[發明專利]一種基于壓縮感知原理的光纖白光干涉解調方法及系統

有效

• 申請號: 202110842834.7
• 申請日: 2021-07-26
• 公開（公告）號: CN113566862B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 周大鵬;劉強;李詩民;荊振國;彭偉
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 杜陽陽

本發明涉及了一種基于壓縮感知原理的光纖白光干涉解調方法，包括：在不同的采樣時間點隨機輸出不同波長的光至干涉型光纖傳感器中；采用壓縮采樣的方式，采集干涉型光纖傳感器反射輸出的干涉光譜，獲得隨機波長調制采集的壓縮采樣干涉光譜；采用壓縮感知算法，對隨機波長調制采集的壓縮采樣干涉光譜進行重構，獲得每個采樣時間點的原始二維干涉光譜；根據每個采樣時間點的原始二維干涉光譜進行絕對光程差測量。本發明基于掃描激光器結合點式光電探測器的原理，能夠實現多路陣列復用，采用隨機波長調制技術，進行隨機波長掃描，通過壓縮感知算法重構出每一個采樣時間點的全光譜，避免了由于線性波長掃描光譜采集方式引入的多普勒誤差。

技術領域

本發明涉及光學傳感技術領域，特別是涉及一種基于壓縮感知原理的光纖白光干涉解調方法及系統。

背景技術

高頻聲波、振動信號測量在生物醫學領域的超聲成像、光聲成像，大型電力設備及渦輪發動機的運行狀態監測，高精度光聲光譜氣體濃度檢測，精密加工、光刻、半導體制造等領域的高精度運動或位置測量中發揮著重要作用。干涉型光纖聲振動傳感器具有體積小，靈敏度高，抗電磁干擾的優勢，在傳統電學傳感器不適合或者無法滿足需求的場景下優勢明顯，例如在易燃易爆、強電磁干擾、高溫高壓等惡劣環境，或者對傳感器尺寸要求較高的狹窄空間中的應用。光纖白光干涉技術是一種通過全光譜分析精確測量干涉儀絕對光程差的光纖傳感技術，已經廣泛應用于溫度、壓力、應變、折射率、位移等準靜態參量的測量。近年來，高速光譜儀和解調技術的發展使得基于白光干涉的動態絕對測量成為可能。相比于單頻激光的強度測量技術，全光譜解調不僅可以提高儀器系統的抗環境波動干擾能力，實現更大的動態范圍，而且可以聯用不同傳感器可實現動、靜態多參量傳感，提供更加豐富的待測量信息。光纖白光干涉儀的光譜采集方式分為兩種，一種是寬譜光源結合線陣探測器，另一種是波長掃描光源結合點式光電探測器。關于前一種，大連理工大學陳珂等人在非專利文獻(Chen,Ke,et al.Simultaneous measurement of acoustic pressure andtemperature using a Fabry-Perot interferometric fiber-optic cantileversensor.Optics express 28.10(2020):15050-15061.)中利用白光干涉絕對腔長解調技術的法布里-珀羅(Fabry-Perot，F-P)聲波傳感器，其中高頻動態交流腔長變化量用于表征聲信號，低頻直流腔長信息用于表征外界環境溫度，實時的溫度測量還可以用來校準不同溫度下聲傳感器的聲壓靈敏度。該方案中采用寬譜光源和線陣探測光譜儀實現白光干涉測量，受限于光譜采集速度(5kHz)，目前只適用于相對低頻的聲振動信號測量。現有的高速光譜儀的光譜采集速度也大多局限在kHz量級至幾十kHz量級，難以實現數量級的提高。此外，全光譜采集所產生的大量數據也給存儲和傳輸帶來很大壓力。關于后一種，電信領域高速可調諧半導體激光光源已經可實現數百kHz全譜采集速度，且更容易實現多路陣列復用和小型化集成，因此，基于可調諧激光器的方案是一種更加適合工程化的方案。然而，線性波長掃描的光譜采集方案在解調動態干涉儀時存在著一個不可忽略的問題：在光譜采集過程中，干涉儀的動態變化會引入多普勒誤差。高速線陣探測器的光譜采集方式不僅成本高昂，難以實現大規模多路復用，其光譜采集速度也難以滿足日益增加的高頻動態聲振動信號解調需求。可調諧激光器波長掃描的光譜采集方案，雖然可以實現百kHz量級的光譜掃描，但現有的解調技術只支持其應用于干涉儀的準靜態測量。

如何提供一種既適用于多路陣列復用的，又能避免由于線性波長掃描光譜采集方式引入的多普勒誤差的光譜采集方式，成為一個亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于壓縮感知原理的光纖白光干涉解調方法及系統，以提供一種既適用于多路陣列復用的，又能避免由于線性波長掃描光譜采集方式引入的多普勒誤差的光譜采集方式。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

本發明提供一種基于壓縮感知原理的光纖白光干涉解調方法，所述方法包括如下步驟：