一种光纤法珀传感器腔长高速解调与实时校验方法技术

本发明专利技术公开一种光纤法珀传感器腔长高速解调与实时校验方法，包括以下步骤：1)标定法珀传感器腔长

【技术实现步骤摘要】
一种光纤法珀传感器腔长高速解调与实时校验方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，具体是一种光纤法珀传感器腔长高速解调与实时校验方法。

技术介绍

[0002]光纤法珀传感器是一类利用光纤构成光学法珀腔的微型传感器，可通过结构设计对压力、应变、加速度等不同物理量进行测量。理论上，可转换为微位移的物理量，均可利用光纤法珀传感器进行测量。以光纤法珀传感器为例，压力作用使法珀端面的感压膜片形变，导致法珀腔长度改变，调制了腔内多光束干涉的信号。通过解调携带腔长信息的干涉光，即可获得压力信息。因此，从光学信号中解调出法珀腔长，是光纤法珀传感测量应用的基础。
[0003]工程上常用相位解调法计算腔长值，但是在诸如高速脉动压力等场合的测试里，动辄需要对上千个完整光谱数据进行采样与运算，不可避免的带来了数据量大和解调速度慢的问题，制约了这类传感器在要求较快解调速度的测试领域中的应用。
[0004]现有技术中存在一种白光干涉型光纤法珀传感器的少光谱采样点的解调方法和系统，通过减少数据采集与资源占用实现了高速采样与解调，但要实现高精度解调，算法仍需消耗较长时间。而强度解调法通过检测单波长(或几个波长)输出光强的变化来获得腔长值，具有原理简单、响应快、成本低等优点。使用强度解调法可以实现腔长的高速实时解调，但是，采用强度解调法的系统在测量过程易受光源、光电探测器、光纤连接线路扰动以及传感器空间位置变化等外界因素的干扰，使得解调的结果误差较大。因此，目前实际应用强度解调法的测试中，一个技术难点是采用强度法解调出的腔长值会随着测试的进行出现偏差，甚至完全偏离正确结果。现有的技术方案无法实时了解光强法在测量中的误差累积情况，即不能在测试的进行中实时校验解调结果，以帮助测试人员合理调整测试的进程。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种光纤法珀传感器腔长高速解调与实时校验方法，包括以下步骤：
[0006]1)标定法珀传感器腔长
‑
光强关系；
[0007]2)宽带光源通过光纤向光环形器提供宽光谱输入光源信号；
[0008]3)光环形器通过光纤将宽带光源信号传输至光纤法珀传感器，并接收光纤法珀传感器返回的反射光干涉信号；
[0009]4)密集波分复用器接收反射光干涉信号，并对反射光干涉信号在光谱域进行N个不同波长离散分布的稀疏分光，并将N路稀疏分光信号传输至光电探测阵列；
[0010]5)所述光电探测器将N路稀疏分光信号转换为模拟电信号，并传输至信号放大与调理模块；
[0011]6)所述信号放大与调理模块对模拟电信号进行放大、滤波，并传输至高速并行采集模块；
[0012]7)所述高速并行采集模块将放大、滤波后的N路模拟电信号传输至计算解调模块；
[0013]8)所述计算解调模块将所获取的N路电信号转换为N路稀疏光谱信号，并对稀疏光谱进行计算处理，得到腔长参考值L2；
[0014]所述计算解调模块从稀疏光谱中选定一路波长，并根据法珀传感器腔长
‑
光强关系对该波长对应的光强信号进行处理，得到腔长解调值L1；
[0015]9)完成自校验，步骤包括：计算解调模块计算腔长解调值和腔长参考值差值|L1‑
L2|，若差值|L1‑
L2|小于预设阈值σ，则返回步骤2)，继续进行下一时刻的腔长解调；若差值|L1‑
L2|大于等于预设阈值σ，则发出预警信号，重新标定法珀传感器腔长
‑
光强关系。
[0016]进一步，标定法珀传感器腔长
‑
光强关系的步骤包括：
[0017]1.1)宽带光源通过光纤向光环形器提供宽光谱输入光源信号；
[0018]1.2)光环形器通过光纤将宽光谱输入光源信号传输至光纤法珀传感器，并接收光纤法珀传感器返回的反射光干涉信号；
[0019]1.3)依次利用密集波分复用器、光电探测器、信号放大与调理模块、高速并行采集模块获得光强信号，并传输至计算解调模块；
[0020]1.4)所述计算解调模块对光强信号进行解调，得到在单波长点λ0处的光纤法珀腔长L
i
；
[0021]1.5)改变外界环境条件，并返回步骤1.2)，直到建立不同加载条件下的腔长序列L＝{L0,L1…
L
N
}，以及各腔长对应的光谱在单波长点λ0处的光谱强度序列P＝{P0,P1...P
N
}；
[0022]1.6)对腔长序列L＝{L0,L1…
