[發明專利]一種光纖F-P傳感器變步長快速高精度信號解調方法

在審

• 申請號: 202010694435.6
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111707303A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 童杏林;陳續之;方定江;張翠;鄧承偉
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張惠玲

本發明涉及一種光纖F?P傳感器變步長快速高精度信號解調方法，首先對光纖F?P傳感器接收到的光譜信號進行預處理，得到離散形式歸一化光譜序列，利用快速傅里葉變換方法解調得到腔長粗略值，在虛擬腔長模擬范圍內以較大的步長構建一系列虛擬腔長及其對應的干涉光譜，并計算不同腔長值的虛擬光譜與真實光譜的均方誤差，獲取最小均方差所對應的虛擬腔長值，然后縮小虛擬腔長模擬范圍和步長，并計算虛擬腔長與實際光譜的均方誤差找出最小均方差對應的腔長值，依次重復，直到符合解調精度要求為止，獲得最終腔長值。本方法能夠實現光纖F?P傳感器腔長的絕對測量，解調速度快、腔長分辨率高。

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，更具體地說，涉及一種光纖F-P傳感器變步長快速高精度信號解調方法。

背景技術

對光纖F-P傳感器而言，信號解調方法的優劣直接影響著傳感系統的響應速度和探測精度。目前，信號解調方法大體可分為強度解調法和相位解調法兩類，在強度解調法中系統常采用窄線寬光源或單色激光光源以保證光波長恒定，利用干涉光在線性工作區內光強與腔長的變化呈線性的規律進行解調，解調速度快，適用于測量振動、聲波頻率等動態信號的情況。相位解調法是獲取F-P腔整個輸出光譜的相位變化與腔長變化的關系，進而實現對腔長的求解，該方法通常采用寬帶光源或掃頻光源，無需檢測F-P腔的輸出光強變化，因此解調結果不受光源波動及其他光路損耗變化的影響，適用于光纖F-P傳感系統對應力、壓力和溫度等準靜態物理參量測量的情況。

目前，應用較多的相位解調法主要包括：條紋計數法、傅里葉變換解調法、離散腔長解調算法等。條紋計數法有單峰法、雙峰法等，主要是通過計算F-P腔長改變時引起的輸出干涉光譜的峰值偏移量進而求解腔長，動態范圍低。傅里葉變換解調法則是采用快速傅里葉變換(Fast Fourier transform，簡稱FFT)求解輸出信號的頻譜，解調速度快、但解調精度差。離散腔長解調算法在一個腔長范圍內以一定的步長間隔構建一系列的虛擬腔長值，并比較不同虛擬腔長的光譜信號與實際光譜信號，當精度要求高時，該方法存在巨大運算量的問題，不適合實際運用。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為解決現有技術存在的問題，本發明提供一種光纖F-P傳感器變步長快速高精度信號解調方法。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：

設計一種光纖F-P傳感器變步長快速高精度信號解調方法，該方法包括以下步驟：

步驟1)，對光纖F-P傳感器接受到的光譜信號進行預處理，得到離散形式歸一化光譜序列；

步驟2)，利用快速傅里葉變換方法解調預處理后的光譜，計算得到光纖F-P傳感器的腔長粗略值；

步驟3)，利用步驟2)計算得到的粗略腔長值，在指定的虛擬腔長模擬范圍內以預設步長構建一系列虛擬腔長值及其對應的干涉光譜，計算其與實際光譜的均方誤差，獲取最小均方差所對應的虛擬腔長值；

步驟4)，判斷步驟3)得到的均方差最小的腔長值是否滿足解調精度要求，若滿足，則該腔長值為光纖F-P傳感器的腔長；若不滿足，以該腔長值為中點，縮小虛擬腔長模擬范圍和預設步長進行運算，重復步驟3)，直到滿足解調精度要求，輸出此時對應的腔長值。

在上述方案中，所述步驟1)中，對光纖F-P傳感器接受到的光譜信號進行預處理，包括光譜信號的插值擬合、歸一化、去噪和濾波。

在上述方案中，所述步驟1)具體包括以下步驟：

步驟1-1)，先對離散信號的三次樣條插值處理；

步驟1-2)，經過三次樣條插值后得到光頻率均勻分布的光譜信號，在頻域內使用希爾伯特變換，僅將頻率點的相位左移或者右移π/2，得到歸一化光譜信號；