CN113091781B - 用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法、系统、设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法、系统、设备，旨在解决现有的偏光干涉型光纤传感器解调方案存在测量范围受光源谱宽限制以及寄生干涉引起解调误差，导致解调鲁棒性、适用性较差的问题。本方法包括采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据；选取设定相位的极值点并归一化处理；得到拟合系数的初值；计算在初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值；采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据；利用腰值点选取拟合样本点；进行最小二乘拟合；计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值；计算双折射值之间的差并进行解调。本发明提高了解调鲁棒性、适用性。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法、系统、设备。
背景技术
常见的偏光干涉型光纤传感器传感单元为保偏光纤，当光分别沿保偏光纤的快轴和慢轴传输时，由于保偏光纤的双折射会产生的相位差，当外界环境中温度、气体压力、氢气浓度等物理条件发生变化时，传感光纤的双折射值发生改变，会引起两个偏振模式相位差的变化，从而导致偏光干涉光谱整体产生不同程度的偏移，通过检测干涉光谱的偏移或传感光纤双折射的变化，可以实现对物理量的测量。偏光干涉型光纤传感器具有制作简单、光学结构简易、稳定性好等优点，具有很高的实用价值。
传统的偏光干涉型光纤传感器一般采用波长解调方案，通过追踪干涉光谱的峰谷值来实现对传感物理量的解调。该解调方案操作简单，但是存在测量范围受光源谱宽限制，一旦追踪的峰谷值超出光源谱宽，就无法实现解调，此外在实测光谱中置可能存在寄生干涉现象，峰值部分噪声较大，输出光谱的形状不理想，该解调方案将会出现较大误差，严重影响传感系统的精度，甚至出现无法解调的状况，解调方案普适性差。基于此，本发明提出了一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的偏光干涉型光纤传感器解调方案存在测量范围受光源谱宽限制以及寄生干涉引起解调误差现象，导致解调鲁棒性、适用性较差的问题，本发明第一方面，提出了一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，该方法包括：
S10，采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据，并进行预处理；所述预处理包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪；
S20，从预处理后的干涉光谱数据中选取设定相位的极值点作为特征相位点，并进行归一化处理；归一化后，计算归一化后的特征相位点的平均间距，并将相邻的极大值、极小值的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引；
S30，通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到拟合系数的初值；所述拟合系数包括双折射系数、双折射色散系数、初相位；
S40，结合拟合系数的初值，计算在所述初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值，作为第一双折射值；
S50，采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理；
S60，在步骤S50预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；所述第一阈值区间为以所述腰值点索引为中点，以特征相位点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；所述第二阈值区间为以所述腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；所述第一区间为S60获取的相邻极大值、极小值之间的区间；
S70，通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数；
S80，基于变化后的双折射系数，结合双折射色散系数、初相位的初值，计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值，作为第二双折射值；
S90，计算第一双折射值、第二双折射值的差，并结合初始外界物理条件对应的参数值，获取变化后的外界物理条件对应的参数值。
在一些优选的实施方式中，“将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标”，其方法为：
干涉光谱数据对应的光谱横坐标转换方法为：
f＝c/λ
其中，f为光频率，c为真空中的光速，λ为波长；
干涉光谱数据对应的光谱纵坐标转换方法为：
其中，ImW为线性坐标光功率，IdBm为对数坐标光功率。
在一些优选的实施方式中，所述预构建的透射端光谱理论模型为：
其中，B0为传感光纤双折射系数，KB为双折射色散系数，φ0为初相位，L为传感光纤长度，I为输出光功率值。
在一些优选的实施方式中，所述设定相位为
k＝0,1,2,3…。
在一些优选的实施方式中，“双折射值与拟合系数的关系为：B＝B0+KBf，B表示双折射值。
在一些优选的实施方式中，“通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数”，其方法为：
逐步改变参数B0，使通过所述透射端光谱理论模型拟合得到的拟合样本点与步骤S50采集的干涉光谱数据之间的残差平方和最小，并将残差平方和最小对应的B0作为变化后的双折射系数。
本发明的第二方面，提出了一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调系统，该系统包括：初始数据采集模块、腰值点选取模块、拟合系数初值计算模块、第一双折射值计算模块、数据重采集模块、特征相位点重选取模块、变化双折射系数计算模块、第二双折射值计算模块、解调模块；
