CN117743736B - 一种光纤f-p传感器解调方法、设备、系统和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤F‑P传感器解调方法、设备、系统和存储介质，属于光纤传感器解调技术领域。先采集光纤F‑P传感器反射光谱数据，将采集到的光谱做光谱矫正去除叠加的高斯包络，然后将处理后的信号进行希尔伯特变换，根据初始腔长生成等长度的相对信号，对处理后的信号和相对信号进行基于希尔伯特变换的寻腔算法得到实际绝对腔长值，其中希尔伯特变换运用复化辛普森数值积分提高精度。本发明中的解调方法能够解决互相关相位解调带来的级次跳动问题、窄带光源无法进行精准的腔长解调问题，以及相位偏移和矫正问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器解调技术领域，尤其涉及一种光纤F-P传感器解调方法、设备、系统和存储介质。
背景技术
光纤法帕传感器（Fiber-optic Fabry-Perot Sensor）是一种基于Fabry-Perot干涉原理的传感器，用于测量和监测物理量的变化。这种传感器利用光纤中的Fabry-Perot干涉现象，将光信号转换为相应的物理量信号。光纤法帕传感器由两个反射镜之间的光纤组成。反射镜可以是两个光纤末端的反射面，也可以是在光纤上蒸镀或焊接的金属或介质反射层。当光从一根光纤进入传感器，一部分光会被第一个反射镜反射回来，进而被第二个反射镜反射回来形成干涉。当外界物理量发生变化（例如温度、压力、形变等），导致传感器长度或折射率发生变化，干涉峰的位置或强度也会随之改变。通过测量干涉峰的移动或强度变化，可以推断出物理量的变化。
光纤法帕传感器的解调方法主要有两种：干涉峰位移解调和相位解调。干涉峰位移解调（Interferometric Peak Displacement Demodulation）：这种方法通过测量干涉峰的位置变化来获得物理量的信息。通常，通过光谱分析仪或光谱仪获取干涉光谱，并计算出干涉峰的位置。当外界物理量发生变化时，传感器的干涉峰位置会发生位移，通过对位移进行分析，可以确定物理量的变化。相位解调（Phase Demodulation）：这种方法通过测量干涉信号的相位变化来获得物理量的信息。一种常用的相位解调方法是通过施加参考信号，将传感器信号与参考信号进行比较，从而提取出干涉信号的相位信息。这可以使用光电探测器、锁相放大器等设备进行。相位解调方法具有高精度和较强的抗噪声能力。相位解调是一种更为精确的解调方法，它可以提供更高的分辨率和灵敏度。相位解调常用的技术包括相位步移法、正弦拟合法、Fourier变换法等。
目前，在光纤F-P传感器中使用较为广泛的解调方法为傅里叶变换方法。此方法具有动态范围大，不受相位噪声影响的优点，但由于傅里叶变换方法中本身存在栅栏效应，遮挡有效信息点，频率分辨率被降低。Bellevill首次提出使用互相关算法解决复合式光纤法珀传感器腔长研究，通过宽光谱范围的互相关运算，可分离出干涉光在不同腔体内的反射信息，并验证了在温度、压力不同条件下腔长的变化。在使用互相关算法中，模板函数与信号的特点匹配程度越高，互相关系数的极大值对应的腔长定位越准确。但是互相关算法寻峰可能在解调中易出现级次判断错误的问题，且要求光源为SLED光源且需要进行一个完整周期内的运算才能进行互相关，如果没有完整周期的光谱信号，或光源范围较窄就无法更好的进行互相关算法。
公开号为CN113325574A的发明专利申请文件中公开了一种光纤法珀传感器双光源腔长匹配解调，其互相关计算所捕获的光谱中至少有1个完整的光谱周期，且要求的采样点数较多。公开号为CN106017522 A的发明专利申请文件中公开了一种光纤F-P传感器的快速高精度信号解调方法，该解调方法通过变步长爬山搜索算法，需要多个不同波长的激光器作为光源测量多个返回强度值且存在判错峰的问题。无针对解决解调系统使用相位法对非完整窄光源光谱进行解调得到腔长的方法及此情况下解调精度易受级次跳动影响的方案。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种基于希尔伯特变换的光纤F-P传感器解调方法及相对应的设备、系统和存储介质，该解调方法能够解决互相关相位解调带来的级次跳动问题、窄带光源无法进行精准的腔长解调问题，以及相位偏移和矫正问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种光纤F-P传感器解调方法，包括以下步骤，
S1：采集光纤F-P传感器反射光谱数据；
S2：对采集到的光谱数据进行高斯包络矫正，得到待处理光谱信号；
