光纤法珀传感器腔长高精度原位标定与高速实时解调的方法与装置

本发明涉及光纤传感，具体是光纤法珀传感器腔长高精度原位标定与高速实时解调的方法与装置。

背景技术：

1、光纤法珀传感器是一种光学检测器件，具有结构简单、尺寸小、无电类引线、抗电磁干扰等优点，在高温、高压、强化学腐蚀与强电磁干扰的极端环境的物理量测试中具有很好的应用前景。

2、其传感的基本原理是当外界的诸如压力、温度、应变等物理量作用在法珀结构时，法珀结构会产生形变，改变其法珀腔的长度，使这一结构中多光束干涉的信号被调制。通过解调携带腔长信息的干涉信号，即可获得待测物理量的信息。

3、光纤法珀传感系统一般包括采集和处理信号的硬件系统与计算解调法珀腔长的算法软件组成。腔长解调方法的优劣决定着系统获取待测物理量的准确性和速度，光纤法珀传感领域的一个重要研究方向就是不断改进解调方法，以适应不同的工程测量需求。

4、目前常用的是相位解调方法，利用傅里叶变换、相关计算等各种数学变换工具，将干涉光谱信号变换到频谱域，在频谱域求其变换谱的峰值，从而解算出传感器腔长。这种方法的解调精度较高。然而在一些信号变化频率极快的测量中，系统需要对上千个完整光谱数据进行采样与运算，不可避免的带来了因为数据量大导致的解调速度慢的问题，制约了这类传感器在解调速度有较高要求测量中的应用。

5、强度解调法通过检测单波长(或几个波长)输出光强的变化来反应腔长变化，具有原理简单、响应速度快等优点，使用该方法可以实现腔长的高速实时解调。强度解调法需提前进行腔长-强度关系的标定，现有技术手段需通过在实验环境中构建模拟测试系统进行标定，这种方法获得的腔长-强度标定关系可靠性高。然而，实际上测试环境与构建的模拟测试系统与实验室环境与真实系统存在很大差异，比如不同温湿度环境中，同一结构的反射率不同，导致获得的强度值不同。这种现象使得实验环境中获得的标定结果不一定适用于现场测试，会给解调结果带来误差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供光纤法珀传感器腔长高精度原位标定与高速实时解调装置，包括宽带光源、光环形器、耦合器、n个可调谐滤波器、n个光电探测器、信号放大与调理模块、信号采集模块以及计算解调模块；

2、所述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、所述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、所述光环形器将反射光干涉信号传输至耦合器；

5、所述耦合器将反射光干涉信号多路传输，分别传输至n个可调谐滤波器中；

6、第i个可调谐滤波器对反射光干涉信号进行滤波，保留波长λi下的反射光干涉信号，并传输至对应的光电探测器中；i＝1，2，…，n；

7、所述光电探测器将反射光干涉信号转换为模拟电信号，并传输至信号放大与调理模块；

8、所述信号放大与调理模块对模拟电信号进行放大、滤波，并传输至信号采集模块；

9、所述信号采集模块将放大、滤波后的多路模拟信号传输至计算解调模块；

10、所述计算解调模块从多路光信号中选定一路或多路波长对应的光强信号，并根据光纤法珀传感器腔长-光强关系对光强信号进行处理，得到当前光强信号对应的光纤法珀传感器腔长。

11、进一步，宽带光源为宽光谱光源，包括ase、sld，其在信号解调范围内的光谱平坦、功率可调。

12、基于光纤法珀传感器腔长高精度原位标定与高速实时解调装置的解调方法，包括以下步骤：

13、1)对光纤法珀传感器进行原位标定，获得光纤法珀传感器腔长-光谱强度关系；

14、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；

15、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；

16、4)依次利用耦合器、可调谐滤波器、光电探测器、信号放大与调理模块、信号采集模块获得在波长λi下的稀疏光谱，并传输至计算解调模块；

17、5)所述计算解调模块从多路光信号中选定一路波长，并根据光纤法珀传感器腔长-光强关系对该波长对应的光强信号进行处理，得到当前光强信号对应的光纤法珀传感器腔长。

18、进一步，对光纤法珀传感器进行原位标定的步骤包括：

19、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；

20、1.2)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；

21、1.3)利用通道1的可调谐滤波器进行波长扫描，获得环境状态e0下的完整反射光谱；

22、1.4)依次利用耦合器、可调谐滤波器、光电探测器、信号放大与调理模块、信号采集模块获得光强信号，并传输至计算解调模块；

23、1.5)所述计算解调模块对干涉光谱信号进行解调，得到环境状态e0下的光纤法珀腔长li；i初始值为0；

24、1.6)改变环境状态，并返回步骤1)，直到建立不同环境状态下的腔长序列l＝{l0,l1…ln}，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...pn}；

25、1.7)对腔长序列l＝{l0,l1…ln}和光谱强度序列p＝{p0,p1...pn}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。

26、进一步，对光纤法珀传感器进行加载的装置包括微位移台、压力发生器。

27、进一步，解调时，腔长l在解调的线性区间内波动，此时，腔长l与接收到的光强ir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；

28、近似线性关系如下所示：

29、ir＝αi0l(1)

30、式中，ir为光强信号；α为比例系数；l为腔长；i0为入射光光强。

31、进一步，光强信号ir如下所示：

32、

33、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。

34、进一步，选择单波长点λ0的步骤包括：

35、以腔长l的变化区间，也即光纤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、线性度最高、灵敏度最高的曲线所对应波长值作为单波长点λ0。

36、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了一种基于强度法，具有腔长高精度原位标定功能的光纤法珀传感器测试系统，克服了传统光强法依赖实验环境进行标定导致与实际测试环境冲突的问题，同时该系统可以实现腔长的高速实时解调。

37、本发明使用一套系统完成标定与测量。在进行光强-腔长关系标定时，所需的数据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。

38、本发明可以通过灵活改变系统的硬件布置，以实现不同原理的腔长解调，提高了系统的解调精度和适用范围。