所述初始数据采集模块，配置为采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据，并进行预处理；所述预处理包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪；
所述腰值点选取模块，配置为从预处理后的干涉光谱数据中选取设定相位的极值点作为特征相位点，并进行归一化处理；归一化后，计算归一化后的特征相位点的平均间距，并将相邻的极大值、极小值的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引；
所述拟合系数初值计算模块，配置为通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到拟合系数的初值；所述拟合系数包括双折射系数、双折射色散系数、初相位；
所述第一双折射值计算模块，配置为结合拟合系数的初值，计算在所述初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值，作为第一双折射值；
所述数据重采集模块，配置为采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理；
所述特征相位点重选取模块，配置为在数据重采集模块预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；所述第一阈值区间为以所述腰值点索引为中点，以特征相位点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；所述第二阈值区间为以所述腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；所述第一区间为特征相位点重选取模块获取的相邻极大值、极小值之间的区间；
所述变化双折射系数计算模块，配置为通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数；
所述第二双折射值计算模块，配置为基于变化后的双折射系数，结合双折射色散系数、初相位的初值，计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值，作为第二双折射值；
所述解调模块，配置为计算第一双折射值、第二双折射值的差，并结合初始外界物理条件对应的参数值，获取变化后的外界物理条件对应的参数值。
本发明的第三方面，提出了一种设备，至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求上述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法。
本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求上述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法。
本发明的有益效果：
本发明解决了现有偏光干涉型光纤传感器解调方案存在测量范围受光源谱宽限制以及寄生干涉导致的解调误差问题，提高了解调鲁棒性、适用性。
1)本发明基于保偏光纤模式色散干涉模型，即修正后的透射端光谱理论模型，实现偏光干涉型光纤传感器双折射值的精确解调，避免了干涉信号畸变和光谱噪声对传感性能的影响和解调范围受限的问题，提高了解调精度和分辨率，大大拓宽了这种传感器的测量范围。
2)本发明选取首、尾腰值点附近的作为拟合样本点，可以在保证拟合效果、敏感光谱偏移量的前提下，避免峰谷附近点噪声、形状不理想对拟合过程的影响，减少拟合样本点数量，缩短检测环节时长至1s以下
3)本发明采用双折射变化量作为解调依据，不存在光源谱宽范围限制，理论上可以实现任何参数变化范围的解调。
4)本发明可以还原未发生形状变化的原始光谱，可避免光谱形状畸变对偏光干涉型光纤传感器传感解调精度及分辨率的影响。以氢气检测实验为例，可以实现测量的误差小于0.006％，以温度实验为例，可以实现分辨率优于0.01℃。
附图说明
通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明一种实施例的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法的流程示意图；
图2是本发明一种实施例的用于偏光干涉型光纤传感器的解调系统的框架示意图；
图3是本发明一种实施例的偏光干涉型光纤传感器的结构示意图；
图4是本发明一种实施例的干涉光谱波长-功率对数坐标的示例图；
图5是本发明一种实施例的干涉光谱频率-功率线性坐标的示例图；
图6是本发明一种实施例的氢气浓度的检测误差曲线的示例图；
图7是本发明一种实施例的温度响应曲线的示例图；
图8是本发明一种实施例的适于用来实现本申请实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，如图1所示，该方法包括：
S10，采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据，并进行预处理；所述预处理包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪；
S20，从预处理后的干涉光谱数据中选取设定相位的极值点作为特征相位点，并进行归一化处理；归一化后，计算归一化后的特征相位点的平均间距，并将相邻的极大值、极小值的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引；
S30，通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到拟合系数的初值；所述拟合系数包括双折射系数、双折射色散系数、初相位；
S40，结合拟合系数的初值，计算在所述初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值，作为第一双折射值；
S50，采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理；
S60，在步骤S50预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；所述第一阈值区间为以所述腰值点索引为中点，以特征相位点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；所述第二阈值区间为以所述腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；所述第一区间为S60获取的相邻极大值、极小值之间的区间；
