技术领域本发明涉及光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种光纤法珀传感器解调系统及方法。
背景技术：
光纤法珀传感器是一种结构简单、稳定性好的传感器，具有体积小、质量轻、灵敏度高、温度不敏感、抗电磁干扰能力强、静态测量精度高等优点，广泛运用于桥梁结构健康监测、土木工程、大型民用建筑安全监测等领域。目前常用的光纤法珀传感器解调方法主要有强度解调和相位解调，相位解调又可以分为条纹计数法、傅里叶变换法、离散腔长变换法和相关解调法。采用光楔和光纤法珀传感器的光强输出进行互相关运算的互相关解调法不需要贵重的光谱接收装置，同时又避免使用高重复性的机械运动，具有结构紧凑、精密与快捷的优点，被广泛使用。现行使用最多的为透射式相关解调系统，然而透射式相关解调系统入射到探测器中的信号光的对比度较小，不利于光纤法珀传感器的法珀腔长的解调。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种光纤法珀传感器解调系统及方法，有效地改善了上述问题。为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：第一方面，本发明实施例提供了一种光纤法珀传感器解调系统，包括：准直透镜组、光楔、会聚透镜、光电探测器阵列及信号处理装置。光纤法珀传感器输出的光信号经所述准直透镜组后入射到所述光楔，一部分光被所述光楔的上表面反射形成第一光束，另一部分入射到所述光楔的下表面反射形成第二光束。所述第一光束和所述第二光束经所述会聚透镜会聚到所述光电探测器阵列表面发生干涉后形成干涉条纹信号。所述干涉条纹信号经所述光电探测器阵列转化为电信号，由所述信号处理装置对所述电信号进行处理，得到所述光纤法珀传感器的腔长。第二方面，本发明还提供了一种光纤法珀传感器解调方法，应用于上述的光纤法珀传感器解调系统。所述方法包括：准直透镜组将光纤法珀传感器输出的光信号准直后入射到光楔的上表面，其中，部分入射光被所述上表面反射形成第一光束，另一部分入射光透射到所述光楔的下表面并被所述下表面反射形成第二光束；会聚透镜将所述第一光束和所述第二光束会聚到光电探测器阵列表面以使所述第一光束与所述第二光束相遇发生干涉，形成干涉条纹信号；所述光电探测器阵列将所述干涉条纹信号转换为电信号发送至信号处理装置；所述信号处理装置对接收到的所述电信号进行处理得到所述光纤法珀传感器的腔长。本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统利用了光楔的上、下表面分别反射形成的第一光束和第二光束，通过分析第一光束与第二光束发生干涉后形成的干涉条纹信号，实现了光纤法珀传感器的腔长的解调。由于相对于现有的透射式的解调系统中第一次透过光楔的下表面的光束与经下表面反射后再次透过下表面的光束之间的强度差异，经光楔的上表面反射形成的第一光束与经光楔的下表面反射形成的第二光束之间的强度差异更大，从而第一光束和第二光束发生干涉后所形成的干涉信号的对比度较高。因此，相对于现有的基于光楔的透射式解调系统，本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统有效地提高了入射到光电探测器中的干涉信号的对比度，更有利于解调结果的获取。另外，本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统，可以通过调节准直透镜组的光轴与光楔上表面的法线之间的夹角，即调节入射到光楔上表面的光信号的入射角，以达到所需的法珀腔腔长测量分辨率。因此，当光楔、光电探测器阵列等硬件确定后，本光纤法珀传感器解调系统的最小腔长分辨率具有可调节性，有利于提升对光纤法珀传感器的腔长解调分辨力，还能提升腔长解调分辨力的精度。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图1示出了现有的光纤法珀传感器透射式相关解调系统的结构示意图；图2示出了本发明实施例提供的一种光纤法珀传感器解调系统的结构示意图；图3示出了本发明实施例提供的一种光纤法珀传感器解调系统的光楔的示意图；图4示出了现有的透射式相关解调系统中入射到光电探测器的干涉信号的光强分布图；图5示出了本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统中入射到光电探测器的干涉信号的光强分布图；图6示出了本发明实施例提供的一种光纤法珀传感器解调系统的光楔的矩形截面中的光信号传输示意图；图7示出了本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调方法的流程图。