基于标定算法和相移技术的快速、高精度低相干干涉解调方法，属于光纤传感领域，具体涉及大气压力的测量，测量方法基于低相干干涉技术，将外界大气压力的变化转换为法布里-珀罗传感器的腔长信息，当腔长引起的光程差和干涉仪扫描的光程差相匹配时在该局部区域形成明显的低相干干涉条纹。该方法首先利用改进型质心的标定算法快速地确定一个特定级次的波峰位置，然后利用对相移技术得到的该波峰对应的相对相位进行线性拟合的方法准确地获取其峰值位置。波峰的定位和峰值位置的准确获取所需要的计算量都很小，且能够保持很高的解调精度，该方法能够实现低相干干涉的快速、高精度解调。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属于光纤传感领域，具体涉及了外界大气压力的测量，同时适用于改变光程差的位移，振动，温度等物理量的低相干干涉解调测量。
技术介绍
低相干干涉技术具有很长的发展历史，早在1665年Hook就曾提出低相干干涉条纹里的颜色信息对两个反射面之间的厚度非常敏感，可以利用低相干干涉测量厚度。虽然 低相干干涉从光学基本原理上来讲并不复杂，但是由于技术水平及制造工艺的限制，直到上个世纪90年代，才有比较成熟的商业化产品出现，并广泛应用于物体三维形貌检测、薄膜厚度测量以及光纤传感等领域。自1990年开始，低相干干涉技术得到广泛关注并获得了快速发展，人们针对低相干干涉技术的解调提出了很多解调算法来提高其解调速度和精度，从最初的通过提取条纹对比度的最大值或质心来估测零光程差位置，到后来通过提取干涉包络并利用包络的峰值位置的平移来获取干涉条纹的平移信息。也有研究人员从频域实现了干涉的解调，例如，在1995年Groot et al.提出了空间频域算法(SFDA)，利用相位斜率进行解调；在1996年Larkin首次将用于激光干涉的相移技术引入到低相干干涉中，从理论分析了其可行性，并进行了计算机的模拟仿真；在2006年Sanit Kumar Debnath et al.提出了增强型的相位解调算法，通过提取出宽带光源中的单色频率成分并恢复出其绝对相位以实现解调。其中，条纹对比度或质心算法比较简单，运算量小，但是很难实现高精度解调；如果干涉条纹的分布不发生变化，包络法能够获得较高的解调精度，但是包络的有效提取往往涉及到运算量很大的数字变换技术(例如傅立叶变换、小波变换或希尔伯特变换等)，空间频域算法或增强型相位算法也需要利用傅立叶变换得到相对相位，因此，他们的运算量很大，很难实现高速解调；相比之下，相移法却能够利用较少的计算量实现较高的解调精度。人们提出了很多相移补偿算法(比如五步、七步、八步法等)以适应于低相干干涉，但是，仅仅利用相移技术得到的相对相位是不能实现解调的，还需要一个特定的波峰或波谷(一般为中心波峰或0级波峰)以恢复出绝对相位，目前，未见有报道简单、稳定、可靠的波峰确定方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有解调方法很难在运算量较小的条件下，实现高精度解调的问题，提供一种。该方法利用改进型质心的标定算法来定位一个特定级次的波峰，然后通过相移法得到该波峰对应的相对相位，并进行线性拟合来精确地获得其峰值位置，以实现低相干干涉的快速、高精度解调。本专利技术提供的，首先需要定位一个特定级次的波峰位置，然后准确地获取该波峰的峰值位置，通过获取波峰峰值位置的平移以得到干涉条纹的整体平移信息，实现解调，具体实现步骤为第I、特定级次波峰位置的确定，波峰级次一般选择为中心波峰或0级波峰，其他级次的波峰位置，分别通过在0级波峰位置的基准上加上或减去相应个波长距离得到第I. I、进行标定实验，建立干涉条纹的质心位置和准确的特定级次的波峰峰值位置的对应关系，并进行三次多项式拟合，得到拟合表达式；第I. 2、解调时，将质心带入通过标定实验得到的拟合表达式，得到该特定级次波峰的估测位置X，估测位置X所在的波峰即为需要确定的特定级次的波峰；第2、已确定的特定级次波峰峰值位置的准确获取 第2. I、利用七步相移公式得到干涉条纹的相对相位0 (n) .,、r3/(/ - / 4) + I (/; + 3m, 4) -Iin- 3m/4) - 3/{n + m;4).彡()=arctan[—^^~^-!—----!—] 4/(/7)-2/(n - /77/2) — 2/( + /77,/ 2)其中，I(n)为实际采集的光强，n为采集的序列号，m为一个波长\的干涉条纹对应的采集点数；第2. 