用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法、系统、设备技术方案

本发明专利技术属于光纤传感技术领域，具体涉及一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法、系统、设备，旨在解决现有的偏光干涉型光纤传感器解调方案存在测量范围受光源谱宽限制以及寄生干涉引起解调误差，导致解调鲁棒性、适用性较差的问题。本方法包括采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据；选取设定相位的极值点并归一化处理；得到拟合系数的初值；计算在初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值；采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据；利用腰值点选取拟合样本点；进行最小二乘拟合；计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值；计算双折射值之间的差并进行解调。本发明专利技术提高了解调鲁棒性、适用性。适用性。适用性。

【技术实现步骤摘要】
用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法、系统、设备


[0001]本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法、系统、设备。

技术介绍

[0002]常见的偏光干涉型光纤传感器传感单元为保偏光纤，当光分别沿保偏光纤的快轴和慢轴传输时，由于保偏光纤的双折射会产生的相位差，当外界环境中温度、气体压力、氢气浓度等物理条件发生变化时，传感光纤的双折射值发生改变，会引起两个偏振模式相位差的变化，从而导致偏光干涉光谱整体产生不同程度的偏移，通过检测干涉光谱的偏移或传感光纤双折射的变化，可以实现对物理量的测量。偏光干涉型光纤传感器具有制作简单、光学结构简易、稳定性好等优点，具有很高的实用价值。
[0003]传统的偏光干涉型光纤传感器一般采用波长解调方案，通过追踪干涉光谱的峰谷值来实现对传感物理量的解调。该解调方案操作简单，但是存在测量范围受光源谱宽限制，一旦追踪的峰谷值超出光源谱宽，就无法实现解调，此外在实测光谱中置可能存在寄生干涉现象，峰值部分噪声较大，输出光谱的形状不理想，该解调方案将会出现较大误差，严重影响传感系统的精度，甚至出现无法解调的状况，解调方案普适性差。基于此，本专利技术提出了一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的偏光干涉型光纤传感器解调方案存在测量范围受光源谱宽限制以及寄生干涉引起解调误差现象，导致解调鲁棒性、适用性较差的问题，本专利技术第一方面，提出了一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，该方法包括：
[0005]S10，采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据，并进行预处理；所述预处理包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪；
[0006]S20，从预处理后的干涉光谱数据中选取设定相位的极值点作为特征相位点，并进行归一化处理；归一化后，计算归一化后的特征相位点的平均间距，并将相邻的极大值、极小值的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引；
[0007]S30，通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到拟合系数的初值；所述拟合系数包括双折射系数、双折射色散系数、初相位；
[0008]S40，结合拟合系数的初值，计算在所述初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值，作为第一双折射值；
[0009]S50，采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理；
[0010]S60，在步骤S50预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；所述第一阈值区间为以所述腰值点索引为中点，以特征相位
点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；所述第二阈值区间为以所述腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；所述第一区间为S60获取的相邻极大值、极小值之间的区间；
[0011]S70，通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数；
[0012]S80，基于变化后的双折射系数，结合双折射色散系数、初相位的初值，计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值，作为第二双折射值；
[0013]S90，计算第一双折射值、第二双折射值的差，并结合初始外界物理条件对应的参数值，获取变化后的外界物理条件对应的参数值。
[0014]在一些优选的实施方式中，“将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标”，其方法为：
[0015]干涉光谱数据对应的光谱横坐标转换方法为：
[0016]f＝c/λ
[0017]其中，f为光频率，c为真空中的光速，λ为波长；
[0018]干涉光谱数据对应的光谱纵坐标转换方法为：
[0019][0020]其中，I
mW
为线性坐标光功率，I
dBm
为对数坐标光功率。
[0021]在一些优选的实施方式中，所述预构建的透射端光谱理论模型为：
[0022][0023]其中，B0为传感光纤双折射系数，K
B
为双折射色散系数，φ0为初相位，L为传感光纤长度，I为输出光功率值。
[0024]在一些优选的实施方式中，所述设定相位为k＝0,1,2,3
…
。
[0025]在一些优选的实施方式中，“双折射值与拟合系数的关系为：B＝B0+K
B
f，B表示双折射值。