S3：对待处理光谱信号进行基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换；
S4：给定初始腔长，生成相对信号，并对相对信号进行基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换；
S5：基于步骤S3和步骤S4的希尔伯特变换结果，计算待处理光谱信号与相对信号的相位差系数；
S6：根据相位差系数计算绝对腔长值；
S7：使用步骤S6中得到的绝对腔长值更新步骤S4中的初始腔长，重复步骤S4-S6，完成传感器的解调。
进一步的，步骤S2的具体操作包括以下步骤，
S201：对光谱数据进行失真矫正，失真矫正变换公式为式中，b为信号偏置，k i 为光源光谱的倒数，x i 为离散光谱数据点，y i 为经过光谱矫正后的离散数据点，其中i为数据点位号；
S202：对失真矫正后的光谱数据去除高斯包络，得到待处理光谱信号。
进一步的，步骤S3的具体操作包括以下步骤，
S301：将高斯包络矫正后的待处理光谱信号x 1(t)进行希尔伯特变换，则：式中，H表示希尔伯特变换，x 1(t) 为高斯包络矫正得到的待处理光谱信号，/>表示卷积时延，/>为积分换元简化运算；
S302：将希尔伯特变换积分代入辛普森公式中得单步积分公式式中，/>，为各个积分离散点， n表示积分离散点的个数，a表示积分上限为积分区间前一个数据点，b表示积分下限为积分区间后一个数据点，k表示复化公式中累加标志；y 1(t)为x 1(t) 希尔伯特变换信号。
进一步的，步骤S4的具体操作包括以下步骤，
S401：令初始腔长为d 0 ，则相对信号；
S402：利用步骤S3中基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换对相对信号进行希尔伯特变换。
进一步的，步骤S5的具体操作包括以下步骤，
令，/>，y 1和y 2分别为x 1和x 2希尔伯特变换后的函数，其中/>为相位信息，则/> 式中，/>为计算所得包含相位差信息的sin相位系数，/>为计算所得包含相位差信息的cos相位系数。
进一步的，步骤S6的具体操作包括以下步骤，
S601：将相位差系数相除，得到查表地址c ；
S602：通过查arctan表得到绝对相位差 ；
S603：根据绝对相位差计算绝对腔长值。
进一步的，本发明还包括一种光纤F-P传感器解调设备，所述设备包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如前所述的解调方法。
进一步的，本发明还包括一种光纤F-P传感器解调系统，包括F-P传感器、光源、光谱仪和上位机，光谱仪采集F-P传感器的光谱数据，通过调节电路传输至上位机进行解调，所述上位机中包含如前所述的解调设备。
进一步的，本发明还包括一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行如前所述的光纤F-P传感器解调方法。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用基于希尔伯特变换的F-P腔长解调方法，比起互相关算法解决了寻找与检验腔长匹配的最大互相关值易出现的级次判定问题，以及相位偏移和矫正问题，节约了排序算法占用的逻辑资源。
2、本发明采用的腔长解调方法不要求光源光谱范围，且使用相位分辨率解调，相比频率分辨率解算更精确，解决了窄带光源无法进行精准的腔长解调问题。
3、本发明使用复化辛普森法则，此数值积分方法用于希尔伯特变换过程中的积分环节，比起矩形计算可以更好的拟合曲线，通过此算法可以在不提高采样频率的情况下提高腔长值的精确性。
4、本发明不要求完整周期内的光谱采集，使用动态腔长查表，使查表数据与待处理信号始终处于相位差计算范围内，解调信号包含相位信息用于解算腔长。
附图说明
图1为本发明实施例一中光纤F-P传感器解调方法的流程图；
图2为本发明仿真实验中利用一般的矩形数值积分求法解调出来的腔长值；
图3为本发明仿真实验中利用一般的矩形数值积分求法和本发明中方法进行解调后的腔长值结果对比；
图4为本发明仿真实验中利用一般的矩形数值积分求法和本发明中方法进行希尔伯特变换后折损精度对比结果；
图5为本发明仿真实验中时频腔长解调图像。
图6为本发明实施例三中基于希尔伯特变换的光纤F-P传感器解调系统示意图。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例1
实施例一提供一种光纤F-P传感器解调方法，具体是基于希尔伯特变换的光纤F-P传感器解调方法，如附图1所示，具体包括以下步骤，