2、上面的相移公式得到的相位小(n) G (-JI/2，/2)，通过下面的公式进行相位展开得到例>),使展开后相位炉(《) e (-兀，丌、■ ￠(12) - Ti ; if [K(ji) < 0 &￠{17) > 0] <p() 二(/>{//) ； if [ K (n) > 0]#() -I- K; If [A() < 0 & 0in) < 0]其中，K(n)为干涉条纹的对比度K(n)=I (n)-I (n+m)；第2. 3、对已经确定的特定级次波峰对应的相对相位进行最小二乘线性拟合，拟合直线纵坐标为零的点为波峰峰值点，其横坐标即为波峰峰值点位置。其中，第I步中干涉条纹的质心位置获取方法是I)对采集的离散干涉信号提取对比度K(n)；2)对比度K(n)取绝对值得到K’ (n)，n同样为采集序列号，即K' (n) = |K(n) | ；3)对K’ (n)设置一个阈值灸以提取出最有效的信息K’ (j)，j为K' (n)的幅值大于设定阈值#对应的采集序列号，其中A = 2/5XKmax，K' max为K' (n)的最大值；4)对提取出的干涉条纹运用质心公式得到质心横坐标)J =支['(./) °第1步中准确的特定级次波峰峰值位置的获取方法是压强以一定的压强间隔单调增大时，干涉条纹会发生单调平移，利用递归比较的方法可以依次确定特定级次的波峰位置，其中一定的压强间隔的需满足压强变化引起的波峰峰值位置的平移量不大于干涉条纹的波长入，才能保证递归比较法的有效性。然后再利用上述第2步中的方法准确地获取其峰值位置。本专利技术的有益效果及优点在于I、通过利用改进型的质心进行标定的方法能够简单、快速、准确地定位一个特定级次的波峰峰值位置；2、利用相移法获得相对相位，运算量小、相位精度较高；3、通过对中心波峰对应的相对相位进行线性拟合能够精确地获取波峰的峰值位置，相对于多项式拟合和高斯拟合确定法，该方法具有很强的抗噪声干扰能力和抗畸变能力，即使在信噪比很低的环境下或者波形严重畸变的条件下，也能较准确地获取波峰的峰值位置，提高峰值位置的定位精度；4、特定级次波峰位置的确定和峰值位置的准确获取的运算量都非常小，能够实现低相干干涉的快速解调，相比于基于傅立叶变换技术的解调方法，该方法能够提高大约25 倍的解调速度；5、不仅中心波峰或0级波峰能用于解调，其他土 I级波峰、土 I级波谷也同样适用于解调；附图说明图I为空间扫描型低相干干涉光纤传感大气压力解调装置示意图；图2为改进型质心算法解释图及结果，其中(a)为原始干涉条纹，(b)为干涉对比条纹，(C)干涉对比度的绝对值条纹；(d)为得到的压强-质心位置特性曲线；图3为通过递归比较法获得中心波峰峰值位置的方法解释图及结果，其中(a)为递归比较法解释图；(b)为得到的压强-准确的中心波峰峰值位置特性曲线；图4为本专利技术方法用于确定中心波峰的可行性验证图，其中(a)为局部放大的干涉条纹图，(b)为实际得到的估测误差曲线图；图5为相位展开说明图及波峰峰值位置获取的说明图；图6为利用本方法得到的压强-0，土 I级波峰峰值位置特性曲线和利用0级波峰得到的解调误差，其中(a)为压强-波峰峰值位置特性曲线，(b)为0级波峰解调误差曲线。具体实施例方式实施例实验装置附图I为一种基于低相干干涉原理搭建的解调装置，用于测量外界大气压力，本专利技术方法将结合大气压力的实际测量进行说本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于标定算法和相移技术的快速、高精度低相干干涉解调方法，其特征在于该方法首先需要定位一个特定级次的波峰位置，然后准确地获取该波峰的峰值位置，通过获取波峰峰值位置的平移以得到干涉条纹的整体平移信息，实现解调，具体实现步骤为 第I、特定级次波峰位置的确定，波峰级次一般选择为中心波峰或O级波峰，其他级次的波峰位置，分别通过在O级波峰位置的基准上加上或减去相应个波长距离得到 第1.1、进行标定实验，建立干涉条纹的质心位置和准确的特定级次的波峰峰值位置的对应关系，并进行三次多项式拟合，得到拟合表达式； 第I. 2、解调时，将质心带入通过标定实验得到的拟合表达式，得到该特定级次波峰的估测位置，估测位置所在的波峰即为需要确定的特定级次的波峰； 第2、已确定的特定级次波峰峰值位置的准确获取 第2. I、利用七步相移公式得到干涉条纹的相对...
【专利技术属性】
技术研发人员：江俊峰，刘铁根，王少华，刘琨，尹金德，王双，孟祥娥，秦尊琪，吴凡，张以谟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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