CN117606528A - 一种基于dbr激光器的f-p传感器解调方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电子器件领域，尤其是涉及一种基于DBR激光器的F‑P传感器解调方法及系统。所述方法，基于解调系统光谱扫描获取光谱图，根据光谱图进行峰值特征提取；通过峰值特征提取进行波形峰值波长的计算，由高斯函数提取波形峰值波长；利用波形峰值波长进行F‑P传感器腔长解调；利用光谱图中斜率最大的波长进行强度解调，根据最佳工作点波长进行固定频率的光强采集，通过光强采集的数据进行离散傅里叶变换，得到时域和频域谱图。本发明的技术方案，基于DBR激光器实现了F‑P传感器解调方法，并使解调方法能同时兼顾波长解调和强度解调，实现了一个解调仪同时覆盖两种解调方案。
Description
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，尤其是涉及一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法及系统。
背景技术
现有技术中，光纤传感器以光作为信息载体，运用光学、光纤传感特性原理，用于检测如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等多种物理量，光纤传感技术的出现和发展大大推动了传感技术的前进，如何提高光纤传感测量系统性能一直是人们研究的重点。
光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot, F-P）传感器测试精度高，结构灵巧，安装简便，制作工艺较简单，价格低廉，很容易形成各种类型的传感器，相对于其他类型的光纤传感器，F-P传感器在医疗检测、电力监测、水声探测领域具有更高的实际应用价值。F-P传感器解调方法一般分为波长解调，相位解调和强度解调等。强度解调方法在实际测量中由于传感器会随着环境、温度等因素的变化而发生改变，变化程度过大时，输出光信号之间的正交条件不再成立，造成测量失真，从而给信号解调带来极大的困难。当前F-P传感器波长解调系统基于宽谱光源加宽带光谱分析仪，解调系统庞大并且价格昂贵，现阶段需要一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法及系统。
发明内容
为了解决光纤F-P传感器解调仪中强度解调和波长解调的适应性差、工作点调整不灵活的问题，本发明提供一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法及系统。
第一方面，一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，采用如下的技术方案：
一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，包括：
基于解调系统光谱扫描获取光谱图，根据光谱图进行峰值特征提取；
通过峰值特征提取进行波形峰值波长的计算，其中包括利用采样点来拟合逼近高斯函数，由高斯函数提取波形峰值波长；
利用波形峰值波长进行F-P传感器腔长解调；
利用光谱图中斜率最大的波长进行强度解调，其中包括对光谱数据相邻点斜率的计算，得到最佳工作点波长；
根据最佳工作点波长进行固定频率的光强采集，通过光强采集的数据进行离散傅里叶变换，得到时域和频域谱图。
进一步地，所述根据光谱图进行峰值特征提取，包括根据不同波长在光谱图上的分布进行数据收集，并对收集后的数据进行预处理，得到去除高频噪声后的平滑数据，通过最小二乘法进行多项式拟合，所述多项式拟合包括构造一个p阶多项式q(n)拟合该数组，构造公式为：
，
其中，a0…m表示为拟合系数，p为多项式阶数，M表示为数据点个数，n表示为第n个样本。
进一步地，所述通过峰值特征提取进行波形峰值波长的计算，包括利用去除高频噪声后的平滑数据进行初始参数估计，通过初始参数进行高斯函数拟合，由拟合的高斯函数进行峰值特征的提取，所述拟合高斯函数公式p(x)为：
，
其中，A为高斯函数的幅值，x为自变量，x0为高斯函数的中心位置，σ为高斯曲线的宽窄的参数，B为函数纵轴方向的偏移。
进一步地，所述利用波形峰值波长进行F-P传感器腔长解调，包括根据F-P传感器腔长与输出光强的对应关系进行F-P传感器腔长的解调，得到输出光强I与腔长L的关系为：
，
其中：I0为入射光光强，R 为端面反射率，λ为波形峰值波长，L 为F-P传感器腔长。