S70，通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数；
S80，基于变化后的双折射系数，结合双折射色散系数、初相位的初值，计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值，作为第二双折射值；
S90，计算第一双折射值、第二双折射值的差，并结合初始外界物理条件对应的参数值，获取变化后的外界物理条件对应的参数值。
为了更清晰地对本发明用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法进行说明，下面结合附图对本发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。
本发明中偏光干涉型光纤传感器的结构示意图，如图3所示，包括数据处理所用计算机1、光纤解调仪2、隔离器3、偏振分束器4、传感光纤5；干涉光强信号从光纤解调仪2的通道CH1中扫描光源发出，经过偏振分束器4起偏到达传感光纤5处，经过端面反射到达偏振分束器4处，透射端输出的光经过隔离器3到达透射端通道CH2，隔离器3用于消除解调仪透射端通道CH2的扫描光源对干涉光谱的影响，利用光纤解调仪2采集干涉光谱数据(或者也可以由其他可以采集传感光路透射端干涉光谱的设备获得)，通过网口将干涉光谱数据发送给上位机计算机1，进行数据处理。
偏光干涉型光纤传感器中的传感光纤5在本发明中优选为保偏光纤，保偏光纤，可以为保偏光子晶体光纤，也可以为熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤，或其它任何类型保偏光纤。
本发明用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法以偏光干涉型光纤传感器输出的周期性干涉光强信号作为输入、以保偏光纤模式色散干涉模型(即透射端光谱理论模型)为目标函数，通过初始参数提取和预设、曲线拟合解调两大主要步骤，获得保偏光纤的实际双折射值及其变化量，重复曲线拟合和输出步骤，实现对应被传感量的连续测量。根据本发明解调方法进行偏光干涉型光纤传感器干涉信号的解调，包括以下步骤：
S10，采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据，并进行预处理；所述预处理包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪；
在本实施例中，通过光纤解调仪采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据。外界物理条件包括温度、气体压力、氢气浓度等。
然后对采集的干涉光谱数据进行预处理，主要包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪。
“将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标”具体为：
干涉光谱数据对应的光谱横坐标由波长域转换到频率域，转换表述式如式(1)所示：
f＝c/λ (1)
其中，f为光频率，c为真空中的光速，λ为波长；
干涉光谱数据对应的光谱纵坐标由对数坐标转换到线性坐标，即将纵坐标光谱光强单位由dBm转换到线mW，如式(2)所示：
其中，ImW为线性坐标光功率，IdBm为对数坐标光功率。
S20，从预处理后的干涉光谱数据中选取设定相位的极值点作为特征相位点，并进行归一化处理；归一化后，计算归一化后的特征相位点的平均间距，并将相邻的极大值、极小值的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引；
在本实施例中，优选设置设定相位为
k＝0,1,2,3…，即从预处理后的干涉光谱数据中选取
相位处的极大值、极小值点作为特征相位点，并对选取的特征相位点进行归一化处理。
归一化后，将相邻的极大值、极小值之间的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引，用于后续曲线的拟合。并计算归一化后的特征相位点的平均间距。
S30，通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到拟合系数的初值；所述拟合系数包括双折射系数、双折射色散系数、初相位；
在本实施例中，通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合。预构建的透射端光谱理论模型基于传统的偏光干涉型光纤传感器透射端光谱的理论模型构建。
基于传统的偏光干涉型光纤传感器透射端光谱的理论模型为：
其中，L为传感光纤长度，I为输出光功率值，B为传感光纤的双折射值，即保偏光纤的双折射值。
然而保偏光纤中色散引起的双折射并不是固定的值，其会随频率发生变化，假设双折射随频率的变化是线性的，需要用B0+kBf代替B对光谱的频率域理论表达式进行的修正，修正后的透射端光谱理论模型为：
其中，B0为传感光纤双折射系数，KB为双折射色散系数，φ0为初相位。
通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到双折射系数、双折射色散系数、初相位的初值
S40，结合拟合系数的初值，计算在所述初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值，作为第一双折射值；
在本实施例中，基于拟合系数的初值，结合双折射值与拟合系数的关系B＝B0+KBf，计算在初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值。
S50，采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理；
在本实施例中，通过光纤解调仪采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理。预处理如步骤A10中的所示。
S60，在步骤S50预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；所述第一阈值区间为以所述腰值点索引为中点，以特征相位点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；所述第二阈值区间为以所述腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；所述第一区间为S60获取的相邻极大值、极小值之间的区间；
