一种光纤法珀传感器双光源腔长匹配解调方法

技术领域：

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种光纤法珀传感器双光源腔长匹配解调方法。

背景技术：
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光纤法珀传感器具有抗电磁干扰、重量轻、环境适应性强、高灵敏度等优点，现已经被广泛应用于各个领域，如航空航天、桥梁监测、油田和大坝中压力监测等，通过解调法珀腔的腔长变化信息，可实现压力、温度、应变、振动等不同物理量的测量。尤其是对于高温、高压等特殊环境下的物理量监测有无可比拟的优势。目前的主流研究方向在于传感器腔长的高精度的解调。

光纤法珀传感器的解调方法可分为强度解调和相位解调两大类。相位解调法是目前常用的解调方法，主要包括傅里叶变换法、峰值追踪法以及互相关法等。傅里叶变换法是光波频率域的解调方法，要求系统中光源满足均匀分布的宽带光源，不适用于光源光谱较窄的法珀传感系统的腔长解调；峰值追踪法又称条纹计数法，它是通过采集到的反射光谱信号的谱峰位置的相对变化来确定腔长，在解调时首先需要准确定位谱峰对应的波长位置，因此解调精度与谱峰波长定位算法精度息息相关，且解调中易出现峰值判断错误的问题；互相关算法是模拟一个腔长按一定规律变化的光纤法珀腔模板函数，利用该模板函数与传感器的反射光谱信号进行互相关运算，求得互相关系数的最大值即为待测法珀腔腔长值。在使用互相关算法中，模板函数与反射光谱信号匹配程度越高，互相关系数的极大值对应的腔长定位越准确。在使用互相关算法对光纤法珀传感器腔长进行解调时，解调的精度受限于所选用的光源的光谱宽度，光谱范围较窄时，进行互相关运算容易出现峰值判断错误而产生较大的误差，若直接选用宽光谱宽带光源进行解调，则成本过高。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种光纤法珀传感器双光源腔长匹配解调方法，其克服了现有技术中存在的因普通光源光谱较窄时，相关系数峰值判断模糊而导致的光纤法珀腔腔长无法准确测量的问题，有效提高了光纤法珀传感器的腔长解调精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光纤法珀传感器双光源腔长匹配解调方法，其特征在于：包括以下步骤：将两束不同波段的宽带光耦合到光纤法珀传感器，利用光谱仪采集的两个不同波段的反射光谱信号分别与模板函数进行互相关运算，将两个波段对应的互相关系数的极大值做差，当差值最小时，两极大值的平均值即为所求腔长值。

上述方法包括以下步骤：

步骤1：将两束不同波段的宽带光耦合到光纤法珀传感器，采集光纤法珀传感器的反射光谱信号：光谱仪采集不同波段光源的光纤法珀传感器的反射光谱信号，并进行去直流与滤波处理，得到信号yi1、yi2；

定义模板函数ci1、ci2为：

步骤2：双光源腔长匹配互相关计算：将实测的反射光谱信号yi1、yi2与模板函数ci1、ci2做互相关运算，从而得到双光源腔长匹配互相关函数表达式为：

式中，λ1和λ2、λ3和λ4分别为两段光谱的波长范围，互相关后得到多个离散的峰值；

步骤3：互相关系数极大值做差：对两个波段对应的互相关系数的极大值对应的腔长值进行做差，求取被测腔长值，做差表达式为：

δ＝l2-l1

步骤4：腔长值计算：对做差后的数据进行处理，即当δ最小时，所求腔长值为：

一种实现所述解调方法的解调光路系统，其特征在于：解调光路由中心波长1310nm的sled宽带光源一、中心波长1550nm的sled宽带光源二、波分复用器、光纤耦合器、光纤法珀传感器和光谱仪构成，其中，中心波长1310nm的sled宽带光源一、中心波长1550nm的sled宽带光源二发出的光通过波分复用器到达光纤耦合器的端口a，通过光纤耦合器的端口c到达光纤法珀传感器，反射光由光纤耦合器的端口b出射到光谱仪，所述光学器件均通过单模光纤连接。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果是：

1、本发明所提出的双光源腔长匹配解调方法利用两个宽带光源照射光纤法珀传感器，在增加了光源光谱范围的同时，将得到的反射光谱信号分别与模板函数做互相关运算，得到的互相关系数值互相约束，从而求取腔长值，有效提高了光纤法珀传感器的腔长解调精度。

2、本发明所提出的双光源腔长匹配互相关方法对比以往的互相关解调技术，显著降低了对光源带宽的要求，可利用成本较低的两个较窄带宽的宽带光源替代单个成本较高的宽光谱宽带光源，因此能够以相对较低的硬件成本实现较高的腔长解调精度。

