[發明專利]一種FPI腔長解調方法及系統

有效

• 申請號: 201910880927.1
• 申請日: 2019-09-18
• 公開（公告）號: CN110595516B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 桂吟秋;魯平;張津;劉德明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01D5/26
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明公開一種FPI腔長解調方法及系統，涉及一種波數光譜主頻精確識別算法。該算法首先對FPI的反射光譜進行波數變換和插值，再對波數光譜進行FFT，通過Rife算法估算波數光譜頻率，即通過FFT的最大譜線以及相鄰次級大譜線估算出真實頻率，根據該頻率即可得到FPI的腔長，由腔長的變化可確定周圍環境因素的變化，如溫度等。該算法的計算量很小，且估算精度很高。通過該方法進行解調的FPI溫度傳感器測量范圍只受傳感器本身特性的限制，大大提高了動態范圍。該方法還可用于FPI的并聯復用的解調。

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，更具體地，涉及一種FPI腔長解調方法及系統。

背景技術

光纖傳感器相比于傳感的電學傳感器一個重大優勢是易復用性。傳感器的復用意味著可以通過一套光源和解調設備，同時獲得多點乃至全分布式的參量測量，如全分布式溫度傳感可以得到測量區域內的溫度分布圖。光纖傳感器的易復用性為分布式傳感提供了實現可能，可大幅度降低了光源與解調設備的成本，在工程應用上具有重要意義。

基于法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer，FPI)型的光纖傳感器可靈活制備的優點，使它被學者廣泛研究，其制備一般也很簡易，當FP腔的反射面反射率較低時，其形成的干涉光譜類似于雙光束干涉，光譜形狀簡單，頻率成分單一，利于解調，目前不僅有通過干涉光譜諧振波長漂移量解調相位變化，還有通過快速傅里葉變換頻率解調、單縱模激光器波長掃描解調、雙波長解調、白光干涉解調等。由于基于波長解調的FPI型傳感器的動態范圍受到光譜自由光譜區(Free Spectral Range，FSR)的限制，通過替換更靈敏介質的方法可以提高靈敏度，但是會犧牲其動態范圍。

在光譜解調方面，為了獲得精確的真實頻率，提高測量范圍，研究人員做了很多工作。對于單頻函數的頻率識別，最大似然估計算法(Maximum Likelihood Estimation，MLE)是最優的頻率估計算法，后來有學者針對該算法超大復雜度的缺陷進行改進，包括經典的Kay算法，LR算法，MM算法。但是上述基于MLE的頻率估計算法復雜度仍然很高，同步速度慢，不適合實時處理。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于解決現有波長解調的FPI型傳感器的動態范圍小，或者精度高但是算法復雜度高、速度慢的技術問題。

為實現上述目的，第一方面，本發明提供一種FPI腔長解調方法，包括以下步驟：

采集FPI的反射光譜，并對所述光譜進行波數變換；

對波數變換后的波數數據進行插值，得到間隔均勻的離散波數數據；

基于所述間隔均勻的離散波數數據，采用Rife算法確定波數光譜頻率；

基于所述波數光譜頻率確定所述FPI的腔長，由腔長的變化可確定周圍預設環境因素的變化。

其中，預設環境因素可以為溫度。

可選地，對所述光譜進行波數變換，具體包括如下步驟：

首先確定FPI反射率與光譜波長之間的關系；

其次確定光譜波長與波數之間的關系；

最后確定FPI反射率與波數之間的關系。

可選地，基于所述FPI反射率與波數之間的關系對波數進行三次樣條插值，得到間隔均勻的離散波數數據。

可選地，所述采用Rife算法確定波數光譜頻率，具體包括如下步驟：

對所述間隔均勻的離散波數數據進行快速傅里葉變換；

基于快速傅里葉變換后的離散波數數據確定波數光譜頻率。

可選地，波數光譜頻率與FPI腔長的關系表示為如下公式：