本發(fā)明涉及一種測量并補(bǔ)償光纖內(nèi)的多頻振動(dòng)的方法，特別是涉及到光纖式激光干涉光路中的多頻振動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)和部分光纖傳感器的降噪技術(shù)。

背景技術(shù)：

光纖廣泛應(yīng)用于激光干涉儀、激光雷達(dá)和激光跟蹤儀等激光幾何量測量儀器和溫/濕度傳感器、電/磁場傳感器和濃度傳感器等物理量測量儀器中。在幾何量測量中，光纖作為傳光器件，外界的振動(dòng)和沖擊會(huì)改變光纖的形狀進(jìn)而改變光纖內(nèi)光路的長度及光波的相位，大的振動(dòng)和沖擊或者是長光纖內(nèi)的輕微振動(dòng)甚至?xí)淖兏缮鏃l紋的數(shù)量，這對激光的絕對干涉測量和增量干涉測量的精度都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響；而在對物理量進(jìn)行測量的光纖傳感器中，由光纖振動(dòng)帶來的信號變化是該類傳感器的主要噪聲來源?，F(xiàn)有的被動(dòng)式振動(dòng)隔離技術(shù)是采用隔振臺或吸振材料對測量裝置做一個(gè)包裹，此類方法隔振能力有限，遇到強(qiáng)烈振動(dòng)或低頻振動(dòng)其隔離效果就很差。目前廣泛采用的主動(dòng)式振動(dòng)隔離技術(shù)是用壓電陶瓷結(jié)合一系列光電探測與調(diào)理器件配合軟件實(shí)現(xiàn)，不僅實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本很高而且只能補(bǔ)償幅值較大、頻率較低的振動(dòng)或沖擊信號，不能滿足上述兩方面精密測量的需求。更重要的是，光纖內(nèi)振動(dòng)信號非常復(fù)雜，對外表現(xiàn)出來的往往不是單一頻率的振動(dòng)，而是混雜了多個(gè)振動(dòng)頻率的振動(dòng)，行業(yè)上需要一種能同時(shí)檢測多種頻率的光纖振動(dòng)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種測振帶寬大，精度高，能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償多種振動(dòng)信號的光纖振動(dòng)檢測與補(bǔ)償裝置。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)，包括：高穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的單頻激光，從而給光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光源；振動(dòng)信號引入與波分復(fù)用模塊，用于將被補(bǔ)償系統(tǒng)的光信號和光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)的光信號一起復(fù)用到被補(bǔ)償光纖上，通過被補(bǔ)償光纖后將兩個(gè)頻率的光信號分色并分別送回到被補(bǔ)償系統(tǒng)和光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)中；外差干涉信號與振動(dòng)信號探測模塊，用于將光纖內(nèi)引入的振動(dòng)信號通過激光干涉測量的方法檢測出來，外差干涉信號由高速光電探測器探測；多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊，用于讀取并處理高速光電探測器探測到的振動(dòng)信號，選取信號中由振動(dòng)引起的多個(gè)有效的多普勒頻移，并對多普勒頻移進(jìn)行跟蹤，同時(shí)在整個(gè)測量周期內(nèi)監(jiān)控新的振動(dòng)信號的產(chǎn)生和舊的振動(dòng)信號的消失，換算出振動(dòng)的實(shí)時(shí)位移，通過通信接口對被補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)補(bǔ)償。

進(jìn)一步講：

所述高穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊為連續(xù)波激光器，用于給光纖振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)提供光信號，所述的連續(xù)波激光器的出射光頻率要與被補(bǔ)償系統(tǒng)的光頻率不同；

