CN116242526A - 法布里-珀罗腔测微压的解调方法、系统及装置 - Google Patents

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CN116242526A CN202111489006.6A CN202111489006A CN116242526A CN 116242526 A CN116242526 A CN 116242526A CN 202111489006 A CN202111489006 A CN 202111489006A CN 116242526 A CN116242526 A CN 116242526A
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董玉明
刘维
杨天宇
石云杰
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Abstract

本发明提供了一种法布里‑珀罗腔测微压的解调方法、系统及装置，包括：设置参考压力；获取所述参考压力下法布里‑珀罗腔对应的第一频谱；获取第一特征值，在所述第一特征值的序列中选择第一新度量；根据所述第一新度量与所述参考压力构建函数关系；获取测量压力时法布里‑珀罗腔对应的第二频谱；获取第二特征值，选择与所述第一新度量序列相同的所述第二特征值作为第二新度量；根据所述第二新度量与所述函数关系得到解调后的压力测量值。本发明能够避免解调误差以及解调误差增大和解调速度降低的问题；同时，本发明所述的方法能够直接得到压力测量值，无需先解调出腔长再换算成压力，避免因压力与腔长不是严格线性关系而导致的解调误差。

Description

法布里-珀罗腔测微压的解调方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及一种法布里-珀罗腔测微压的解调方法、系统、装置、电子装置以及可存储介质，属于微压传感器领域。
背景技术
医学领域，体内压力监测对于判断器官和组织损伤具有重要意义。光纤法布里-珀罗微压传感器具有灵敏度高，抗电磁干扰，体积小等优点，可以实现多个医疗领域的精确医疗，例如，心血管供血能力评估等。光纤法布里-珀罗微压传感器的性能取决于传感器的应用场景。根据《医用压力分析示范标准收集标准》，在心血管供血能力评估领域，在6.7kPa至40kPa范围内传感器的读数误差要求在±3％以内。因此，对微压传感器的解调精度要求高。干涉型光纤法布里-珀罗微压传感器利用宽光谱携带更大信息量的特点，从而具有测量精度高、动态范围大的优势，是微压监测的理想手段之一。
干涉解调的关键是利用其宽光谱干涉信号求解光纤法布里-珀罗腔的腔长，根据等效初相位的处理情况可分为两种解调类型，TYPE I和TYPE II解调。快速傅里叶变换(FFT)是TYPE I解调的常用方法，该方法通过FFT计算条纹数来确定光程差。这种基于直接频率估计的解调方法称为TYPE I解调。在此基础上还发展出Buneman频率估计、快速全相位法等方法，它们必须进行大数据量的计算才能有较高精度但提升幅度有限，其精度和分辨率仅限于百纳米，也限制了解调速度。TYPE II解调利用了已知的等效初相位，具有分辨率高，动态范围大，鲁棒性强的优点。但光纤法布里-珀罗腔质量不高，使得等效初相位随腔长改变，且估计等效初相位需要严格的实验控制(稳定的控制，确定的初始阶段)，这使得等效初相位估计不够精确造成压力测量误差。这一技术缺陷始终制约着光纤法布里-珀罗微压传感器解调精度。因此，提供一种具有高精度的微压解调方法以克服上述解调方法的缺陷成为一种必需。
以中国专利CN109520429为代表的现有技术，首先采用FFT得出一个粗腔长估计量L，随后在粗腔长前后设定模拟腔长的取值范围，设置步进腔长ΔL生成总数为K的模拟腔长序列{Li}，进而带入最大似然公式，最后最大值所对应的模拟腔长Li即为解调腔长。这种方法选择合适的步进腔长ΔL，精估计只需要在很小的一个腔长范围内完成，因此大幅提高了精估计中最大似然估计的速度，也就能实现高速高精度的解调。
但是，由于上述方法的非同步采样，会引起频谱泄漏和栅栏效应，所以只能观察到真实谱线附近的谱线，将该谱线用于粗腔长估计时也会有较大估计误差，在很大程度上影响解调的精度和时间；而且，上述方法没有考虑到法布里-珀罗腔等效初相位对解调精度的影响；对于理想法布里-珀罗腔等效初相位是一个固定值。而在多模光纤中，多模传输或是法布里-珀罗腔质量不高导致光束发散、不平行都将使等效初相位随腔长变化。不精确的法布里-珀罗腔等效初相位值会导致最大似然估计值所对应的模拟腔长与实际腔长偏差较大，降低解调精度。实际中，估计初相位需要严格的实验环境，需要具有稳定的控制和确定的初始阶段，这使得估计精确的等效初相位很困难；而且，FFT严格适用于平稳过程，而光谱采集时压力变化、环境干扰引起法布里-珀罗腔长变化导致大的测量误差。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种法布里-珀罗腔测微压的解调方法、系统及装置，用于解决前述技术问题中的至少一个。