在本实施例中，基于步骤S20获取的腰值点索引以及特征相位点的平均间距，在步骤S50预处理后的干涉光谱数据中寻找所述腰值点附近的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对腰值点附近的点进行局部归一化，作为拟合样本点。具体为：
S61，在步骤S50预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点；第一阈值区间为以步骤S20所得的腰值点索引为中点，以特征相位点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；其中，以特征相位点的平均间距为左右间距，即中点左边和右边的间距都为特征相位点的平均间距；
S62，利用步骤S61找到的极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；第二阈值区间为以步骤S20所得的腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；第一区间为S60获取的相邻极大值、极小值之间的区间；N在本发明中优选设置为16，即上下间距的总间距为第一区间的1/8。
本发明拟合时选取噪声较小、形状畸变较小的首尾腰值点附近点，可以避免峰谷噪声对光谱拟合的影响，实现光谱的高精度拟合，从而使得该解调方案的精度高，并且与全光谱所有数据点归一化和拟合相比，对首、尾腰值点少量样本点局部归一化并拟合，可以在保证拟合效果的前提下，缩短检测时长至1s以下。
S70，通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数；
在本实施例中，基于偏光干涉型光纤传感器“外界条件变化时，双折射值发生变化”的传感原理，外界条件发生变化时，双折射色散系数kB和初相位φ0不变，只有双折射系数B0发生改变，因此从原理出发只改变B0即可实现不同外界条件下的拟合。在外界环境条件变化范围较小的情况下，通过缩短步长变化范围、细化B0的步长大小，利用修正后的理论模型对实测光谱进行最小二乘拟合，可以进行高精度、高分辨率的拟合。由于“双折射值不同时，同一扫描波长范围内光谱形状具有唯一性”，通过该解调方法拟合得到双折射值，可以解决干涉型光纤传感器跨条纹检测的局限，实现大范围检测。即通过透射端光谱理论模型对步骤S60归一化后的拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数，具体为：
逐步改变参数B0，使通过所述透射端光谱理论模型拟合得到的拟合样本点与步骤S50采集的干涉光谱数据之间的残差平方和最小，并将残差平方和最小对应的B0作为变化后的双折射系数。
S80，基于变化后的双折射系数，结合双折射色散系数、初相位的初值，计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值，作为第二双折射值；
在本实施例中，基于变化后的双折射系数、双折射色散系数、初相位的初值，结合双折射值与拟合系数的关系B＝B0+KBf，计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值。
S90，计算第一双折射值、第二双折射值的差，并结合初始外界物理条件对应的参数值，获取变化后的外界物理条件对应的参数值。
在本实施例中，计算在初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值、在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值的差，结合初始外界物理条件对应的参数值，标定得到相关物理条件下的待测物理参数值，例如温度、压力、氢气浓度等。由于双折射的测量不存在限制，使得该解调方案的解调范围不受光源谱宽的限制。
如果需要进行多次解调，则循环执行步骤S50-步骤S90。
另外，为了验证本发明解调方法的有效性，依据偏光干涉型光纤传感器搭建实验系统，对本发明的解调方法进行验证，如图4-7所示，具体如下：
实验一对本发明的检测准确度进行了研究，实验首先记录了传感光纤置于纯氮气氛围中的干涉光光谱，其波长-功率对数坐标如图4所示，坐标变换为频率-功率线性坐标如图5所示，从图中可以看出，该组干涉光谱在波峰处存在较大干扰，传统的解调方案解调误差较大。采用本发明的解调方案，通过初始参数的提取与预设以及曲线拟合及解调，解调得到检测到的氢气浓度。之后分别将传感头置于0.5％及2％的氢气氛围中，分别解调出检测得到的氢气浓度。检测浓度与实际浓度的误差曲线如图6所示，从图中可以看出，该解调方法的检测误差小于0.006％。
实验二对本发明的分辨力进行了研究，将传感光纤置于温度的水浴温箱中，设置的温度范围为20-30℃，温度间隔为2℃，图7为采用本发明的解调方法得到的结果，双折射随温度的变化曲线，从图中可以看出，温度与双折射具有良好的线性度，灵敏度为-1.37×10-8/℃。
实验所用光纤解调仪，波长分辨率为5pm，光谱测量范围是1528-1568nm；所用偏振分束器消光比为31dB；所用传感光纤是长度为10cm的保偏光子晶体光纤；所用氢气敏感膜为钯银合金；实验一所用气瓶为标准氮气，标准0.5％氢气以及标准2％氢气；实验二所用温箱选用水浴加热温箱。
本发明第二实施例的一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调系统，如图2所示，具体包括以：初始数据采集模块100、腰值点选取模块200、拟合系数初值计算模块300、第一双折射值计算模块400、数据重采集模块500、特征相位点重选取模块600、变化双折射系数计算模块700、第二双折射值计算模块800、解调模块900；
所述初始数据采集模块100，配置为采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据，并进行预处理；所述预处理包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪；
所述腰值点选取模块200，配置为从预处理后的干涉光谱数据中选取设定相位的极值点作为特征相位点，并进行归一化处理；归一化后，计算归一化后的特征相位点的平均间距，并将相邻的极大值、极小值的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引；