所述振動(dòng)信號引入與波分復(fù)用模塊包括兩個(gè)2×1雙波長波分復(fù)用器和被檢測的光纖，所述2×1雙波長波分復(fù)用器有三個(gè)引腳，分別為兩個(gè)單頻引腳和一個(gè)雙頻引腳；2×1雙波長波分復(fù)用器所支持的兩個(gè)光頻率分別為被補(bǔ)償系統(tǒng)的光頻率和所述連續(xù)波激光器的光頻率；兩個(gè)2×1雙波長波分復(fù)用器包括第一2×1雙波長波分復(fù)用器和第二2×1雙波長波分復(fù)用器，所述第一2×1雙波長波分復(fù)用器將檢測振動(dòng)信號所用的單頻激光與被補(bǔ)償系統(tǒng)的激光復(fù)用到一根光纖里，輸出端連接到被補(bǔ)償?shù)墓饫w中，所述第二2×1雙波長波分復(fù)用器反接使用，將被補(bǔ)償光纖中的雙頻輸出信號分色成兩路單頻信號分別接入到光纖振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)和被補(bǔ)償系統(tǒng)中；

所述外差干涉光路與振動(dòng)信號探測模塊包含一個(gè)固定調(diào)制頻率的光調(diào)制器、一個(gè)2×1光纖耦合器、兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器、兩個(gè)反射鏡、一個(gè)分光棱鏡、一個(gè)聚焦透鏡和一個(gè)高速光電探測器；上述的2×1光纖耦合器、光纖準(zhǔn)直器、反射鏡、分光棱鏡、聚焦透鏡和高速光電探測器的工作頻段包含連續(xù)波激光器的發(fā)射光頻；所述高速光電探測器的探測上限高于光調(diào)制器的調(diào)制頻率；所述2×1光纖耦合器將連續(xù)波激光器的出射光分為兩路：其中一路通過光調(diào)制器調(diào)頻后經(jīng)一光纖準(zhǔn)直器發(fā)出變?yōu)榭臻g光；另外一路直接由另一光纖準(zhǔn)直器發(fā)出為空間光，然后再利用一反射鏡和分光棱鏡搭建一個(gè)馬赫增德爾干涉光路；上述兩路光在分光棱鏡上發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)另一個(gè)反射鏡配合聚焦透鏡將光投射到高速光電探測器的光敏面上，至此完成了振動(dòng)信號探測；

所述多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊包含一個(gè)高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器、一個(gè)主控芯片和一個(gè)通信接口，所述高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不低于12位，采樣率不小于上述光調(diào)制器調(diào)制頻率的2倍；所述主控芯片是單片機(jī)或是現(xiàn)場可編程邏輯陣列，所述主控芯片的時(shí)鐘頻率高于上述高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器采樣率的四倍；所述通信接口與被補(bǔ)償系統(tǒng)的控制單元相配合；所述高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器與上述外差干涉光路與振動(dòng)信號探測模塊中的高速光電探測器相連，振動(dòng)信號被高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器采集后送入所述主控芯片，在主控芯片中做分時(shí)傅里葉變換，采集變換后的多個(gè)脈沖，用頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法確定有效多普勒頻移，用閾值內(nèi)相關(guān)頻率跟蹤法跟蹤振動(dòng)信號的多普勒頻移變化，同時(shí)，在整個(gè)測量周期內(nèi)監(jiān)控新的振動(dòng)信號的產(chǎn)生和舊的振動(dòng)信號的消失，得出時(shí)間——頻率特性，進(jìn)而還原出振動(dòng)信號；提取出有效的多普勒頻移，并將有效的多普勒頻移換算成振動(dòng)的瞬時(shí)速度再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換出多頻振動(dòng)的位移，所有頻率振動(dòng)的位移累加為光纖內(nèi)振動(dòng)的實(shí)際位移；轉(zhuǎn)換得到的振動(dòng)信號經(jīng)通信接口傳輸給被補(bǔ)償系統(tǒng)的控制單元做數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

一種光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償方法，利用上述光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)，所述多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊使用分時(shí)傅里葉算法進(jìn)行分時(shí)傅里葉變換，每次取相同長度的數(shù)據(jù)做傅里葉變換，分別找出每次傅里葉變換后的多普勒頻移，根據(jù)多普勒頻移代入公式，

v_nm＝c×f_dnm/f₀

式中，v_nm為振動(dòng)速度，c為光的運(yùn)行速度(3×10⁸m/s²)，f_dnm為多普勒頻移，f₀為所用的高穩(wěn)頻連續(xù)波激光器出射的光的頻率，利用上式求出振動(dòng)速度，對于每次取出的循環(huán)上述過程做傅里葉變換，直到數(shù)據(jù)用完。