其中，附图标记分别为：光源100；第一光纤111；第二光纤112；第三光纤113；光纤接口114；光纤耦合器120；光纤法珀传感器130；准直透镜211；柱面镜212；光楔220；光楔上表面221；光楔下表面222；矩形截面223；会聚透镜230；光电探测器阵列240；信号处理装置250。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“垂直”、“水平”等术语并不表示要求部件绝对水平或垂直，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。且“法线”并不表示与平面完全垂直的轴线，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“耦合”应做广义理解，例如，可以是直接耦合，也可以通过中间媒介间接耦合，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。图1示出了现有的基于光楔的透射式相关解调系统的结构示意图。由于透射式解调系统中第一次透过光楔下表面222的光束与经下表面反射后再次透过光楔下表面222的光束之间的强度差异较小，导致所产生的干涉信号的对比度较低，从而不利于光纤法珀传感器130的腔长的解调。鉴于此，本发明实施例提供了一种光纤法珀传感器解调系统。如图2所示，本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统包括准直透镜组、光楔220、光电探测器阵列240、会聚透镜230以及信号处理装置250。光电探测器阵列240与信号处理装置250耦合。光楔220包括光楔上表面221和光楔下表面222。其中，光楔上表面221和光楔下表面222之间的夹角为光楔220的楔角。光源100发出的光束经第一光纤111、光纤耦合器120、第二光纤112入射至光纤法珀传感器130的法珀腔，法珀腔的端面反射的携带所述光纤法珀传感器130的腔长信息的光信号沿第二光纤112、光纤耦合器120传输至第三光纤113，并由第三光纤113的一端上设置的光纤接口114出射。本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统的解调过程具体为：如图2所示，光纤法珀传感器130输出的光信号由第三光纤113出射后，入射到准直透镜组，经准直透镜组准直后入射到光楔上表面221。一部分入射到光楔上表面221的光信号经上表面反射形成第一光束。另一部分入射到光楔上表面221的光信号经上表面透射至光楔下表面222。入射到光楔下表面222的光信号经下表面反射后透过光楔上表面221形成第二光束。第一光束与第二光束经会聚透镜230会聚到光电探测器阵列240表面发生干涉后形成干涉条纹信号。所述干涉条纹信号经光电探测器阵列240转化为电信号，光电探测器阵列240将所述电信号发送到信号处理装置250。信号处理装置250对所述电信号进行上凸波峰的分析处理后，得到光纤法珀传感器130的腔长。其中，入射到光楔220的光信号、第一光束和第二光束均位于光楔220的同一侧。此外，准直透镜组用于将第三光纤113出射的发散光整形为线状平行光并使得线状平行光以一定的倾斜角入射到光楔220。本实施例中，优选的，如图2所示，准直透镜组可以包括准直透镜211和柱面镜212。准直透镜211用于将第三光纤113出射的发散光整形为光斑为圆形的平行光束，且该平行光束的直径与光楔220的长度相等；柱面镜212用于将准直透镜出射的圆形平行光整形为线状平行光并将所述线状平行光入射到光楔220。本发明实施例中，会聚透镜230用于将光楔220的上表面、下表面分别反射形成的第一光束和第二光束会聚到光电探测器阵列240表面发生干涉后形成干涉条纹信号。会聚透镜230可以优选采用柱面镜，当然，也可以采用其它会聚透镜。另外，本发明实施例中，光电探测器阵列240可以优选为电荷耦合器件(Charge-coupledDevice，CCD)探测器线性阵列，当然，也可以采用其它光电探测器线性阵列。且光电探测器阵列240的长度优选为与光楔220的长度相等，而光楔220的长度可以根据用户所需的法珀腔腔长测量范围设定。本发明实施例利用了光楔220的上表面、下表面分别反射形成的第一光束和第二光束，通过信号处理装置250分析第一光束与第二光束发生干涉后形成的干涉条纹信号，实现光纤法珀传感器130的腔长的解调。由于相对于基于光楔的透射式解调系统中第一次透过光楔下表面222的光束与经下表面反射后再次透过光楔下表面222的光束之间的强度差异，经光楔上表面221反射形成的第一光束与经光楔下表面222反射形成的第二光束之间的强度差异更大，从而第一光束和第二光束发生干涉后所形成的干涉信号的对比度更高。