S1：采集光纤F-P传感器反射光谱数据；通过光谱分析仪采集以波长为横轴，光强反射率为纵轴的光谱数据，此时可得到离散点的功率谱密度图，在后续步骤进行计算，在本实施例中光谱分析仪采集的光谱数据对应的传感器腔长为300μm。
S2：高斯包络矫正；步骤S1中采集到的光谱数据在光纤中耦合了正态分布的高斯噪声，腔长算法需要采用去除高斯谐波的数据进行计算，光谱失真矫正需要用到光源光谱，使用光源光谱除以传感器的反射光谱得到光谱失真矫正，为了提高算法的计算速度，光源光谱保ROM表记录的是光源光谱的倒数，这样在进行失真矫正时，除法运算转变为乘法计算，速度更快。
光谱失真矫正的变换公式为：式中，b为信号偏置，k i 为光源光谱的倒数，x i 为离散光谱数据点，y i 为经过光谱矫正后的离散数据点，其中i为数据点位号。通过光谱失真矫正去除高斯包络后得到待处理光谱信号x 1(t)。
S3：对步骤S2中得到的待处理光谱信号进行基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换；
基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换可以在做数值积分运算时更好的拟合光谱信号，在不提高采样频率的情况下提高计算精度。
将高斯包络矫正后的待处理光谱信号x 1(t)进行希尔伯特变换：式中，H表示希尔伯特变换，x 1(t) 为高斯包络矫正得到的待处理光谱信号，/>表示卷积时延，/>为积分换元简化运算。
希尔伯特变换过程需要进行复化辛普森数值积分，该方法利用二次函数来逼近被积函数，从而得到更准确的积分估计。将希尔伯特变换积分代入辛普森公式中得单步积分公式式中，/>，为各个积分离散点， n表示积分离散点的个数，a表示积分上限为积分区间前一个数据点，b表示积分下限为积分区间后一个数据点，k表示复化公式中累加标志；y 1(t)为x 1(t) 希尔伯特变换信号。
S4：给定初始腔长d 0 =310μm生成相对信号，并进行希尔伯特变换；
给定初始腔长数据d 0，由可通过光源波长计算出对应的相对信号x 2 ，根据计算所得的相对信号对其进行希尔伯特变换单步积分公式为。
S5：计算待处理光谱信号与相对信号的相位差系数；
在步骤S4中已经得到了待处理光谱信号与待处理光谱信号的希尔伯特变换后信号，相对信号与相对信号的希尔伯特变换后信号，此时需要计算相位差系数以便下一步的计算。
设，/>，y 1和y 2分别为x 1和x 2希尔伯特变换后的函数，其中/>为相位信息，则单步积分后的相位差系数值计算为 式中，/>为计算所得包含相位差信息的sin相位系数，/>为计算所得包含相位差信息的cos相位系数。
S6：根据相位差系数计算绝对腔长值；
具体的，S601：将相位差系数相除，得到查表地址；S602：通过查arctan表得到绝对相位差；
预先保存rom表记录arctan函数，将步骤S6中计算所得的c作为地址arctan函数值进行匹配，通过查表获得绝对相位差；
S603：根据绝对相位差计算绝对腔长值，/>；
S7：更新腔长值，始终保持相对信号与待测信号相位差在允许范围内，确保查表的精确性。获得绝对腔长数据后，不断使用步骤S6中得到的绝对腔长值d更新步骤S4中的腔长值d 0，以获得更准确的相对信号，并使得相对信号和待处理光谱信号的相位差不会超过希尔伯特变换的范围，所以不断更新d值查表以获得准确的腔长数据。
为了验证本发明中解调方法的可行性，在MATLAB环境下进行仿真实验。在该仿真实验中，采用腔长值为300um，检验腔长为310um进行解调计算，先根据一般的矩形数值积分求法将腔长值解调出来，结果如附图2所示。
同时，利用本发明中的数值积分解调方法对腔长值进行解调，两种方法的对比结果如附图3所示。对附图3进行局部放大处理，根据一般的矩形数值积分解调的腔长值存在周期性的扰动，而本发明中的方法求解出的腔长值基本稳定在300um，误差明显小于前者。
进一步的，如附图4所示为一般的矩形数值积分求法和本发明中方法在解调过程中折损精度（图中黑色部分）对比结果，从附图4中可以看出，本发明中使用辛普森法进行数值积分，通过二次函数拟合曲线边缘，折损精度的部分会缩小，从而能够提高数值积分精度。
进一步的，利用本发明中的方法进行仿真最终得到的时频腔长解调图像如附图5所示，在附图5中，左边大图是时域图信号在一定的时间节点发生腔长变化，模拟实际环节中系统受激励后的阶跃响应变化，右下为腔长影响频率产生的变化的时频图像，从附图5中可以看到频率在时间节点上有明显的变化，也就意味系统会受腔长物理量变化引起频率变化，右上为仿真解调腔长的图像，证明这套解调方法是可以实时响应腔长变化量的。
实施例2