進(jìn)一步講：

所述多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊用頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法確定有效多普勒頻移，即：傅里葉變換后壓縮脈寬到限定值，凡是兩個(gè)脈沖相隔頻率小于限定值的取峰值最高的脈沖，將傅里葉變換后的頻譜中所有高于頻譜最高點(diǎn)一定比例的脈沖記為有效脈沖，有效脈沖波峰所對應(yīng)的橫坐標(biāo)減去光調(diào)制器的調(diào)制頻率即為振動(dòng)信號對應(yīng)的多普勒頻移；

所述多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊用閾值內(nèi)相關(guān)頻率跟蹤法跟蹤振動(dòng)信號的有效多普勒頻移的變化，即：在頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法確定的有效脈沖波峰所對應(yīng)的橫坐標(biāo)周圍設(shè)定閾值，下一次傅里葉變換后新的有效脈沖的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)落在該閾值內(nèi)，該脈沖視為上次傅里葉變換該閾值內(nèi)脈沖的相關(guān)脈沖，相關(guān)脈沖的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)頻率記為上次傅里葉變換該閾值內(nèi)脈沖波峰對應(yīng)橫坐標(biāo)頻率的相關(guān)頻率，相關(guān)頻率對應(yīng)的振動(dòng)速度之間積分重構(gòu)計(jì)算出一個(gè)振動(dòng)信號，所有振動(dòng)信號的位移累加為光纖內(nèi)振動(dòng)的實(shí)際位移。

下一次傅里葉變換后新的脈沖的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)落在上次傅里葉變換后橫坐標(biāo)設(shè)定的閾值外，經(jīng)頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法判定為有效脈沖的，記為新的振動(dòng)信號產(chǎn)生。

下一次傅里葉變換后沒有新的脈沖的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)落在上次傅里葉變換后橫坐標(biāo)設(shè)定的閾值內(nèi)，記為舊的振動(dòng)信號消失。

下一次傅里葉變換后有多個(gè)新的脈沖的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)落在上次傅里葉變換后橫坐標(biāo)設(shè)定的閾值內(nèi)，只取波峰對應(yīng)的強(qiáng)度最高的脈沖記為相關(guān)脈沖。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)能檢測并補(bǔ)償?shù)恼駝?dòng)信號的帶寬很大，其頻率范圍從直流到高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器采樣率的二分之一；(2)能檢測到光纖內(nèi)的多種振動(dòng)頻率并實(shí)時(shí)補(bǔ)償；(3)振動(dòng)的檢測和補(bǔ)償?shù)木雀摺?/p>

附圖說明

圖1是多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊的算法流程圖；

圖2是頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法算法流程圖；

圖3是閾值內(nèi)相關(guān)頻率跟蹤法算法流程圖；

圖4是本發(fā)明光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供的用于光纖振動(dòng)檢測與補(bǔ)償?shù)难b置包括四個(gè)部分：高穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊、振動(dòng)信號引入與波分復(fù)用模塊、外差干涉光路與振動(dòng)信號探測模塊、多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊。這四個(gè)部分具體結(jié)構(gòu)和功能為：

高穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊，為頻率穩(wěn)定性極好的高穩(wěn)頻連續(xù)波激光器1，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的單頻激光，從而給光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光源(光信號)，所述連續(xù)波激光器1的出射光頻率要與被補(bǔ)償系統(tǒng)的光頻率不同。