具体地，其技术方案如下：
一种法布里-珀罗腔测微压的解调方法，包括：
设置参考压力；
获取所述参考压力下法布里-珀罗腔对应的第一频谱；
获取第一特征值，在所述第一特征值的序列中选择第一新度量；
根据所述第一新度量与所述参考压力构建函数关系；
获取测量压力时法布里-珀罗腔对应的第二频谱；
获取第二特征值，选择与所述第一新度量序列相同的所述第二特征值作为第二新度量；
根据所述第二新度量与所述函数关系得到解调后的压力测量值。
所述“获取所述参考压力下法布里-珀罗腔对应的第一频谱”，包括：
通过以下公式，获得法布里-珀罗腔在波数域中光源的干涉光谱：
Figure BDA0003397694710000031
其中，I0是光光源的功率，γ是边缘可见度，L是法布里-珀罗腔的光程长度，
Figure BDA0003397694710000032
等效初始相位，k波数；/>
Figure BDA0003397694710000033
是去除平均值和归一化后的交流分量。
所述“获取第一特征值，并选择第一新度量”，包括：
在不同的所述参考压力下，获得干涉光谱波长域中至少1个采样点的离散信号；
将干涉谱波长域转换到波数域，并利用快速傅里叶变换求解；
选取所述法布里-珀罗腔所对应的频谱，并转化为Toeplitz矩阵；
对Toeplitz矩阵的特征值分解得到第一特征值序列并按降序排列；
选取高阶特征值对法布里-珀罗腔长作为第一新度量。
所述“获取第二特征值，选择第二新度量”，包括：
采集所述测量压力对应的第二频谱；
获得所述第二频谱对应的干涉光谱波长域中至少1个采样点的离散信号；
将干涉谱波长域转换到波数域，并利用快速傅里叶变换求解；
选取所述法布里-珀罗腔所对应的频谱，并转化为Toeplitz矩阵；
对Toeplitz矩阵的特征值分解得到第二特征值序列并按降序排列；
选取高阶特征值对法布里-珀罗腔长作为第二新度量。
一种法布里-珀罗腔测微压的解调系统，包括：
采集模块，用于采集外界的参考压力；
处理模块，与所述采集模块进行数据交互，用于获取所述参考压力并利用所述参考压力获得第一新度量，以构建所述参考压力与所述第一新度量的函数关系；
解调模块，与所述处理模块进行数据交互，用于获取所述第一新度量的函数关系；
所述处理模块与所述采集模块进行数据交互，用于获取所述测量压力对应的第二新度量；
所述解调模块与所述处理模块进行数据交互，用于获取所述第二新度量，并根据所述参考压力与所述第一新度量的函数关系，获得所述测量压力的值。
所述处理模块采集所述参考压力，用于根据所述参考压力获取法布里-珀罗腔对应的第一频谱，并根据所述第一频谱获得第一特征值，再将所述第一特征值大小按降序排列后，选择第i个特征值作为第一新度量。
所述处理模块采集所述测量压力对应的第二频谱，并根据所述第二频谱获得第二特征值，再将所述第二特征值大小按降序排列后，选择第i个特征值作为第二新度量。
一种压力测量装置，包括：
宽谱光源；
光学分支器，设置在所述宽谱光源的输出端；
压力传感器，与所述光学分支器进行数据交互，用于感知外界的压力并将所述压力经所述光学分支器形成干涉信号；
数据采集单元，设置在所述光学分支器的一个输出端，用于采集所述光学分支器发出的所述干涉信号；
解调单元与所述数据采集单元进行数据交互，用于根据所述干涉信号通过上所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法得到外界的压力数值。
一种基于法布里-珀罗腔测微压的电子装置，包括：
存储介质，用于存储计算机程序，
处理单元，与所述存储介质进行数据交换，用于在进行测量时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如上所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；
所述计算机程序在运行时，执行如上所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法的步骤。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法，采用参考压力获得其对应的光谱数据，对光谱进行变换求得频谱的特征值和特征向量，将特征值大小按降序排列，选择特定的特征值作为第一新度量；构建参考压力与第一新度量的函数；测量压力时，对外界压力形成的光谱进行变换求得频谱的特征值并将特征值大小按降序排列，选择特定的特征值作为第二新度量，将第二新度量带入有参考压力与第一新度量构建的函数中得到测量压力值；本发明不用考虑法布里-珀罗腔质量不高的问题，避免因难以精确估计等效初相位而导致的解调误差；而且本发明能够在光谱数据点较少时实现精确解调，避免因光谱数据少采用FFT粗估计腔长误差较大而导致解调误差增大和解调速度降低；同时，本发明所述的方法能够直接得到压力测量值，无需先解调出腔长再换算成压力，避免因压力与腔长不是严格线性关系而导致的解调误差。