进一步地，所述利用光谱图中斜率最大的波长进行强度解调，包括以输出光强为纵轴，波形峰值波长为横轴进行相邻点斜率的计算，根据得到的相邻点斜率的数据进行差分计算，由差分计算的差分结果得到极值点为0时的点所对应的波长，所述极值点为0时对应的波长为最佳工作点波长。
进一步地，所述根据最佳工作点波长进行固定频率的光强采集，包括基于最佳工作点波长进行高速采样，并以固定频率进行光谱扫描，修正最佳工作点波长，通过光强采集到的时域数据进行离散傅里叶变换计算，得到时域图和频域谱图，其中，傅里叶变换公式表示为：
，
其中，光谱时域数据表示为x[n]，N表示为数据的点数，j表示为虚数单位，表示为欧拉函数，X[k]表示为频域系数。
第二方面，一种基于DBR激光器的F-P传感器解调系统，包括：
激光器驱动板、光环形器和信号采集电路，所述激光器驱动板连接DBR激光器，所述激光器驱动板包括通信接口，所述激光器驱动板通过通信接口连接上位机，所述光环形器分别连接DBR激光器和F-P传感器，所述光环形器连接信号采集电路，所述信号采集电路连接激光器驱动板。
进一步地，所述激光器驱动板还包括单片机、半导体致冷器控制芯片、可控电源和数模转化器，所述可控电源连接单片机，所述单片机的输出引脚连接半导体制冷器控制芯片的控制线，所述单片机通过SPI全双工同步串行总线连接数模转化器，所述单片机连接通信接口。
进一步地，所述激光器驱动板通过通信接口连接上位机，包括激光器驱动板通过USB通信接口连接上位机，所述上位机将解调参数经USB通信接口下发置激光器驱动板中的单片机，所述激光器驱动板通过以太网通信接口连接上位机，所述单片机将存储数据经以太网通信接口上传至上位机。
进一步地，所述信号采集电路包括光电二极管、跨阻放大器和半导体采集芯片，所述半导体采集芯片通过SPI全双工同步串行总线连接单片机，所述光电二极管连接跨阻放大器，所述跨阻放大器的输出端与半导体采集芯片输入端连接。
综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：
1、本发明中的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，通过对采集的数据进行平滑处理，在保留信号特征同时去除偏移、降低噪声，利用双峰/多峰等解调算法，为解调出F-P传感器腔长提供的精确数据分析，使解调系统能同时兼顾波长解调和强度解调，实现了一个解调仪同时覆盖两种解调方案。
2、本发明中的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调系统，DBR激光器具有窄的光谱线宽和可调谐的工作波长，可以提供高分辨率的光源，通过系统中各模块的配合，光环形器将解调仪中的DBR激光器与F-P传感器进行连接，在实现高稳定性的同时对F-P传感器进行精确解调，高稳定性与高分辨率使得F-P传感器的灵敏度和测量精度实现较大提高。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法的步骤示意图。
图2是本发明实施例2的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调系统的结构连接示意图。
图3是本发明实施例2的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调系统中的信号采集电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，包括：
基于解调系统光谱扫描获取光谱图，根据光谱图进行峰值特征提取；
通过峰值特征提取进行波形峰值波长的计算，其中包括利用采样点来拟合逼近高斯函数，由高斯函数提取波形峰值波长；
利用波形峰值波长进行F-P传感器腔长解调；
利用光谱图中斜率最大的波长进行强度解调，其中包括对光谱数据相邻点斜率的计算，得到最佳工作点波长；
根据最佳工作点波长进行固定频率的光强采集，通过光强采集的数据进行离散傅里叶变换，得到时域和频域谱图。
所述根据光谱图进行峰值特征提取，包括根据不同波长在光谱图上的分布进行数据收集，并对收集后的数据进行预处理，得到去除高频噪声后的平滑数据，通过最小二乘法进行多项式拟合，所述多项式拟合包括构造一个p阶多项式q(n)拟合该数组，构造公式为：
，
其中，a0…m表示为拟合系数，p为多项式阶数，M表示为数据点个数，n表示为第n个样本。
所述通过峰值特征提取进行波形峰值波长的计算，包括利用去除高频噪声后的平滑数据进行初始参数估计，通过初始参数进行高斯函数拟合，由拟合的高斯函数进行峰值特征的提取，所述拟合高斯函数公式p(x)为：