附图说明：

图1为采用本发明方法的光纤法珀传感系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的运算流程图。

图3为光纤法珀传感器反射光谱图。

图4为1310nm互相关运算结果图。

图5为1550nm互相关运算结果图。

图6为双光源腔长匹配互相关曲线图。

图7为双光源腔长匹配互相关曲线局部放大图。

图8为理论腔长值与实际腔长值之间的关系图。

图9为腔长104.554μm1310nm互相关运算结果图。

图10为腔长104.554μm1550nm互相关运算结果图。

图11为腔长104.554μm双光源腔长匹配互相关运算结果图。

图12为腔长104.554μm双光源腔长匹配互相关局部放大图。

图13为100次双光源腔长匹配互相关运算结果图

图中，1-sled宽带光源一，2-sled宽带光源二，3-波分复用器，4-光纤耦合器，5-光纤法珀传感器，6-光谱仪。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为一种光纤法珀传感器双光源腔长匹配解调方法，采用双光源腔长匹配互相关法对采集到的光纤法珀传感器的反射光谱进行处理，实现高精度的腔长解调，其中的核心是采用双光源将不同波段的光耦合到光纤法珀传感器，利用不同波段得到的反射光谱信号分别与模板函数进行互相关运算，将两个波段对应的互相关系数的极大值做差，当差值最小时，两极大值的平均值即为所求腔长值。

参见图1，本发明的硬件运行基于公知的光纤法珀传感器腔长解调系统。系统中1310nmsled宽带光源一1、1550nmsled宽带光源二2发出的光通过波分复用器3到达光纤耦合器4的端口a，通过光纤耦合器的端口c到达光纤法珀传感器5，反射光由光纤耦合器的端口b出射到光谱仪6。选用sled光源做为系统光源，sled宽带光源一1的光谱范围为1290-1330nm,中心波长为1310nm；sled宽带光源二2的光谱范围为1524-1570nm,中心波长为1550nm。以腔长126.843μm的光纤法珀传感器为例，其反射光谱信号如图3。

参见图2，本发明光纤法珀传感器双光源腔长匹配解调方法其过程是：将不同波段的光耦合到光纤法珀传感器，利用不同波段得到的反射光谱信号分别与模板函数进行互相关运算，将两个波段对应的互相关系数的极大值做差，当差值最小时，两极大值的平均值即为所求腔长值。

实施例：

一种光纤法珀传感器双光源腔长匹配解调方法，具体步骤如下：

步骤1：将两束不同波段的宽带光耦合到光纤法珀传感器，采集光纤法珀传感器的反射光谱信号：光谱仪采集不同波段光的光纤法珀传感器的反射光谱信号；

步骤2：双光源腔长匹配互相关计算：将实测的反射光谱信号yi1、yi2与模板函数ci1、ci2做互相关运算，从而得到双光源腔长匹配互相关函数表达式为：

式中，λ1和λ2、λ3和λ4为光谱仪所探测到整个信号的波长范围，图4和图5分别为1310nm/1550nm波段互相关运算结果图，可以看出互相关后得到多个离散的峰值，且其峰值趋于平缓，如果以此峰值作为腔长值判定，则容易出现峰值判断模糊而导致无法精确获取光纤法珀腔腔长的问题，利用双光源得到的腔长进行匹配，结果如图6所示，从图7的腔长匹配局部放大图可以看出，两个互相关系数峰值接近，解决了单个光源峰值判断不准确的问题；

步骤3：互相关系数极大值做差：对两个波段对应的互相关系数的极大值对应的腔长值进行做差，求取被测腔长值，做差表达式为：

δ＝l2-l1

步骤4：腔长值计算：对做差后的数据进行处理，即当δ最小时，所求腔长值为：

最终腔长值计算结果为126.863μm，偏离真实值0.019μm。

进一步的，利用光纤法珀传感器双光源腔长匹配解调方法对100-220μm的光纤法珀传感器进行解调，图8为理论腔长值与实际腔长值之间的曲线关系，可以看出两者之间呈现良好的线性关系。经过计算，解调误差小于26nm。

进一步的，以单个光源解调和双光源解调作以比较，以腔长值104.554μm为例，分别用1310nm/1550nm宽带光源照射光纤法珀传感器，图9为1310nm波段互相关运算结果图，计算结果为103.91μm，解调误差为0.644μm；图10为1550nm波段互相关运算结果图，计算结果为105.3135μm，解调误差为0.7595μm；可见单个光源解调存在级次跳动问题。图11为双光源腔长匹配互相关结果图，计算结果为104.572μm，解调误差为0.018μm，因此利用双光源可以解决单个光源解调时存在级次跳动无法准确判断相关系数主峰，导致腔长偏差过大的问题。

进一步的，通过对光纤法珀传感器进行重复测量实验，验证了双光源腔长匹配解调方法的稳定性。测量结果如图12所示，在100次测量结果中，腔长的最大值为132.071μm，最小值为132.0695μm，变化范围为1.5nm，测量结果的标准差为0.0005。

以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。