振動(dòng)信號引入與波分復(fù)用模塊，用于將被補(bǔ)償系統(tǒng)的光信號和光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)的光信號一起復(fù)用到被補(bǔ)償光纖上，通過被補(bǔ)償光纖后將兩個(gè)頻率的光信號分色并分別送回到被補(bǔ)償系統(tǒng)和光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)中；如圖4所示，所述振動(dòng)信號引入與波分復(fù)用模塊包括兩個(gè)2×1雙波長波分復(fù)用器和被檢測的光纖17，所述2×1雙波長波分復(fù)用器有三個(gè)引腳，分別為兩個(gè)單頻引腳和一個(gè)雙頻引腳；2×1雙波長波分復(fù)用器所支持的兩個(gè)光頻率分別為被補(bǔ)償系統(tǒng)的光頻率和所述連續(xù)波激光器1的光頻率；兩個(gè)2×1雙波長波分復(fù)用器包括第一2×1雙波長波分復(fù)用器5和第二2×1雙波長波分復(fù)用器6，所述第一2×1雙波長波分復(fù)用器5將檢測振動(dòng)信號所用的單頻激光與被補(bǔ)償系統(tǒng)的激光復(fù)用到一根光纖里，輸出端連接到被補(bǔ)償?shù)墓饫w17中，所述第二2×1雙波長波分復(fù)用器6反接使用，將被補(bǔ)償光纖中的雙頻輸出信號分色成兩路單頻信號分別接入到光纖振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)和被補(bǔ)償系統(tǒng)中。

外差干涉信號與振動(dòng)信號探測模塊，用于將光纖內(nèi)引入的振動(dòng)信號通過激光干涉測量的方法檢測出來，外差干涉信號由高速光電探測器探測；如圖4所示，所述外差干涉光路與振動(dòng)信號探測模塊包含一個(gè)固定調(diào)制頻率的光調(diào)制器4、一個(gè)2×1光纖耦合器2、兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器3和7、兩個(gè)反射鏡8和10、一個(gè)分光棱鏡9、一個(gè)聚焦透鏡11和一個(gè)高速光電探測器12；上述的2×1光纖耦合器2、光纖準(zhǔn)直器3和7、反射鏡8和10、分光棱鏡9、聚焦透鏡11和高速光電探測器12的工作頻段包含連續(xù)波激光器1的發(fā)射光頻；所述高速光電探測器12的探測上限高于光調(diào)制器4的調(diào)制頻率；所述2×1光纖耦合器2將連續(xù)波激光器1的出射光分為兩路：其中一路通過光調(diào)制器4調(diào)頻后經(jīng)一光纖準(zhǔn)直器7發(fā)出變?yōu)榭臻g光；另外一路直接由另一光纖準(zhǔn)直器3發(fā)出為空間光，然后再利用一反射鏡8和分光棱鏡9搭建一個(gè)馬赫增德爾干涉光路；上述兩路光在分光棱鏡9上發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)另一個(gè)反射鏡10配合聚焦透鏡11將光投射到高速光電探測器12的光敏面上，至此完成了振動(dòng)信號探測。

多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊，用于讀取并處理高速光電探測器探測到的振動(dòng)信號，選取信號中由振動(dòng)引起的多個(gè)有效的多普勒頻移，并對多普勒頻移進(jìn)行跟蹤，同時(shí)在整個(gè)測量周期內(nèi)監(jiān)控新的振動(dòng)信號的產(chǎn)生和舊的振動(dòng)信號的消失，換算出振動(dòng)的實(shí)時(shí)位移，通過通信接口對被補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)補(bǔ)償。如圖4所示，所述多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊包含一個(gè)高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器13、一個(gè)主控芯片14和一個(gè)通信接口15，所述高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器13的位數(shù)不低于12位，采樣率不小于上述光調(diào)制器4調(diào)制頻率的2倍；所述主控芯片14是單片機(jī)或是現(xiàn)場可編程邏輯陣列，所述單片機(jī)或是現(xiàn)場可編程邏輯陣列的時(shí)鐘頻率高于上述高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器13采樣率的四倍；所述通信接口15與被補(bǔ)償系統(tǒng)的控制單元16相配合；所述高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器13與上述外差干涉光路與振動(dòng)信號探測模塊中的高速光電探測器12相連，振動(dòng)信號被高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器13采集后送入所述主控芯片14，在主控芯片14中做分時(shí)傅里葉變換，采集變換后的多個(gè)脈沖，用頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法確定有效多普勒頻移，用閾值內(nèi)相關(guān)頻率跟蹤法跟蹤振動(dòng)信號的多普勒頻移變化，同時(shí)，在整個(gè)測量周期內(nèi)監(jiān)控新的振動(dòng)信號的產(chǎn)生和舊的振動(dòng)信號的消失，得出時(shí)間——頻率特性，進(jìn)而還原出振動(dòng)信號；提取出有效的多普勒頻移，并將有效的多普勒頻移換算成振動(dòng)的瞬時(shí)速度再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換出多頻振動(dòng)的位移，所有頻率振動(dòng)的位移累加為光纖內(nèi)振動(dòng)的實(shí)際位移；轉(zhuǎn)換得到的振動(dòng)信號經(jīng)通信接口15傳輸給被補(bǔ)償系統(tǒng)的控制單元16做數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