，
其中，A为高斯函数的幅值，x为自变量，x0为高斯函数的中心位置，σ为高斯曲线的宽窄的参数，B为函数纵轴方向的偏移。
所述利用波形峰值波长进行F-P传感器腔长解调，包括根据F-P传感器腔长与输出光强的对应关系进行F-P传感器腔长的解调，得到输出光强I与腔长L的关系为：
，
其中：I0为入射光光强，R 为端面反射率，λ为波形峰值波长，L 为F-P传感器腔长。
所述利用光谱图中斜率最大的波长进行强度解调，包括以输出光强为纵轴，波形峰值波长为横轴进行相邻点斜率的计算，根据得到的相邻点斜率的数据进行差分计算，由差分计算的差分结果得到极值点为0时的点所对应的波长，所述极值点为0时对应的波长为最佳工作点波长。
所述根据最佳工作点波长进行固定频率的光强采集，包括基于最佳工作点波长进行高速采样，并以固定频率进行光谱扫描，修正最佳工作点波长，通过光强采集到的时域数据进行离散傅里叶变换计算，得到时域图和频域谱图，其中，傅里叶变换公式表示为：
，
其中，光谱时域数据表示为x[n]，N表示为数据的点数，j 表示为虚数单位，表示为欧拉函数，X[k]表示为频域系数。
具体的，
本实施例的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，包括以下内容：
一、如图1所示，S1.基于波长解调时，系统会不间断进行快速光谱扫描，波长调节根据光谱图所表示的光在不同波长上的分布情况进行数据收集，将收集后的数据划分为多个滑动窗口，设一个以x(i)为中心包含2M+1个数据点的窗口,构造一个p阶多项式q(n)拟合该数组，构造公式为：
，
其中，a0…m表示为拟合系数，p为多项式阶数，M表示为数据点个数，n表示为第n个样本；经过最小二乘拟合得到残差C，残差公式为：
，
其中，x(n)表示为样本值，当残差C最小时，滤波效果最佳。首先求得C最小时的多项式系数，得到拟合曲线；然后，取数据中心点处的拟合值作为滤波后的值；最后，通过移动窗口得到原数据的拟合点。
S2.将滤波完成后的数据进行高斯拟合寻峰计算出波形峰值波长，光纤布拉格光栅的反射光谱曲线接近高斯分布，通过采样点来拟合逼近高斯函数，拟合高斯函数公式p(x)为：
，
其中，式中A为高斯函数的幅值，x表示自变量，x0为高斯函数的中心位置，σ是高斯曲线的宽窄的参数，B为函数纵轴方向的偏移；去拟合采样点数据，来逼近原始波形。
设实验数据点（xj,f(xj)）j=1,2,3…,m(m≥4),m值为采样点数量，误差函数设为：
，
展开后表示为：
，
根据最小二乘法令误差平方和最小
，
其中，为误差函数，利用此时的得到峰值位置；
高斯拟合寻峰计算出波形峰值波长具体步骤表示为：
1、采集得到的实验数据经预处理后为（xj,f(xj)），j=1,2,3…,m(m≥4)；
2、对实验数据（xj,f(xj)）进行预估计得到初始向量X0的起始值A, x0,σ,B;
3、将X0作为初始参量，开始迭代次数n = 0,参数λ的初始值设置为0.001，设置迭代误差的目标参数g，并计算所有实验点与拟合函数的误差平方和e(0)，得出平方和误差E= e(0), 设置迭代次数最大值l;
4、若得出误差平方和E≤g或者迭代次数n≥l,则转到7步骤，否则继续下一步；
5、根据公式：
，
其中，矩阵中组成部分表示为下式：
，
；
计算雅克比矩阵J(Xm),再根据公式：
，
其中n为迭代次数,Xn为n次迭代后的X向量,为n次迭代
后的海森矩阵,diag[Hn]是单位矩阵,λ为引入的变量, 通过上述公式的引入防止上式计算
所得的H矩阵与实际的海森矩阵相差较大。是γ(Xn) 的一阶偏导数，，临时调整X；
6、根据调整的X, 计算当前的误差平方和e(n)如果 e(n)>E, 则调整的X不符合要求,令λ=10λ；否者令λ=λ/10，接受X修改，得到E=e(n)，令n=n+1然后转到步骤4；
7、迭代结束，此时向量即是所求高斯函数的参量，由向量就可
以得到峰值位置；
S3. 基于计算出的波形峰值波长进行F-P传感器腔长解调，所述腔长解调包括对输出光强的计算，由光纤F-P 传感器两个端面的反射率相等且较小时，得到输出光强I为：
，
其中：I0为入射光光强，R 为端面反射率，λ为波形峰值波长，L 为F-P传感器腔长；当I 取极大值时，干涉条纹的第m 级和第m+q 级极大值处的光波长λm 和λm+q 与L之间的关系满足：
，
，
上述两个公式联立可得L的表达式：
，
选取相邻波峰对应的波长计算腔长，通过解调腔长反应F-P传感器物理量的变化进而实现波长调节。
