[發明專利]基于相位斜率定位中心波峰的低相干干涉解調方法

有效

• 申請號: 201210086405.2
• 申請日: 2012-03-29
• 公開（公告）號: CN102607614A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 江俊峰;劉鐵根;王少華;劉琨;尹金德;孟祥娥;王雙;秦尊琪;吳凡
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26;G02F2/00
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 李益書;侯力

技術領域

本發明涉及一種基于相位斜率定位中心波峰的低相干干涉解調方法，屬于光纖傳感領域。

背景技術

低相干干涉能夠將外界被測物理量的變化反映在干涉條紋的平移信息上，不同于激光干涉得到的等幅干涉條紋，低相干干涉只在零光程差附近的局部位置產生明顯的干涉條紋，對比度存在較大差異，更容易獲取干涉條紋的平移信息，測量范圍也不再局限于激光測量中的λ/4，因此，低相干干涉在光纖傳感領域得到極大的應用，目前已廣泛應用于溫度、壓力、折射率、位移等物理量的測量，此外在物體三維形貌檢測和光學相干層析也有應用。

干涉條紋平移信息的獲取主要有兩種方法：一種方法是直接定位零光程位置，通過追蹤零光程差位置的平移來獲得整個干涉條紋的平移，利用干涉條紋的對比度或者包絡峰值都可以實現零光程位置的定位，但是當信噪比較低時很難實現高精度定位；此外，還可以通過定位中心波峰的峰值位置來獲取干涉條紋的平移信息，實驗結果表明中心波峰的峰值位置比干涉條紋包絡的峰值位置能更準確地反映整個干涉條紋的平移信息，但是中心波峰的準確定位問題目前還沒有得到很好的解決，限制了該方法的應用；另一種方法是將干涉條紋的平移信息轉化為相位信息，建立被測物理量和相位的一一對應關系，在頻域實現低相干干涉的解調，相位斜率法、相移法和空間頻域算法等都是基于相位提出的解調方法。

隨著低相干干涉技術的發展，這兩類解調方法都得到了逐步改進和完善，本發明專利通過綜合上述兩類方法提出了一種新的解調方法，該方法通過頻域的相位斜率定位中心波峰，巧妙地結合了頻域和時域信息，解決了中心波峰的準確定位問題。

發明內容

本發明的目的是解決中心波峰的準確定位問題，提供一種基于相位斜率定位中心波峰的低相干干涉解調方法。該方法利用相位斜率確定干涉條紋中心波峰的峰值位置，提高通過直接獲取干涉條紋平移量進行解調的解調精度。

本發明提供的基于相位斜率定位中心波峰的低相干干涉解調方法，采用低精度的相位斜率解決中心波峰的高精度定位問題，通過中心波峰峰值位置的平移量來反映光程差的改變，進而實現高精度的解調，具體步驟是：

第1、進行標定實驗：建立相位斜率和中心波峰峰值位置的一一映射關系；

第2、以相位斜率為自變量，中心波峰峰值位置為因變量，通過三次多項式擬合得到擬合表達式：其中為相位斜率，Y為中心波峰峰值位置；

第3、解調時，將相位斜率值代入擬合表達式得到中心波峰峰值位置的估測值，然后對干涉信號進行傅立葉濾波，在濾波后信號中尋找與估測值最接近的極大值點，該極大值點即為中心波峰峰值位置。

第1步所述的相位斜率和中心波峰峰值位置的對應關系的建立方法是：首先通過標定實驗分別得到壓強-相位斜率、壓強-中心波峰峰值位置曲線，然后通過中間變量壓強得到相位斜率-中心波峰峰值位置關系曲線。

第1步和第3步所述的相位斜率的獲取方法是：首先對采集的離散干涉信號x(n)進行離散傅立葉變換轉換到頻域X(k)，其中為相位，A(k)為幅度，然后對相位進行相位展開，最后對頻率-展開后相位進行最小二乘線性擬合得到擬合直線，直線的斜率即為相位斜率。其中，相位展開的具體方法是：相位隨著頻率的增大呈單調減小，這是相位展開的理論依據，具體按照下面的遞歸表達式進行相位展開：

其中，u()是階躍函數，m是幅度A(k)最大處對應的序列號。

上面所述的壓強-中心波峰峰值位置對應關系的獲取方法是：隨著壓強的單調增大，中心波峰的峰值位置會發生單調平移，這是壓強-中心波峰峰值位置關系曲線獲取的依據，具體步驟為：首先對起始壓強下得到的干涉信號進行傅立葉濾波，以濾波后信號幅值最大處對應的CCD像素數為中心波峰峰值的基準位置；當壓強以一定壓強間隔增大到另一壓強時，同樣對干涉信號進行傅立葉濾波，在濾波后信號的所有極大值點中尋找第一個比起基準位置小的極大值點，該極大值點即為該壓強下的中心波峰峰值位置，其中一定壓強間隔的確定方法是保證壓強變化引起的中心波峰峰值位置的平移量不大于干涉條紋的波長λ；依次類推，重新定義該壓強下確定的中心波峰峰值位置為基準位置，當壓強繼續單調增大時，以上述同樣的方法繼續確定中心波峰峰值位置，如此循環往復，便獲得了壓強-中心波峰峰值位置的關系曲線。

相位斜率解調以及相位展開的理論依據：

一般常見的寬帶光源的光譜都呈近似高斯分布，那么低相干干涉的光強可以表示為：