如圖4所示，本發(fā)明光纖振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)，其中高穩(wěn)頻連續(xù)波激光器1發(fā)出的單頻激光經(jīng)光纖耦合器2分成兩路光，一路經(jīng)一光纖準(zhǔn)直器3出射為空間光，另一路通過光調(diào)器4調(diào)制上一個(gè)射頻信號，之后與被補(bǔ)償系統(tǒng)的測量光分別進(jìn)入第一2×1雙波長波分復(fù)用器5的兩個(gè)單頻引腳里。兩路光在波分復(fù)用器里混合成一路從2×1雙波長波分復(fù)用器5的雙頻引腳接入到所需補(bǔ)償?shù)墓饫w17中，從光纖17的另一引腳輸出的光已經(jīng)引入振動(dòng)信號，該信號從第二2×1雙波長波分復(fù)用器6的雙頻引腳接入，從第二2×1雙波長波分復(fù)用器6兩個(gè)單頻輸出引腳分別輸出混合了振動(dòng)信號的檢測光頻，和應(yīng)該回到被補(bǔ)償系統(tǒng)的光頻。將檢測光頻經(jīng)過另一光纖準(zhǔn)直器7變成空間光輸入光纖振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)的外差干涉光路，應(yīng)該回到被補(bǔ)償系統(tǒng)的光頻輸入原來的被補(bǔ)償系統(tǒng)。經(jīng)所述光纖準(zhǔn)直器3出射的空間光經(jīng)一反射鏡8反射，和經(jīng)所述光纖準(zhǔn)直器7出射的光在分光棱鏡9上發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)另一反射鏡10反射到聚焦透鏡11，聚焦透鏡11將光聚焦到高速光電探測器12的光敏面上。高速光電探測器12將探測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入主控芯片14做信號處理。處理后的信號經(jīng)通信接口15送入被補(bǔ)償系統(tǒng)的控制單元16完成振動(dòng)補(bǔ)償工作。

本發(fā)明中，多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊使用分時(shí)傅里葉算法進(jìn)行分時(shí)傅里葉變換的流程，每次取相同長度的數(shù)據(jù)做傅里葉變換，分別找出每次傅里葉變換后的多普勒頻移，根據(jù)多普勒頻移代入公式，

v_nm＝c×f_dnm/f₀

式中，v_nm為振動(dòng)速度，c為光的運(yùn)行速度(3×10⁸m/s²)，f_dnm為多普勒頻移，f₀為所用的高穩(wěn)頻連續(xù)波激光器出射的光的頻率，利用上式求出振動(dòng)速度，對于每次取出的數(shù)據(jù)循環(huán)上述過程座傅里葉變換，直到數(shù)據(jù)用完。