二、基于最佳工作点波长进行强度解调，S1.将ADC采集到的光谱数据进行分析，其中波长为λ，光强为I（λ），相邻点的直接斜率可以用以下公式来表示：
，
对得到的ki数据进行差分计算得到qi：
，
由此可以得到差分结果中的极值点，此时便是最佳工作点波长。
解调仪对采集到的信号进行频谱变换，解调信号频率：
时域中的信号X(t)和频域中的频谱x(f)之间的关系如下式：
，
（1）对于采集到的光谱时域数据 x[n]，进行离散傅里叶变换（FFT）计算：
，
其中，N表示为数据的点数，j表示为虚数单位,表示为欧拉函数，X[k]表
示为频域系数；
（2）根据离散傅里叶变换的结果，通过下述公式计算频率：
；
其中，k 是频域数据的索引，是采集时域数据时的采样频率，N 是 FFT 点数，
通过快速FTT变化同时在软件界面给出时域和频域谱图完成强度解调。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例提供一种基于DBR激光器的F-P传感器解调系统，包括：激光器驱动板、光环形器和信号采集电路，所述激光器驱动板连接DBR激光器，所述激光器驱动板包括通信接口，所述激光器驱动板通过通信接口连接上位机，所述光环形器分别连接DBR激光器和F-P传感器，所述光环形器连接信号采集电路，所述信号采集电路连接激光器驱动板。
所述激光器驱动板还包括单片机、半导体致冷器控制芯片、可控电源和数模转化器，所述可控电源连接单片机，所述单片机的输出引脚连接半导体制冷器控制芯片的控制线，所述单片机通过SPI全双工同步串行总线连接数模转化器，所述单片机连接通信接口。
所述激光器驱动板通过通信接口连接上位机，包括激光器驱动板通过USB通信接口连接上位机，所述上位机将解调参数经USB通信接口下发置激光器驱动板中的单片机，所述激光器驱动板通过以太网通信接口连接上位机，所述单片机将存储数据经以太网通信接口上传至上位机。
所述信号采集电路包括光电二极管、跨阻放大器和半导体采集芯片，所述半导体采集芯片通过SPI全双工同步串行总线连接单片机，所述光电二极管连接跨阻放大器，所述跨阻放大器的输出端与半导体采集芯片输入端连接。
具体的，
本实施例的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调系统，包括以下内容：
如图2所示，所述激光器驱动板的功能模块主要有四部分构成，其中单片机为整个驱动板的控制器，包括后续算法的实现以及解调系统的控制功能都是通过单片机进行完成，半导体致冷器通过单片机的输出引脚连接半导体制冷器的控制线对激光器驱动板实现温度的控制并为激光器驱动板提供均匀的温度分布，数模转化器产生模拟信号，对激光器驱动板的输出频率进行控制，所述单片机连接可控电源实现激光器驱动板的电源供应。
图2中所示激光器为DBR激光器，所述DBR激光器通过光环形器连接F-P传感器，将DBR激光器作为输入端为F-P传感器提供稳定的光源输入，以实现F-P传感器快速光谱扫描和单波长稳定输出的效果，F-P传感器的输出信号经光环形器传递至信号采集电路，如图3所示，由光电二极管连接跨阻放大器中的运算放大器对光信号进行传递，光电二极管接受到光环形器传递来的光电信号，经跨阻放大器传递至数据采集芯片，所述数据采集芯片采用AD7606，驱动板中的单片机通过SPI全双工同步串行总线与数据采集芯片(AD7606)进行连接，实现与上位机的联动。
在全光谱扫描后通过上位机中的解调软件给出存在的峰值波长， 通过解调算法完成解调F-P传感器腔长，实现波长的解调。在进行强度解调时，首先使用控制解调软件连接解调仪，使用软件控制解调仪进行全光谱扫描后系统给出最佳工作点波长。其次，将解调仪工作在最佳工作点波长进行信号采样，信号采样时系统可自动追踪最佳工作点波长。最后系统根据采集信号进行频谱分析，解调采集信号的频率。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，其特征在于，包括：
基于解调系统光谱扫描获取光谱图，根据光谱图进行峰值特征提取；
通过峰值特征提取进行波形峰值波长的计算，其中包括利用采样点来拟合逼近高斯函数，由高斯函数提取波形峰值波长；
利用波形峰值波长进行F-P传感器腔长解调；
利用光谱图中斜率最大的波长进行强度解调，其中包括对光谱数据相邻点斜率的计算，得到最佳工作点波长；
根据最佳工作点波长进行固定频率的光强采集，通过光强采集的数据进行离散傅里叶变换，得到时域和频域谱图。