本发明所述的测量装置，通过解调单元采集外界的压力，并通过光路分支器进入压力传感器(光纤法布里-珀罗腔微压传感器)内发生干涉，然后通过上述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法得出外界压力的数值。本测量装置具有结构简单，解调精度高，分辨率高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法的原理图；
图2为本发明所述法布里-珀罗腔测微压的解调方法的流程图；
图3为本发明所述的压力测量装置的结构框图；
图4为图3中数据采集单元获得的干涉信号图；
图5为图3中压力传感器内法布里-珀罗腔对应的频谱图；
图6为频谱的特征值序列图；
图7为第一新度量x1与参考压力y的关系图；
图8为被测压力间隔1kPa的解调结果图；
图9为被测压力间隔0.1kPa的解调结果图；
图10为图8解调压力的读数误差图；
其中，1.宽谱光源；2.数据采集单元；3.光学分支器；4.解调单元；5.压力传感器；100.采集模块；200.处理模块；300.解调模块。
具体实施方式
本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景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。
图1为本发明所述解调方法的工作原理：对干涉信号光谱进行变换求得频谱的第一特征值和特征向量，将第一特征值大小按降序排列；选择第i个特征值xi作为第一新度量，带入参考压力值y与第一新度量xi的函数y＝f(xi)中，得到解调压力y；解调的步骤流程如图2所示，包括：
1)采用压力控制器作为参考压力y，获得其对应的光谱数据，对光谱进行变换求得频谱的第一特征值和特征向量，将第一特征值大小按降序排列，选择第i个第一特征值xi作为第一新度量；构建参考压力y与第一新度量xi的函数y＝f(xi)，i＝1,2,3,...。
2)测量压力ym时，对其光谱进行变换求得频谱的第二特征值并将第二特征值大小按降序排列，选择第i个第二特征值xi作为第二新度量；将第二新度量xi带入函数y＝f(xi)中，计算得到当下测量压力值ym。
典型的法布里-珀罗腔在波数域中光源的干涉光谱表示为：式子1：
[式子1]
Figure BDA0003397694710000081
其中，I0是光光源的功率，γ是边缘可见度，L是法布里-珀罗腔的光程长度，/>
Figure BDA0003397694710000082
等效初始相位，k波数，/>
Figure BDA0003397694710000083
是去除平均值和归一化后的交流分量。/>
压力的变化引起L的变化，在频谱上体现为法布里-珀罗腔长对应频率的变化，因此分析干涉谱中频谱偏移信息，获得压力测量值，实现压力解调，具体为：
第一步，将压力控制器设置的压力作为参考压力y，选择对法布里-珀罗腔长变化敏感的特征值作为第一新度量；在不同的参考压力y下，从光谱仪获得干涉光谱波长域中N个采样点的离散信号；由光谱仪得到干涉谱波长域N个采样点的离散信号；设λ为N个波长样本，I(λ)是对应于的干涉谱的振幅，将干涉谱波长域转换到波数域得到I(k),将FFT应用于I(k)，得到G，G表达式为：式子2；选取法布里-珀罗腔所对应的频谱G2，然后将G2转化为Toeplitz矩阵M，对矩阵M特征值分解得到第一特征值序列x并按降序排列，如式子3所示；低阶特征值的特征向量受噪声影响，高阶特征值限制了大部分信号能量，是信号的主导特征值；因为上述步骤把腔长频域谱的关键信息编码被放在高阶特征值xi中，所以高阶特征值对法布里-珀罗腔长变化敏感，既对压力变化敏感，确定为第一新度量。
[式子2]G＝FFT(I(k))＝[G1,G2,…,GN]
[式子3]x＝[x1>x2>…>xi>…>xn]
其中，n为G2数据点个数；
第二步，重复上述步骤，得到若干特定参考压力所对应的第一新度量xi，从而构建第一新度量xi与参考压力y的函数关系y＝f(xi)。
第三步，获取所测量压力ym时法布里-珀罗腔所对应的频谱；采用与第一步相同的方法计算出第二特征值并按降序排列；选取与上述第一特征值次序相同的第二特征值xi作为第二新度量，带入函数既求得当前测量压力ym＝f(xi)。