[0026]在一些优选的实施方式中，“通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数”，其方法为：
[0027]逐步改变参数B0，使通过所述透射端光谱理论模型拟合得到的拟合样本点与步骤S50采集的干涉光谱数据之间的残差平方和最小，并将残差平方和最小对应的B0作为变化后的双折射系数。
[0028]本专利技术的第二方面，提出了一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调系统，该系统包括：初始数据采集模块、腰值点选取模块、拟合系数初值计算模块、第一双折射值计算模块、数据重采集模块、特征相位点重选取模块、变化双折射系数计算模块、第二双折射值计算模块、解调模块；
[0029]所述初始数据采集模块，配置为采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据，并进行预处理；所述预处理包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪；
[0030]所述腰值点选取模块，配置为从预处理后的干涉光谱数据中选取设定相位的极值点作为特征相位点，并进行归一化处理；归一化后，计算归一化后的特征相位点的平均间距，并将相邻的极大值、极小值的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引；
[0031]所述拟合系数初值计算模块，配置为通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到拟合系数的初值；所述拟合系数包括双折射系数、双折射色散系数、初相位；
[0032]所述第一双折射值计算模块，配置为结合拟合系数的初值，计算在所述初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值，作为第一双折射值；
[0033]所述数据重采集模块，配置为采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理；
[0034]所述特征相位点重选取模块，配置为在数据重采集模块预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；所述第一阈值区间为以所述腰值点索引为中点，以特征相位点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；所述第二阈值区间为以所述腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；所述第一区间为特征相位点重选取模块获取的相邻极大值、极小值之间的区间；
[0035]所述变化双折射系数计算模块，配置为通过所述透射端光谱理论模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S10，采集在初始外界物理条件下的干涉光谱数据，并进行预处理；所述预处理包括将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标，并进行滤波去噪；S20，从预处理后的干涉光谱数据中选取设定相位的极值点作为特征相位点，并进行归一化处理；归一化后，计算归一化后的特征相位点的平均间距，并将相邻的极大值、极小值的中点作为腰值点，以腰值点的横坐标作为腰值点索引；S30，通过预构建的透射端光谱理论模型对归一化后的特征相位点进行拟合，得到拟合系数的初值；所述拟合系数包括双折射系数、双折射色散系数、初相位；S40，结合拟合系数的初值，计算在所述初始外界物理条件下设定波长/频率位置的双折射初值，作为第一双折射值；S50，采集在初始外界物理条件发生变化后的干涉光谱数据，并进行预处理；S60，在步骤S50预处理后的干涉光谱数据中寻找位于第一阈值区间的极大值、极小值点，并利用这些极大值、极小值点分别对位于第二阈值区间的点进行局部归一化，将归一化后的点作为拟合样本点；所述第一阈值区间为以所述腰值点索引为中点，以特征相位点的平均间距为左右间距构建的阈值区间；所述第二阈值区间为以所述腰值点为中点，以第一区间的1/N为上下间距构建的阈值区间；所述第一区间为S60获取的相邻极大值、极小值之间的区间；S70，通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数；S80，基于变化后的双折射系数，结合双折射色散系数、初相位的初值，计算在初始外界物理条件发生变化后设定波长/频率位置的双折射值，作为第二双折射值；S90，计算第一双折射值、第二双折射值的差，并结合初始外界物理条件对应的参数值，获取变化后的外界物理条件对应的参数值。2.根据权利要求1所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，“将干涉光谱数据对应的光谱坐标转换为频率域线性坐标”，其方法为：干涉光谱数据对应的光谱横坐标转换方法为：f＝c/λ其中，f为光频率，c为真空中的光速，λ为波长；干涉光谱数据对应的光谱纵坐标转换方法为：其中，I
mW
为线性坐标光功率，I
dBm
为对数坐标光功率。3.根据权利要求2所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，所述预构建的透射端光谱理论模型为：其中，B0为传感光纤双折射系数，K
B
为双折射色散系数，φ0为初相位，L为传感光纤长度，I为输出光功率值。4.根据权利要求1所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，所述设
定相位为5.根据权利要求3所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，双折射值与拟合系数的关系为：B＝B0+K
B
f，B表示双折射值。6.根据权利要求1所述的用于偏光干涉型光纤传感器的解调方法，其特征在于，“通过所述透射端光谱理论模型对所述拟合样本点进行最小二乘拟合，得到变化后的双折射系数”，其方...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨远洪，李慧，王子垚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：