2.根据权利要求1所述的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，其特征在于，所述根据光谱图进行峰值特征提取，包括根据不同波长在光谱图上的分布进行数据收集，并对收集后的数据进行预处理，得到去除高频噪声后的平滑数据，通过最小二乘法进行多项式拟合，所述多项式拟合包括构造一个p阶多项式q(n)拟合该数组，构造公式为：
，
其中，a0…m表示为拟合系数，p为多项式阶数，M表示为数据点个数，n表示为第n个样本。
3.根据权利要求2所述的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，其特征在于，所述通过峰值特征提取进行波形峰值波长的计算，包括利用去除高频噪声后的平滑数据进行初始参数估计，通过初始参数进行高斯函数拟合，由拟合高斯函数进行峰值特征的提取，所述拟合高斯函数的公式p(x)为：
，
其中， A为高斯函数的幅值，x为自变量，x0为高斯函数的中心位置，σ为高斯曲线的宽窄的参数，B为函数纵轴方向的偏移。
4.根据权利要求3所述的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，其特征在于，所述利用波形峰值波长进行F-P传感器腔长解调，包括根据F-P传感器腔长与输出光强的对应关系进行F-P传感器腔长的解调，得到输出光强I与腔长L的关系为：
，
其中：I0为入射光光强，R 为端面反射率，λ为波形峰值波长，L 为F-P传感器腔长。
5.根据权利要求3所述的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，其特征在于，所述利用光谱图中斜率最大的波长进行强度解调，包括以输出光强为纵轴，波形峰值波长为横轴进行相邻点斜率的计算，根据得到的相邻点斜率的数据进行差分计算，由差分计算的差分结果得到极值点为0时的点所对应的波长，所述极值点为0时对应的波长为最佳工作点波长。
6.根据权利要求5所述的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调方法，其特征在于，所述根据最佳工作点波长进行固定频率的光强采集，包括基于最佳工作点波长进行高速采样，并以固定频率进行光谱扫描，修正最佳工作点波长，通过光强采集到的时域数据进行离散傅里叶变换计算，得到时域图和频域谱图，其中，傅里叶变换公式表示为：
，
其中，光谱时域数据表示为x[n]，N表示为数据的点数，j表示为虚数单位，表示为欧拉函数，X[k]表示为频域系数。
7.一种基于DBR激光器的F-P传感器解调系统，其特征在于，包括：
激光器驱动板、光环形器和信号采集电路，所述激光器驱动板连接DBR激光器，所述激光器驱动板包括通信接口，所述激光器驱动板通过通信接口连接上位机，所述光环形器分别连接DBR激光器和F-P传感器，所述光环形器连接信号采集电路，所述信号采集电路连接激光器驱动板。
8.根据权利要求7所述的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调系统，其特征在于，所述激光器驱动板还包括单片机、半导体致冷器控制芯片、可控电源和数模转化器，所述可控电源连接单片机，所述单片机的输出引脚连接半导体制冷器控制芯片的控制线，所述单片机通过SPI全双工同步串行总线连接数模转化器，所述单片机连接通信接口。
9.根据权利要求8所述的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调系统，其特征在于，所述激光器驱动板通过通信接口连接上位机，包括激光器驱动板通过USB通信接口连接上位机，所述上位机将解调参数经USB通信接口下发置激光器驱动板中的单片机，所述激光器驱动板通过以太网通信接口连接上位机，所述单片机将存储数据经以太网通信接口上传至上位机。
10.根据权利要求8所述的一种基于DBR激光器的F-P传感器解调系统，其特征在于，所述信号采集电路包括光电二极管、跨阻放大器和半导体采集芯片，所述半导体采集芯片通过SPI全双工同步串行总线连接单片机，所述光电二极管连接跨阻放大器，所述跨阻放大器的输出端与半导体采集芯片输入端连接。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107024236A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-08-08 | 成都凯天电子股份有限公司 | F‑p/fbg光纤传感器解调系统 |
| CN109724633A (zh) * | 2017-10-30 | 2019-05-07 | 成都凯天电子股份有限公司 | 相位展开解调低反射率f-p传感器的方法 |