圖1示出了本發(fā)明中多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊的算法流程圖，高速模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器采集到一串有效信號，先選取信號的前N個(gè)數(shù)據(jù)，對其做傅里葉變換。所述頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法是指首先對傅里葉變換后的頻譜壓縮脈沖寬度使脈沖寬度均小于設(shè)定值(記為δ)，選取頻譜中強(qiáng)度最高點(diǎn)(記為A)，其所對應(yīng)的橫坐標(biāo)頻率記為f_n1(第一個(gè)下標(biāo)n代表分時(shí)傅里葉變換的次數(shù)，第二個(gè)下標(biāo)m代表每次傅里葉變換中選取有效波峰的次序)。尋找整個(gè)頻譜內(nèi)的脈沖，凡是兩個(gè)脈沖之間頻率相距低于限定值δ的，只留取脈沖峰值最高的那個(gè)脈沖，其余脈沖視為旁瓣，直接略去；凡是脈沖最高點(diǎn)對應(yīng)的強(qiáng)度大于或等于60％A的都記為有效脈沖，其脈沖最高點(diǎn)對應(yīng)橫坐標(biāo)頻率記為f_n2、f_n3、f_n4……其它脈沖記為無效脈沖，直接略去。所述閾值內(nèi)相關(guān)頻率跟蹤法是指以f_n1、f_n2、f_n3、f_n4……為中心頻率設(shè)置橫坐標(biāo)閾值(記為σ)，下次傅里葉變換后在閾值σ內(nèi)的的脈沖可判定為相關(guān)脈沖，脈沖波峰對應(yīng)的頻率為相關(guān)頻率。若落在閾值外則用頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法判斷是否為新的振動(dòng)出現(xiàn)，不是則舍棄；若出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)脈沖則只取脈沖強(qiáng)度最高的脈沖為有效相關(guān)脈沖；若沒有脈沖波峰落在閾值內(nèi)，則視為舊的振動(dòng)信號消失。將上述選定的有效橫坐標(biāo)值f_n1、f_n2、f_n3、f_n4……分別減去光調(diào)制器的調(diào)制頻率得出每個(gè)振動(dòng)信號對應(yīng)的多普勒頻移f_dnm，將求得的多普勒頻移代入公式

v_nm＝c×f_dnm/f₀

算出每個(gè)振動(dòng)頻率對應(yīng)的瞬時(shí)振動(dòng)速度，v_nm為振動(dòng)速度，c為光的運(yùn)行速度(3×10⁸m/s²)，f_dnm為多普勒頻移，f₀為所用的高穩(wěn)頻連續(xù)波激光器出射的光的頻率。記錄下該速度，把v_1m、v_2m……v_nm進(jìn)行關(guān)于時(shí)間的積分就得到每個(gè)振動(dòng)頻率對應(yīng)的振動(dòng)的位移，所有振動(dòng)信號的位移累加為光纖內(nèi)振動(dòng)的實(shí)際位移，同時(shí)經(jīng)通信接口對被補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。在整個(gè)測量周期內(nèi)允許新的有效脈沖出現(xiàn)或舊的有效脈沖消失，這樣就能完整的檢測到測量過程中新出現(xiàn)的振動(dòng)，也可以及時(shí)剔除已經(jīng)停止的振動(dòng)，避免漏補(bǔ)償或過補(bǔ)償。上述方法使得被補(bǔ)償系統(tǒng)消去部分變化的隨機(jī)誤差，只留下一個(gè)固定的系統(tǒng)誤差，可以通過最終的數(shù)據(jù)處理把系統(tǒng)誤差消掉。

接下來，依次取數(shù)據(jù)中第N～2N、2N～3N……各N個(gè)點(diǎn)重復(fù)上述過程，直到超出采樣點(diǎn)數(shù)，從而完成對光纖的多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償。

圖2示出了頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法算法流程圖，所述多普勒信號采集處理與補(bǔ)償模塊用頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法確定有效多普勒頻移，即：傅里葉變換后壓縮脈寬到限定值，凡是兩個(gè)脈沖相隔頻率小于限定值的取峰值最高的脈沖，將傅里葉變換后的頻譜中所有高于頻譜最高點(diǎn)一定比例的脈沖記為有效脈沖，有效脈沖波峰所對應(yīng)的橫坐標(biāo)減去光調(diào)制器的調(diào)制頻率即為振動(dòng)信號對應(yīng)的多普勒頻移。

圖3示出了閾值內(nèi)相關(guān)頻率跟蹤法算法流程圖，在有效脈沖波峰所對應(yīng)的橫坐標(biāo)周圍設(shè)定閾值，下一次傅里葉變換后新的有效脈沖的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)落在該閾值內(nèi)，該脈沖視為上次傅里葉變換該閾值內(nèi)脈沖的相關(guān)脈沖，相關(guān)脈沖的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)頻率記為上次傅里葉變換該閾值內(nèi)脈沖波峰對應(yīng)橫坐標(biāo)頻率的相關(guān)頻率，相關(guān)頻率對應(yīng)的振動(dòng)速度之間積分重構(gòu)計(jì)算出一個(gè)振動(dòng)信號，所有振動(dòng)信號的位移累加為光纖內(nèi)振動(dòng)的實(shí)際位移。