实施例二提供一种光纤F-P传感器解调设备，具体是基于希尔伯特变换的光纤F-P传感器解调设备，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如实施例一中所述的光纤F-P传感器解调方法。
实施例3
实施例三提供一种光纤F-P传感器解调系统，具体是基于希尔伯特变换的光纤F-P传感器解调系统，如附图6所示，包括F-P传感器、光源、光谱仪和上位机，光谱仪采集F-P传感器的光谱数据，通过调节电路传输至上位机进行解调，所述上位机中包含如实施例二中所述的解调设备。
实施例4
实施例四提供一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行如实施例一中所述的光纤F-P传感器解调方法。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种光纤F-P传感器解调方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：采集光纤F-P传感器反射光谱数据；
S2：对采集到的光谱数据进行高斯包络矫正，得到待处理光谱信号；
S3：对待处理光谱信号进行基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换；
S4：给定初始腔长，生成相对信号，并对相对信号进行基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换；
S5：基于步骤S3和步骤S4的希尔伯特变换结果，计算待处理光谱信号与相对信号的相位差系数；
S6：根据相位差系数计算绝对腔长值；
S7：使用步骤S6中得到的绝对腔长值更新步骤S4中的初始腔长，重复步骤S4-S6，完成传感器的解调；
步骤S3的具体操作包括以下步骤，
S301：将高斯包络矫正后的待处理光谱信号x1(t)进行希尔伯特变换，则：
式中，H表示希尔伯特变换，x1(t)为高斯包络矫正得到的待处理光谱信号，τ表示卷积时延，x(τ)为积分换元简化运算；
S302：将希尔伯特变换积分代入辛普森公式中得单步积分公式
式中，h＝(a-b)/n，x0，x1，x2，......，xn为各个积分离散点，n表示积分离散点的个数，a表示积分上限为积分区间前一个数据点，b表示积分下限为积分区间后一个数据点，k表示复化公式中累加标志，y1(t)为x1(t)希尔伯特变换信号；
步骤S4的具体操作包括以下步骤，
S401：令初始腔长为d0，则相对信号
S402：利用步骤S3中基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换对相对信号x2(d0，λ)进行希尔伯特变换；
步骤S5的具体操作包括以下步骤，
令y1和y2分别为x1和x2希尔伯特变换后的函数，其中为相位信息，则
式中，z为计算所得包含相位差信息的sin相位系数，r为计算所得包含相位差信息的cos相位系数；
步骤S6的具体操作包括以下步骤，
S601：将相位差系数相除，得到查表地址c：
S602：通过查arctan表得到绝对相位差
S603：根据绝对相位差计算绝对腔长值
2.根据权利要求1所述的一种光纤F-P传感器解调方法，其特征在于，步骤S2的具体操作包括以下步骤，
S201：对光谱数据进行失真矫正，失真矫正变换公式为
式中，b为信号偏置，ki为光源光谱的倒数，xi为离散光谱数据点，yi为经过光谱矫正后的离散数据点，其中i为数据点位号；
S202：对失真矫正后的光谱数据去除高斯包络，得到待处理光谱信号。
3.一种光纤F-P传感器解调设备，其特征在于：所述设备包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行权利要求1或2所述的解调方法。
4.一种光纤F-P传感器解调系统，其特征在于：包括F-P传感器、光源、光谱仪和上位机，光谱仪采集F-P传感器的光谱数据，通过调节电路传输至上位机进行解调，所述上位机中包含如权利要求3所述的解调设备。
5.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1或2所述的光纤F-P传感器解调方法。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 光纤耦合器的激光多普勒信号相位解调;张雄星;郝冬杰;王伟;王可宁;范源;;自动化仪表;20180320(03);全文 * |
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| CN117743736A (zh) | 2024-03-22 |
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