| CN110440838A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-11-12 | 武汉地震工程研究院有限公司 | 一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器和传感方法 |
| CN111998884A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-11-27 | 重庆邮电大学 | 一种波长自标定光纤fp传感器解调方法 |
| US20210033452A1 (en) * | 2019-08-01 | 2021-02-04 | Zhejiang University | Frequency modulation demodulator based on fiber grating sensor array |
| WO2021212271A1 (zh) * | 2020-04-20 | 2021-10-28 | 北京佰为深科技发展有限公司 | 法珀传感器腔长解调系统和法珀传感器腔长解调方法 |
| CN116105775A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-05-12 | 重庆大学 | 一种光纤法珀传感器腔长高速解调与实时校验方法 |
| CN116105776A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-05-12 | 重庆大学 | 光纤法珀传感器腔长高精度原位标定与高速实时解调的方法与装置 |
-
2024
- 2024-01-23 CN CN202410088815.3A patent/CN117606528B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107024236A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-08-08 | 成都凯天电子股份有限公司 | F‑p/fbg光纤传感器解调系统 |
| CN109724633A (zh) * | 2017-10-30 | 2019-05-07 | 成都凯天电子股份有限公司 | 相位展开解调低反射率f-p传感器的方法 |
| US20210033452A1 (en) * | 2019-08-01 | 2021-02-04 | Zhejiang University | Frequency modulation demodulator based on fiber grating sensor array |
| CN110440838A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-11-12 | 武汉地震工程研究院有限公司 | 一种基于多芯光纤的多参量光纤传感仪器和传感方法 |
| WO2021212271A1 (zh) * | 2020-04-20 | 2021-10-28 | 北京佰为深科技发展有限公司 | 法珀传感器腔长解调系统和法珀传感器腔长解调方法 |
| CN111998884A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-11-27 | 重庆邮电大学 | 一种波长自标定光纤fp传感器解调方法 |
| CN116105775A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-05-12 | 重庆大学 | 一种光纤法珀传感器腔长高速解调与实时校验方法 |
| CN116105776A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-05-12 | 重庆大学 | 光纤法珀传感器腔长高精度原位标定与高速实时解调的方法与装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 戴霞娟;王鸣;贲玉红;: "快速傅里叶变换与线性调频Z变换联合算法在光纤法布里-珀罗传感器解调中的应用", 光学学报, no. 07, 15 July 2008 (2008-07-15) * |
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