因此，相对于透射式解调系统，本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统有效地提高了入射到光电探测器中的干涉信号的对比度，更有利于解调结果的获取。本发明实施例中，光楔220的结构可以优选为包括两平面玻璃以及两平面玻璃所夹成的空气隙。图3示出了本发明实施例提供的光楔220的示意图，图3中，横坐标表示光楔220的长度x，纵坐标表示光楔220的厚度，即xtanθ。其中，θ为光楔220的楔角。光楔220楔角θ较小，范围可以为0～2度。其中，由第三光纤113出射后入射到光楔上表面221的光信号的光强IR(λ)可以表示为：IR(λ)=2R[1+cos(4πlλ)]1+R2-2Rcos(4πlλ)I0(λ)---(1)]]>式(1)中，R是光纤法珀传感器130的法珀腔两端面的反射率，I0(λ)为入射到法珀腔的光束的光强，l为法珀腔的腔长，λ为入射到法珀腔的光束的波长。本发明实施例中，光源100为宽带光源，光源100发出的光束的波长范围为[λmin，λmax]，所述第一光束和所述第二光束形成的干涉信号的强度可以表示为：I=∫λminλmax2R[1+cos(4πlλ)]1+R2-2Rcos(4πlλ)·2R0[1-cos(4πxλtanθcosα)]1+R2-2R0cos(4πxλtanθcosα)I0(λ)dλ---(2)]]>式(2)中，α为入射到光楔上表面221的光信号的入射角，R0为光楔220的反射率，x为入射到光楔下表面222的光信号的入射点对应的光楔长度。当光源100、光电探测器阵列240、光楔220等条件均相同时，分别对现有的透射式相关解调系统中入射到光电探测器阵列的干涉信号以及本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统入射到光电探测器阵列的干涉信号进行仿真分析，得到了图4所示的透射式相关解调系统中光电探测器阵列探测到的干涉信号的光强分布图以及图5所示的本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统中光电探测器阵列240探测到的干涉信号的光强分布图。图4和图5中，纵坐标均为相对光强，横坐标均为扫描范围。其中，所述扫描范围为光楔220的厚度范围，可以表示为xtanθ，单位为nm(纳米)。需要说明的是，光电探测器阵列240接收到的干涉信号的对比度是影响法珀腔长解调结果可靠性的重要因素。其中，对比度可以表示为：η=Imax-IminImax+Imin---(3)]]>式(3)中，Imax为光电探测器阵列240接收到的光信号的光强最大值，Imin为光电探测器阵列240接收到的光信号的光强最小值。M1和M2分别表示图4和图5中光强最大值所在的位置，N1和N2分别表示图4和图5中光强最小值所在的位置。比较图4和图5可以看出，本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统中入射到光电探测器阵列240的干涉信号的对比度明显高于透射式相关解调系统中入射到光电探测器阵列240的干涉信号的对比度。此外，本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调系统能分辨的最小腔长变化Δl为：Δl＝atanθcosα(4)式(4)中，a为光电探测器阵列240的最小像元的长度。由式(4)所示，光楔220的楔角可以根据用户所需的法珀腔腔长测量分辨率设定。因此，本发明实施例中，当光电探测器阵列240、光楔220的各参数确定后，可以通过调节入射到光楔上表面221的光信号的入射角α来调节本光纤法珀传感器解调系统的最小腔长分辨率。优选的，本发明实施例中，准直透镜组的光轴与光楔上表面221的法线成第一预设夹角，以使得经准直透镜组准直后入射到光楔上表面221的光信号的入射角为第一预设夹角。其中，第一预设夹角根据用户所需要法珀腔腔长测量分辨率设定。会聚透镜230的光轴与光楔上表面221的法线成第二预设夹角。为了便于会聚透镜230将光楔上表面221反射形成的第一光束及光楔下表面222下表面反射形成的第二光束均会聚到光电探测器阵列240表面发生干涉形成干涉条纹信号，准直透镜组与会聚透镜230对称分布于光楔上表面221的法线面的两侧，且第一预设夹角与所述第二预设夹角相等。其中，所述法线面为入射到光楔上表面221的光信号的入射点处光楔上表面221的法线所在的平面，且该平面与光信号的入射面垂直。需要说明的是，第一预设夹角与第二预设夹角之间也可以有细微差异，即当第一预设夹角与第二预设夹角之间的差值在预设角度范围时，会聚透镜230仍可以将所述第一光束和第二光束会聚到光电探测器阵列240表面。