[發明專利]基于相位保留濾波和峰位置追蹤的低相干干涉解調方法

有效

• 申請號: 202010097541.6
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111397642B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 張學智;王超;劉鐵根;江俊峰;劉琨;王雙;閃晨曦
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發明公開了一種基于相位保留濾波和峰位置追蹤的低相干干涉解調方法，在標定過程中，先對原始信號進行相位保留濾波處理，消除背景和高頻噪聲，從而得到低相干干涉信號；隨后利用質心公式和單條紋峰遞推公式分別得到質心和單條紋峰的位置，從而通過曲線擬合得到擬合公式；在對實際信號的解調過程中，先通過計算得到條紋的質心，再通過擬合公式計算得到單條紋峰的位置。與現有技術相比，本發明可實現更高的精度，并且解調精度會突破CCD尺寸的限制，達到亞像素級。

技術領域

本發明涉及光纖法珀傳感技術，特別是涉及一種空間域低相干干涉解調方法。

背景技術

得益于對絕對距離進行精確測量的能力，低相干干涉法廣泛應用于物理形貌和表面檢測、光學相干層析技術以及可將待測物理量(壓力、溫度、折射率等)轉化為距離量的光纖傳感領域等。

低相干干涉的解調方法主要有空間域的條紋分析法和空間頻率域的相位法。條紋分析法利用了低相干干涉條紋的位置信息進行解調，如質心、包絡等。由于計算簡單，所以可以實現高速解調。但是由于條紋容易受到器件加工誤差、光的非垂直入射以及色散等因素的影響而失真變形，所以不易實現高精度解調。相位法利用空間頻率域的相位信息實現解調，往往具有更高的精度，但相位固有的2π周期使得相位重疊模糊是必須解決的問題，否則解調范圍會受到限制。通常利用對相對相位進行展開的方式以實現干涉級次的確定和求出絕對相位，但相位展開運算較為復雜，并且需要進行特定基準參數的人為提前選定，這極大限制了相位解調方法在實際環境中的應用。

發明內容

針對現有技術存在的技術問題，本發明提出了一種基于相位保留濾波和峰位置追蹤的低相干干涉解調方法，利用了濾波后的精確單條紋位置進行解調，相比較于傳統方法，獲得了更高的解調精度。

本發明的一種基于相位保留濾波和峰位置追蹤的低相干干涉解調方法，包括標定過程和解調過程，其中：

標定過程：

步驟1、對原始干涉信號進行相位保留濾波，得到消除了暗背景噪聲和高頻噪聲的低相干干涉條紋信號；相位保留濾波的具體計算過程如下：

1-1、將空間頻率域的濾波向量設計為其中q為截止頻率，p為通帶寬度，N為向量長度，通過離散傅里葉逆變換，在空間域的表達式為

1-2、對濾波向量進行加窗處理，優化濾波效果和消除吉布斯效應，所采用的窗函數為w(n)＝w_Bl(n)*w_Bl(-n)，其中，*代表卷積運算，w_Bl(n)為布萊克曼窗，其表達式為

1-3、計算空間相位保留濾波向量g(n)，表達式為其中，w(0)為歸一化系數，將g(n)與原始信號進行卷積運算即可實現相位保留濾波；

步驟2、利用法珀傳感單元產生連續等間距的法珀腔長變化，得到一一對應的低相干干涉條紋的質心位置和單條紋的峰位置，建立質心位置與單條紋峰位置的線性關系函數，線性關系函數的建立具體過程如下：

2-1、計算獲得質心位置l_cen，公式為其中，l_p為構成干涉條紋的采集點位置，I(l_p)為該點光強信號，I_max為條紋最大峰值，l_cen為質心位置；

2-2、通過遞推表達式得到連續腔長變化下的單條紋峰位置，公式如下：