所述拟合系数初值计算模块300，配置为通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到拟合系数的初值；所述拟合系数包括双折射系数、双折射色散系数、初相位；
所述第一双折射值计算模块400，配置为结合拟合系数的初值，计算在所述初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值，作为第一双折射值；
所述数据重采集模块500，配置为采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理；
所述特征相位点重选取模块600，配置为在数据重采集模块500预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；所述第一阈值区间为以所述腰值点索引为中点，以特征相位点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；所述第二阈值区间为以所述腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；所述第一区间为特征相位点重选取模块600获取的相邻极大值、极小值之间的区间；
所述变化双折射系数计算模块700，配置为通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数；
所述第二双折射值计算模块800，配置为基于变化后的双折射系数，结合双折射色散系数、初相位的初值，计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值，作为第二双折射值；
所述解调模块900，配置为计算第一双折射值、第二双折射值的差，并结合初始外界物理条件对应的参数值，获取变化后的外界物理条件对应的参数值。
所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统具体的工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的用于偏光干涉型光纤传感器的解调系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种设备，至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求上述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法。
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求上述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法。
所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，未描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实例中的对应过程，在此不再赘述。
下面参考图8，其示出了适于用来实现本申请系统、方法、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图8示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图8所示，计算机系统包括中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)801，其可以根据存储在只读存储器(ROM，Read Only Memory)802中的程序或者从存储部分808加载到随机访问存储器(RAM，Random Access Memory)803中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM803中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU801、ROM802以及RAM803通过总线804彼此相连。输入/输出(I/O，Input/Output)接口805也连接至总线804。
以下部件连接至I/O接口805：包括键盘、鼠标等的输入部分806；包括诸如阴极射线管、液晶显示器等以及扬声器等的输出部分807；包括硬盘等的存储部分808；以及包括诸如局域网卡、调制解调器等的网络接口卡的通讯部分809。通讯部分809经由诸如因特网的网络执行通讯处理。驱动器810也根据需要连接至I/O接口805。可拆卸介质811，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器810上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分808。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通讯部分809从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质811被安装。在该计算机程序被CPU801执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于：电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、RAM、ROM、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，如C语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网或广域网连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S10，采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据，并进行预处理；所述预处理包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪；
S20，从预处理后的干涉光谱数据中选取设定相位的极值点作为特征相位点，并进行归一化处理；归一化后，计算归一化后的特征相位点的平均间距，并将相邻的极大值、极小值的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引；
S30，通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到拟合系数的初值；所述拟合系数包括双折射系数、双折射色散系数、初相位；