下一次傅里葉變換后新的脈沖的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)落在上次傅里葉變換后橫坐標(biāo)設(shè)定的閾值外，經(jīng)頻譜強(qiáng)度和頻率間隔篩選法判定為有效脈沖的，記為新的振動(dòng)信號產(chǎn)生。

下一次傅里葉變換后沒有新的脈沖的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)落在上次傅里葉變換后橫坐標(biāo)設(shè)定的閾值內(nèi)，記為舊的振動(dòng)信號消失。

下一次傅里葉變換后有多個(gè)新的脈沖的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)落在上次傅里葉變換后橫坐標(biāo)設(shè)定的閾值內(nèi)，只取波峰對應(yīng)的強(qiáng)度最高的脈沖記為相關(guān)脈沖。

實(shí)施例：

如圖4所示，一臺光纖式馬赫增德爾干涉儀的參考臂是由1m長的光纖17構(gòu)成，測量臂為空間光，在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行大尺寸激光干涉測距，所用光源為1550nm紅外激光，測距精度為1μm。實(shí)際使用時(shí)，工業(yè)現(xiàn)場機(jī)器的振動(dòng)會(huì)傳導(dǎo)到干涉儀的參考臂17上，參考臂光纖17每1μm的振動(dòng)都會(huì)嚴(yán)重影響測量結(jié)果。應(yīng)用本發(fā)明來進(jìn)行參考臂光纖17振動(dòng)補(bǔ)償?shù)倪^程為：

光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)使用850nm波長高穩(wěn)頻氦氖激光器1，其發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器2分為兩路，其中一路經(jīng)過調(diào)制頻率為40MHz的聲光調(diào)制器4進(jìn)入波分復(fù)用器5的850nm光頻入口；同時(shí)被補(bǔ)償?shù)鸟R赫增德爾干涉儀的1550nm激光器發(fā)出的光通過波分復(fù)用器5的1550nm光頻入口與上述光頻匯合，共同經(jīng)波分復(fù)用器的雙頻端口輸入到該馬赫增德爾干涉儀的參考臂17上。經(jīng)參考臂17引入外界振動(dòng)之后用經(jīng)另一個(gè)波分復(fù)用器6反接，把850nm和1550nm的信號分別輸送回光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)和被補(bǔ)償?shù)鸟R赫增德爾干涉儀。被補(bǔ)償?shù)鸟R赫增德爾干涉儀其它部分保持不變；光纖多頻振動(dòng)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)的外差干涉光路與振動(dòng)信號探測模塊也是馬赫增德爾干涉結(jié)構(gòu)，上述的850nm波長高穩(wěn)頻氦氖激光器1與光纖耦合器2的一路、聲光調(diào)制器4、波分復(fù)用器5、參考臂17、波分復(fù)用器6和光纖準(zhǔn)直器7順序相連，結(jié)合從光纖準(zhǔn)直器7出射的空間光構(gòu)成了馬赫增德爾干涉結(jié)構(gòu)的測量臂；光纖耦合器2的另一路與光纖準(zhǔn)直器3相連，結(jié)合從光纖準(zhǔn)直器3出射的光和反射鏡8反射的光構(gòu)成了馬赫增德爾干涉結(jié)構(gòu)的參考臂。兩臂的光路在分光棱鏡9上產(chǎn)生干涉，干涉信號經(jīng)反射鏡10、聚焦透鏡11匯聚到高速光電探測器12的光敏面上完成振動(dòng)信號的探測。