本实施例描述了计算频谱特征值作为新度量用于干涉型光纤法布里-珀罗微压解调方法，从而直接建立新度量与压力的关系，避免了因采集数据点少，法布里-珀罗腔质量不高等因素影响；当采集干涉光谱数据量较低时，也具有高的测量精度和分辨率；因此本发明提供的压力解调方法测量精确、分辨率高、稳定性好，适用性强。
本发明还提供一种实施例：
如图3，一种压力测量装置，包括：宽谱光源1、数据采集单元2、光学分支器3、解调单元4以及压力传感器5；其中，光学分支器3设置在所述宽谱光源1的输出端；压力传感器5与所述光学分支器3进行数据交互，用于感知外界的压力并将所述压力经所述光学分支器3形成干涉信号；数据采集单元2设置在所述光学分支器3的一个输出端，用于采集所述光学分支器3发出的所述干涉信号；解调单元4与所述数据采集单元2进行数据交互，用于根据所述干涉信号通过上所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法得到外界的压力数值；所述的压力传感器5优选为光纤法布里-珀罗腔微压传感器。
在本实施例中，宽谱光源1发出光，通过光学分支器3进入光纤法布里-珀罗腔微压传感器并发生干涉，干涉信号进入数据采集单元2获得了具有1566个数据点的干涉信号，如图4；最后在解调单元4内解调，其解调步骤参考图1～2，最终解调出被测压力。
本发明提供还一种实施例：
一种基于法布里-珀罗腔测微压的电子装置，包括：存储介质和处理单元；其中，存储介质用于存储计算机程序；处理单元与所述存储介质进行数据交换，用于在进行测量时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如上所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法的步骤。
上述的电子装置中，存储介质优选为，移动硬盘或固态硬盘或U盘等存储设备；处理单元，优选为CPU，与所述存储介质进行数据交换，用于在进行测量时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如上所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法的步骤。
上述CPU可以根据存储在存储介质中的程序执行各种适当的动作和处理。所述电子设备还包括以下外设，包括键盘、鼠标等的输入部分，也可以包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分；特别地，根据本发明公开的实施例，如图1～2中任一描述的过程均可以被实现为计算机软件程序。
本发明提供的一种实施例，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如图1～2所述流程图所示的方法的程序代码。该计算机程序可以从网络上被下载和安装。在该计算机程序被CPU执行时，执行本发明的系统中限定的上述功能。
本发明提供还提供一种实施例：
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在运行时，执行如上所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法的步骤。
在本发明中，计算机可读的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。而在本发明中，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、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
验证过程：
利用如上所述的压力测量装置进行具体测量，其过程如下：
首先，在若干特定参考压力下构建参考压力y与特征值xi的函数y＝f(xi)；将采集的光谱数据转换，获取法布里-珀罗腔对应的频谱，如图5所示；计算出频谱的第一特征值序列x，如图6所示；随后选择第1个特征值x1既i＝1，作为第一新度量构建第一新度量x1与参考压力y的函数关系y＝f(x1)，如图7所示，关系表示为x1＝f-1(y)，从而构建的函数关系表示为y＝f(x1)；最终利用构建的第一新度量与压力函数关系解调，分别得到被测压力间隔1kPa和0.1kPa时的压力解调结果，如图8和图9所示，解调压力的读数误差如图10所示。
本发明经过实验校验，解调结果表明：在光谱数据点较少时，本发明提供的解调方法具有解调精度高，分辨率高的优点。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

Claims (10)

1.一种法布里-珀罗腔测微压的解调方法，其特征在于，包括：
设置参考压力；
获取所述参考压力下法布里-珀罗腔对应的第一频谱；
获取第一特征值，在所述第一特征值的序列中选择第一新度量；
根据所述第一新度量与所述参考压力构建函数关系；
获取测量压力时法布里-珀罗腔对应的第二频谱；