S40，结合拟合系数的初值，计算在所述初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值，作为第一双折射值；
S50，采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理；
S60，在步骤S50预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；所述第一阈值区间为以所述腰值点索引为中点，以特征相位点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；所述第二阈值区间为以所述腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；所述第一区间为S60获取的相邻极大值、极小值之间的区间；
S70，通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数；
S80，基于变化后的双折射系数，结合双折射色散系数、初相位的初值，计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值，作为第二双折射值；
S90，计算第一双折射值、第二双折射值的差，并结合初始外界物理条件对应的参数值，获取变化后的外界物理条件对应的参数值。
2.根据权利要求1所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，“将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标”，其方法为：
干涉光谱数据对应的光谱横坐标转换方法为：
f＝c/λ
其中，f为光频率，c为真空中的光速，λ为波长；
干涉光谱数据对应的光谱纵坐标转换方法为：
其中，ImW为线性坐标光功率，IdBm为对数坐标光功率。
3.根据权利要求2所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，所述预构建的透射端光谱理论模型为：
其中，B0为传感光纤双折射系数，KB为双折射色散系数，φ0为初相位，L为传感光纤长度，I为输出光功率值。
4.根据权利要求1所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，所述设定相位为
5.根据权利要求3所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，双折射值与拟合系数的关系为：B＝B0+KBf，B表示双折射值。
6.根据权利要求1所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，“通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数”，其方法为：
逐步改变参数B0，使通过所述透射端光谱理论模型拟合得到的拟合样本点与步骤S50采集的干涉光谱数据之间的残差平方和最小，并将残差平方和最小对应的B0作为变化后的双折射系数。
7.一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调系统，其特征在于，该系统包括：初始数据采集模块、腰值点选取模块、拟合系数初值计算模块、第一双折射值计算模块、数据重采集模块、特征相位点重选取模块、变化双折射系数计算模块、第二双折射值计算模块、解调模块；
所述初始数据采集模块，配置为采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据，并进行预处理；所述预处理包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪；
所述腰值点选取模块，配置为从预处理后的干涉光谱数据中选取设定相位的极值点作为特征相位点，并进行归一化处理；归一化后，计算归一化后的特征相位点的平均间距，并将相邻的极大值、极小值的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引；
所述拟合系数初值计算模块，配置为通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到拟合系数的初值；所述拟合系数包括双折射系数、双折射色散系数、初相位；
所述第一双折射值计算模块，配置为结合拟合系数的初值，计算在所述初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值，作为第一双折射值；
所述数据重采集模块，配置为采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理；
所述特征相位点重选取模块，配置为在数据重采集模块预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；所述第一阈值区间为以所述腰值点索引为中点，以特征相位点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；所述第二阈值区间为以所述腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；所述第一区间为特征相位点重选取模块获取的相邻极大值、极小值之间的区间；
所述变化双折射系数计算模块，配置为通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数；
所述第二双折射值计算模块，配置为基于变化后的双折射系数，结合双折射色散系数、初相位的初值，计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值，作为第二双折射值；
所述解调模块，配置为计算第一双折射值、第二双折射值的差，并结合初始外界物理条件对应的参数值，获取变化后的外界物理条件对应的参数值。
8.一种设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-6任一项所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求1-6任一项所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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