其中，所述预设角度范围根据会聚透镜的口径设定。因此，当光楔220、光电探测器阵列240等硬件确定后，本光纤法珀传感器解调系统的法珀腔腔长测量分辨率具有可调节性。用户可以通过调节准直透镜组的光轴与光楔上表面221的法线之间所成的第一预设夹角，即调节入射到光楔上表面221的光信号的入射角，以达到所需的法珀腔腔长测量分辨率，有利于提升对光纤法珀传感器的腔长解调分辨力，还能提升腔长解调分辨力的精度。图6示出了本发明实施例提供的光楔220的矩形截面223中光信号传输过程的示意图。如图6所示，一部分入射到光楔上表面221的光信号经上表面反射形成第一光束。另一部分入射到光楔上表面221的光信号经上表面透射至光楔下表面222。入射到光楔下表面222的光信号经下表面反射后透过光楔上表面221形成第二光束。第一光束和第二光束经会聚透镜230会聚到光电探测器阵列240表面发生干涉后形成干涉信号入射到光电探测器阵列240。需要说明的是，在实际应用中，光楔220楔角较小，因此，图6中将入射到光楔上表面221的光信号与光楔下表面222的法线所成的夹角近似为入射角α。同理，由光楔上表面221反射的光信号的反射角也可以近似为由光楔上表面221反射的光信号与光楔下表面222的法线的夹角。因此，当需要将入射到光楔上表面400的光信号的入射角调节为A度时，可以将准直透镜组的光轴与光楔下表面222的法线所成的角度调节为A度。本发明实施例中，调节准直透镜组的光轴与光楔上表面221的法线之间所成的第一预设夹角的具体实施方式可以为：通过角度调节装置调节第一预设夹角和第二预设夹角的装置。角度调节装置可以包括第一角度调节模块和第二角度调节模块，所述第一角度调节模块包括第一本体和第一驱动模块，第二角度调节模块包括第二本体和第二驱动模块。所述第一本体和所述第二本体均可以以光楔下表面410的中心点为圆心转动，准直透镜组安装在所述第一本体上，会聚透镜230及光电探测器阵列240均安装在所述第二本体上。所述第一驱动模块用于驱动所述第一本体转动，所述第二驱动模块用于驱动所述第二本体转动。其中，第一驱动模块和第二驱动模块可以为电机，也可以为微调旋钮。此外，角度调节装置也可以是主要由齿轮组和连杆组成的传动结构，通过连杆以及齿轮组的传动，驱动准直透镜组及会聚透镜230沿相向或相背方向转动。如图7所示，本发明实施例还提供了一种光纤法珀传感器解调方法，应用于上述光纤法珀传感器解调系统。准直透镜组、光楔220、光电探测器阵列240、会聚透镜230以及信号处理装置250。光楔220包括光楔上表面221和光楔下表面222。所述光纤法珀传感器解调方法包括：步骤S701：准直透镜组将光纤法珀传感器输出的光信号准直后入射到光楔的上表面，其中部分入射光被所述上表面反射形成第一光束，另一部分入射光透射到所述光楔的下表面并被所述下表面反射形成第二光束；本实施例中，优选的，如图1所示，准直透镜组可以包括准直透镜211和柱面镜212。其中，准直透镜211用于将第三光纤113出射的发散光整形为光斑为圆形的平行光束，且该平行光束的直径与光楔220的长度相等；柱面镜212用于将准直透镜211出射的圆形平行光整形为线状平行光并将所述线状平行光入射到光楔220。步骤S702：会聚透镜将第一光束和第二光束会聚到光电探测器阵列的表面以使第一光束与第二光束相遇发生干涉，形成干涉条纹信号；会聚透镜230可以优选采用柱面镜，当然，也可以采用其它会聚透镜。步骤S703：光电探测器阵列将干涉条纹信号转换为电信号发送至信号处理装置；光电探测器阵列240可以优选为CCD探测器线性阵列，当然，也可以采用其它光电探测器线性阵列。步骤S704：信号处理装置对接收到的电信号进行处理得到光纤法珀传感器的腔长。信号处理装置250可以包括计算机或其它具有数据处理功能的电路模块。另外，本发明实施例提供的光纤法珀传感器解调方法还包括：通过调节准直透镜组与光楔220的相对位置使得准直透镜组的光轴与光楔上表面221的法线成第一预设夹角，即将入射到光楔上表面221的光信号的入射角调解为第一预设夹角。其中，第一预设夹角根据用户所需要的法珀腔腔长测量的分辨率设定，有效地提升了本方法对光纤法珀传感器的腔长解调分辨力，同时也提升了腔长解调分辨力的精度。相应地，可以通过调节会聚透镜230与光楔220的相对位置以调节会聚透镜230的光轴与光楔上表面的法线成第二预设夹角。优选的，准直透镜组与会聚透镜230对称分布于光楔上表面221的法线面的两侧，所述第一预设夹角与所述第二预设夹角相等。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述系统、装置和单元实施例中的对应过程，在此不再赘述。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。