探測后的信號用一片16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以120MS/s的采樣率進(jìn)行采樣，使用一塊32位時(shí)鐘頻率500MHz的單片機(jī)做主控芯片。采得的數(shù)據(jù)先寄存到主控芯片的存儲空間里，先取前1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)用FFT算法做傅里葉變換(短時(shí)傅里葉變換，1000個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的樣品時(shí)間為8.3333ns)，對頻譜做壓縮處理后檢測到在41.05211MHz出現(xiàn)強(qiáng)度最高點(diǎn)，同時(shí)只有在43.28566MHz上出現(xiàn)一個(gè)另一個(gè)脈沖波峰，強(qiáng)度為最高點(diǎn)的80％，兩個(gè)頻率相差超過1MHz，所以記41.05211MHz和43.28566MHz兩個(gè)頻率為有效頻率。取1MHz作為橫坐標(biāo)閾值，跟蹤41.05211MHz和43.28566MHz兩個(gè)頻率前后1MHz的波峰。下一次的傅里葉變換凡是波峰出現(xiàn)在40.05211MHz到42.05211MHz的頻率都可以認(rèn)為是與首次產(chǎn)生41.05MHz頻率的相同振動(dòng)源產(chǎn)生的，即為相關(guān)頻率；后續(xù)的傅里葉變換凡是波峰出現(xiàn)在42.28566MHz到44.28566MHz的頻率都可以認(rèn)為是與首次產(chǎn)生43.28MHz頻率相同振動(dòng)源產(chǎn)生的，即為相關(guān)頻率。同時(shí)將得到的41.05211MHz和43.28566MHz兩個(gè)頻率分別減去聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率(40MHz)得到多普勒頻移f_d11＝1.05211MHz和f_d12＝3.28566MHz。將f_d11＝1.05211MHz和f_d12＝3.28566MHz兩個(gè)頻率分別代入公式

v_nm＝cf_dnm/f₀

其中f₀是850nm單頻激光的光頻，為352.94118THz。求得的瞬時(shí)振動(dòng)速度為0.89429m/s和2.79281m/s。

取第1001到2000共1000個(gè)點(diǎn)重復(fù)上述計(jì)算，在41.32788MHz和43.85441MHz得到兩個(gè)有效頻率，他們與第一次傅里葉變換41.05211MHz和43.28566MHz分別相差不到1MHz，認(rèn)定第二次傅里葉變換得到的41.32788MHz為第一次傅里葉變換得到的41.05211MHz的相關(guān)頻率；第二次傅里葉變換得到的43.85441MHz為第一次傅里葉變換得到的43.28566MHz的相關(guān)頻率。此時(shí)仍然用閾值內(nèi)相關(guān)頻率跟蹤法，設(shè)置1MHz為閾值，第三次傅里葉變換后40.32788MHz～42.32788MHz范圍內(nèi)的脈沖波峰對應(yīng)的頻率認(rèn)定為41.32788MHz的相關(guān)頻率；42.85441MHz～44.85441MHz范圍內(nèi)的脈沖波峰對應(yīng)的頻率認(rèn)定為43.85441MHz的相關(guān)頻率。將41.32788MHz和43.85441MHz兩個(gè)頻率減去聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率40MHz得到多普勒頻移f_d11＝1.32788MHz和f_d12＝3.85441MHz。仍然代入公式

v_nm＝cf_dnm/f₀

得到另一組振動(dòng)速度v₂₁＝2.05821m/s、v₂₂＝5.97434m/s。將v₁₁、v₂₁和v₁₂、v₂₂分別對時(shí)間做積分，得出兩個(gè)振動(dòng)源這一段時(shí)間引起的位移量分別是12.25288nm和36.38267nm，振動(dòng)方向相同，累加得到這一段時(shí)間內(nèi)光纖內(nèi)振動(dòng)的累積位移為48.63655nm，用SPI串行通信接口把補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)傳輸?shù)奖谎a(bǔ)償?shù)鸟R赫增德爾干涉儀的控制單元上。再取2001到3000共1000個(gè)點(diǎn)重復(fù)上述過程……如此以每1000個(gè)點(diǎn)為循環(huán)單元，直到用完所有數(shù)據(jù)。最終使被補(bǔ)償?shù)鸟R赫增德爾干涉儀因參考臂光纖振動(dòng)引入的隨機(jī)誤差被補(bǔ)償?shù)?，只留下一個(gè)固定的系統(tǒng)誤差可以在標(biāo)定擬合階段通過最終的數(shù)據(jù)處理消去。

一次補(bǔ)償所需的時(shí)間不超過1μs，補(bǔ)償?shù)木炔坏陀?0nm。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。