获取第二特征值，选择与所述第一新度量序列相同的所述第二特征值作为第二新度量；
根据所述第二新度量与所述函数关系得到解调后的压力测量值。
2.根据权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔测微压的解调方法，其特征在于，所述“获取所述参考压力下法布里-珀罗腔对应的第一频谱”，包括：
通过以下公式，获得法布里-珀罗腔在波数域中光源的干涉光谱：
Figure FDA0003397694700000011
其中，I0是光光源的功率，γ是边缘可见度，L是法布里-珀罗腔的光程长度，
Figure FDA0003397694700000012
等效初始相位，k波数；/>
Figure FDA0003397694700000013
是去除平均值和归一化后的交流分量。
3.根据权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔测微压的解调方法，其特征在于，所述“获取第一特征值，并选择第一新度量”，包括：
在不同的所述参考压力下，获得干涉光谱波长域中至少1个采样点的离散信号；
将干涉谱波长域转换到波数域，并利用快速傅里叶变换求解；
选取所述法布里-珀罗腔所对应的频谱，并转化为Toeplitz矩阵；
对Toeplitz矩阵的特征值分解得到第一特征值序列并按降序排列；
选取高阶特征值对法布里-珀罗腔长作为第一新度量。
4.根据权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔测微压的解调方法，其特征在于，所述“获取第二特征值，选择第二新度量”，包括：
采集所述测量压力对应的第二频谱；
获得所述第二频谱对应的干涉光谱波长域中至少1个采样点的离散信号；
将干涉谱波长域转换到波数域，并利用快速傅里叶变换求解；
选取所述法布里-珀罗腔所对应的频谱，并转化为Toeplitz矩阵；
对Toeplitz矩阵的特征值分解得到第二特征值序列并按降序排列；
选取高阶特征值对法布里-珀罗腔长作为第二新度量。
5.一种法布里-珀罗腔测微压的解调系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集外界的参考压力；
处理模块，与所述采集模块进行数据交互，用于获取所述参考压力并利用所述参考压力获得第一新度量，以构建所述参考压力与所述第一新度量的函数关系；
解调模块，与所述处理模块进行数据交互，用于获取所述第一新度量的函数关系；
所述处理模块与所述采集模块进行数据交互，用于获取所述测量压力对应的第二新度量；
所述解调模块与所述处理模块进行数据交互，用于获取所述第二新度量，并根据所述参考压力与所述第一新度量的函数关系，获得所述测量压力的值。
6.根据权利要求5所述的一种法布里-珀罗腔测微压的解调系统，其特征在于：
所述处理模块采集所述参考压力，用于根据所述参考压力获取法布里-珀罗腔对应的第一频谱，并根据所述第一频谱获得第一特征值，再将所述第一特征值大小按降序排列后，选择第i个特征值作为第一新度量。
7.根据权利要求5所述的一种法布里-珀罗腔测微压的解调系统，其特征在于：
所述处理模块采集所述测量压力对应的第二频谱，并根据所述第二频谱获得第二特征值，再将所述第二特征值大小按降序排列后，选择第i个特征值作为第二新度量。
8.一种压力测量装置，其特征在于，包括：
宽谱光源；
光学分支器，设置在所述宽谱光源的输出端；
压力传感器，与所述光学分支器进行数据交互，用于感知外界的压力并将所述压力经所述光学分支器形成干涉信号；
数据采集单元，设置在所述光学分支器的一个输出端，用于采集所述光学分支器发出的所述干涉信号；
解调单元与所述数据采集单元进行数据交互，用于根据所述干涉信号通过如权利要求1～4任一权利要求所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法得到外界的压力数值。
9.一种基于法布里-珀罗腔测微压的电子装置，其特征在于，包括：
存储介质，用于存储计算机程序，
处理单元，与所述存储介质进行数据交换，用于在进行测量时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如权利要求1～4中任一权利要求所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法的步骤。
10.一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内存储有计算机程序；
所述计算机程序在运行时，执行如权利要求1～4中任一权利要求所述的法布里-珀罗腔测微压的解调方法的步骤。
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