L
N
}和光谱强度序列P＝{P0,P1...P
N
}进行拟合，得到在单波长点λ0下的光纤法珀传感器腔长
‑
光谱强度关系。
[0023]进一步，光强信号I
R
如下所示：
[0024][0025]式中，L为腔长；I0为入射光光强；R为端面反射率，λ为光波波长。
[0026]进一步，对光强信号进行解调时，以Q点为中心的λ/4单色光源波长范围作为光强信号解调的线性区间；λ为光波波长；
[0027]当腔长L在解调的线性区间内波动时，腔长L与接收到的光强I
R
成近似线性关系；解调的线性区间为以斜率最大的Q点为中心的λ/4单色光源波长范围；
[0028]近似线性关系如下所示：
[0029]I
R
＝αI0L(2)
[0030]式中，I
R
为光强信号；α为比例系数；L为腔长；I0为入射光光强。
[0031]进一步，步骤5)中，每间隔ΔT时间完成一次自校验。
[0032]进一步，选择单波长点λ的步骤包括：
[0033]以腔长L的变化区间，也即法珀传感器设计时确定的初始腔长和达到最大形变时的腔长值为变量，依次比较稀疏光谱N路单波长点处的反射光谱曲线的特征，选择一条在该腔长区间内单调、线性度最优、灵敏度最高的曲线所对应波长值作为单波长点λ。
[0034]本专利技术的技术效果是毋庸置疑的，本专利技术提出了一种基于强度法，具有自校验功
能的光纤法珀传感器腔长解调方法，该方法可以实现腔长的高速、实时解调。
[0035]本专利技术在一套系统中采用了两种解调方法，基于强度法的腔长实时解调与基于稀疏光谱的腔长高精度解调，两种方法不需要增加单独的光源和数据采集等模块获得，实现了系统的复用。系统既可以在实时运行时用强度法解调，并实时进行校验，也可以对高速采集和存储的数据利用基于稀疏光谱的解调算法解调腔长。
[0036]本专利技术使用相位法原理解调出的腔长值自校验系统的强度法腔长解调值，克服了单一强度法易受传感器异动、环境变化等对解调精度带来的影响。
附图说明
[0037]图1(a)
‑
(b)为法珀腔长与输出光强关系曲线和光强法腔长解调原理图；
[0038]图2为不同单波长下腔长与光强关系曲线原理图；
[0039]图3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤法珀传感器腔长高速解调与实时校验方法，其特征在于，包括以下步骤：1)标定所述法珀传感器腔长
‑
光强关系。2)宽带光源通过光纤向光环形器提供宽光谱输入光源信号；3)光环形器通过光纤将宽带光源信号传输至光纤法珀传感器，并接收光纤法珀传感器返回的反射光干涉信号；4)密集波分复用器接收反射光干涉信号，并对反射光干涉信号在光谱域进行N个不同波长离散分布的稀疏分光，并将N路稀疏分光信号传输至光电探测阵列；5)所述光电探测器将N路稀疏分光信号转换为模拟电信号，并传输至信号放大与调理模块；6)所述信号放大与调理模块对模拟电信号进行放大、滤波，并传输至高速并行采集模块；7)所述高速并行采集模块将放大、滤波后的N路模拟电信号传输至计算解调模块；8)所述计算解调模块将所获取的N路电信号转换为N路稀疏光谱信号，并对稀疏光谱进行计算处理，得到腔长参考值L2；所述计算解调模块从稀疏光谱中选定一路波长，并根据法珀传感器腔长
‑
光强关系对该波长对应的光强信号进行处理，得到腔长解调值L1；9)完成自校验，步骤包括：计算解调模块计算腔长解调值和腔长参考值差值|L1‑
L2|，若差值|L1‑
L2|小于预设阈值σ，则返回步骤2)，继续进行下一时刻的腔长解调；若差值|L1‑
L2|大于等于预设阈值σ，则发出预警信号，重新标定法珀传感器腔长
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光强关系。2.根据权利要求1所述的一种光纤法珀传感器腔长高速解调与实时校验方法，其特征在于，标定法珀传感器腔长
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光强关系的步骤包括：1)宽带光源通过光纤向光环形器提供宽光谱输入光源信号；2)光环形器通过光纤将宽光谱输入光源信号传输至光纤法珀传感器，并接收光纤法珀传感器返回的反射光干涉信号；3)依次利用密集波分复用器、光电探测器、信号放大与调理模块、高速并行...

【专利技术属性】
技术研发人员：周峰，刘显明，孙富强，章鹏，雷小华，许亨艺，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：