隔模拟不同腔长值的光谱序列进行均方误差运算，找出均方差最小时对应的虚拟腔长值，以此为中心，缩小虚拟腔长模拟范围和预设步长进行均方差运算，依次重复，直到满足解调精度要求，输出此时对应的腔长值，得到待测腔长值。

本发明应用于实际求解光纤F-P传感器的腔长值。本发明实施例中，腔长约为285.65μm的非本征型法珀干涉光纤传感器(简称EFPI传感器)作为测试对象。将传感器输出反射光谱进行去噪、归一化等预处理，利用傅里叶变换解调法对腔长快速定位，得到粗略值约为285μm。初始腔长搜索范围选择为275μm～295μm，在该范围内以100nm的步长模拟构建各个虚拟腔长以及它们依次对应的虚拟离散形式的归一化光谱序列，计算它们与实际离散光谱序列的均方误差，共计算了200次，得到最小均方差对应的腔长为285.6μm，如图3所示。以第一次均方差计算结果为中心，重新选择腔长搜索范围为284.6μm～286.6μm；同时缩小腔长搜索间隔为10nm构建各个虚拟腔长及它们对应的光谱序列，计算虚拟离散光谱序列与实际离散光谱序列的均方差值，经200次运算，求解实际腔长值约为285.65μm。以第二次均方差计算结果为中心，在285.64μm～285.66μm的范围内以1nm为步长构建虚拟腔长值，经200次运算后得到最小均方差对应的腔长求解结果为285.653μm。重复上述步骤，在285.652μm～285.654μm的范围内以0.1nm为步长构建虚拟腔长值，经200次运算后得到最小均方差对应的腔长求解结果为285.6536nm。由此可见，本发明的光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法大大地减少了腔长搜索的运算量，提高了测量效率，在保证高精度的前提下提高解调的速率。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)，对光纤F-P传感器接受到的光谱信号进行预处理，得到离散形式归一化光谱序列；

步骤2)，利用快速傅里叶变换方法解调预处理后的光谱，计算得到光纤F-P传感器的腔长粗略值；

步骤3)，利用步骤2)计算得到的粗略腔长值，在指定的虚拟腔长模拟范围内以预设步长构建一系列虚拟腔长值及其对应的干涉光谱，计算其与实际光谱的均方误差，获取最小均方差所对应的虚拟腔长值；

步骤4)，判断步骤3)得到的均方差最小的腔长值是否满足解调精度要求，若满足，则该腔长值为光纤F-P传感器的腔长；若不满足，以该腔长值为中点，缩小虚拟腔长模拟范围和预设步长进行运算，重复步骤3)，直到满足解调精度要求，输出此时对应的腔长值。

2.根据权利要求1所述的一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法，其特征在于，所述步骤1)中，对光纤F-P传感器接受到的光谱信号进行预处理，包括光谱信号的插值拟合、归一化、去噪和滤波。

3.根据权利要求1所述的一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括以下步骤：

步骤1-1)，先对离散信号的三次样条插值处理；

步骤1-2)，经过三次样条插值后得到光频率均匀分布的光谱信号，在频域内使用希尔伯特变换，仅将频率点的相位左移或者右移π/2，得到归一化光谱信号；

步骤1-3)，在得到归一化光谱信号后进行去噪和滤波得到解调需要的信号成分。

4.根据权利要求1所述的一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法，其特征在于，所述步骤3)中，利用步骤2)得到的腔长粗略值L₀，构建第一次虚拟腔长模拟范围(L₀-d,L₀+d)，其中，d为快速傅里叶变换解调算法分辨率的2～3倍，在此范围内以第一预设步长间隔模拟不同腔长值的光谱序列进行均方误差运算，其中，模拟腔长对应的虚拟离散形式归一化光谱序列表示为：

公式(1)中，R是光纤F-P传感器F-P腔端面的菲涅尔反射率，ν是干涉条纹对比度，λ₀是光谱的初始波长，Δλ是光谱波长的采样间隔，m是离散化光谱序列的序号，L_i是模拟腔长值。

5.根据权利要求4所述的一种光纤F-P传感器变步长快速高精度信号解调方法，其特征在于，所述步骤3)中，在构建好虚拟腔长模拟范围中不同腔长值的归一化离散光谱序列后，计算归一化离散光谱序列与实际光谱的均方误差：

公式(2)中，N₂是归一化离散光谱序列的数量，x(n,L₀)为实际信号的归一化光谱序列，I(n,L)为虚拟腔长值L对应的归一化离散光谱序列。

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