一種光纖f-p傳感器的快速高精度信號(hào)解調(diào)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種光纖F?P傳感器的快速高精度信號(hào)解調(diào)方法，通過小波閾值去噪方法對(duì)所得到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理；通過傅里葉變換解調(diào)算法，計(jì)算光纖F?P傳感器的腔長，作為腔長粗測值，并確定腔長的爬山搜索起點(diǎn)；利用變步長爬山搜索算法比較每個(gè)步長下腔長和前一個(gè)腔長的離散腔長系數(shù)，直到前一系數(shù)比后一系數(shù)大為止來搜尋到該步長下的峰值，作為下一次的爬山搜索起點(diǎn)，每次搜索設(shè)定的步長均小于上一次的步長，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)精度，最后一次搜索過設(shè)定的步長即為算法的解調(diào)分辨率，且最后一步獲得的離散腔長系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的腔長，即為所求。本發(fā)明利用新型的變步長爬山搜索算法來減少離散腔長解調(diào)算法的計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)快速高精度信號(hào)解調(diào)。
【專利說明】
一種光纖F-P傳感器的快速高精度信號(hào)解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖F-P(法布里-珀羅)傳感器的快 速高精度信號(hào)解調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖F-P傳感器的腔長解調(diào)算法對(duì)系統(tǒng)測量結(jié)果的精度和穩(wěn)定性有著很大的影 響，主要分為強(qiáng)度解調(diào)和相位解調(diào)兩類。強(qiáng)度解調(diào)法一般采用單色激光光源，利用線性區(qū)內(nèi) 干涉光強(qiáng)的變化來進(jìn)行解調(diào)，這種解調(diào)方法響應(yīng)速度非常快，適用于動(dòng)態(tài)信號(hào)（如聲信號(hào)、 振動(dòng)信號(hào)等）的測量，但是其測量動(dòng)態(tài)范圍有限，且易受光源強(qiáng)度波動(dòng)的影響；相位解調(diào)法 一般采用寬帶光源或者掃頻光源，通過所得光譜來求解相位的變化得到F-P腔腔長的變化， 這種解調(diào)方法，解調(diào)精度高，響應(yīng)速度沒強(qiáng)度解調(diào)法快，適用于準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)(壓力、溫度等） 的測量。
[0003] 目前使用最廣泛的相位解調(diào)方法就是單峰法和多峰法，其中單峰法解調(diào)精度高但 是只能進(jìn)行相對(duì)測量且測量動(dòng)態(tài)范圍很小，僅在λ/4內(nèi)。多峰法可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)腔長測量，但 是由于光譜尋峰時(shí)的誤差，測量精度較低。傅里葉變換(FFT)解調(diào)算法解調(diào)速度快，但是解 調(diào)精度差，分辨率低，無法實(shí)現(xiàn)高精度的測量。Virginia理工學(xué)院的S.M.Musa提出的離散腔 長(DGT)解調(diào)法通過減小腔長搜索步長來提高解調(diào)精度，在高的精度下其計(jì)算量必然很大。 其他的高精度解調(diào)算法諸如互相關(guān)解調(diào)算法，曲線擬合解調(diào)算法，最小均方根解調(diào)算法等 都存在計(jì)算量巨大的問題，不利于實(shí)際的工程應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種光纖F-P傳感器的快速高精度信號(hào)解調(diào)方 法。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種光纖F-P傳感器的快速高 精度信號(hào)解調(diào)方法，寬帶光源發(fā)出的光通過耦合器，經(jīng)腔長待測的光纖F-P傳感器后返回， 再通過耦合器輸出，最后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和調(diào)理處理得到光譜數(shù)據(jù)，其特征在于:它包括以下 步驟：
[0006] S1、通過小波閾值去噪方法對(duì)所得到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理；
[0007] S2、根據(jù)去噪處理后的光譜，通過傅里葉變換解調(diào)算法，計(jì)算光纖F-P傳感器的腔 長，作為腔長粗測值，并確定腔長的爬山搜索起點(diǎn)；
[0008] S3、對(duì)S2獲得的結(jié)果，利用變步長爬山搜索算法比較每個(gè)步長下腔長和前一個(gè)腔 長的離散腔長系數(shù)，直到前一系數(shù)比后一系數(shù)大為止來搜尋到該步長下的峰值，作為下一 次的爬山搜索起點(diǎn)，每次搜索設(shè)定的步長均小于上一次的步長，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)精度， 最后一次搜索所設(shè)定的步長即為算法的解調(diào)分辨率，且最后一步獲得的離散腔長系數(shù)最大 值對(duì)應(yīng)的腔長，即為所求的光纖F-P傳感器腔長。
[0009] 按上述方法，所述的S1具體為：先對(duì)光譜數(shù)據(jù)從波長域變換到波數(shù)域進(jìn)行插值增 加采樣點(diǎn)，然后進(jìn)行小波分解，對(duì)分解后每層信號(hào)設(shè)置閾值進(jìn)行濾波后再重構(gòu)。
[0010] 按上述方法，所述的S2中，取比腔長粗測值小2~5微米的一點(diǎn)作為腔長的爬山搜 索起點(diǎn)。
[0011] 按上述方法，所述的S3具體為：
[0012] 取爬山搜索起點(diǎn)的腔長g，帶入以下公式計(jì)算離散腔長系數(shù)a(0): Μ 2 Ν' 2'
[0013] ^(0) = η)ο〇Β^/4π * fc(n) g) + V λ(;/ )sin (/4π -k^n) g) n-\ n~\
[0014] 式中：k(n)為波數(shù)，x(n)為傳感器的輸出光譜，n為CCD陣列的像素序號(hào)，N為采樣點(diǎn) 數(shù)，
[0015] 首先以一個(gè)較大步長，使腔長g依次增加，并同時(shí)計(jì)算出不同腔長g下對(duì)應(yīng)的離散 腔長系數(shù)a(s)(s = 0，l，2···)，并將后續(xù)計(jì)算所得的系數(shù)依次與當(dāng)前系數(shù)比較，直到a(s_l)> a(s)，則以a(s)對(duì)應(yīng)的腔長g為爬山搜索起點(diǎn)，反方向以較小步長使腔長g依次減小，并計(jì)算 不同腔長g下對(duì)應(yīng)的離散腔長系數(shù)3(〇^ = 0，1，2-），進(jìn)行比較，同樣當(dāng)&(卜1)>&(〇時(shí)，再 以a(t)對(duì)應(yīng)的腔長g為爬山搜索起點(diǎn)，以更小的步長使腔長g依次增加，進(jìn)行比較，經(jīng)過數(shù)次 如此縮小步長來回進(jìn)行搜索，在直至達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)精度，最后一次搜索所設(shè)定的步長即 為算法的解調(diào)分辨率，且最后一步獲得的離散腔長系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的腔長，即為所求的F-P 傳感器腔長。
[0016] 本發(fā)明的有益效果為：
[0017] 1、利用新型的變步長爬山搜索算法來減少離散腔長解調(diào)算法的計(jì)算量，從而提高 運(yùn)算速度，同時(shí)通過設(shè)置搜素的步長達(dá)到提高精度的目的，最終實(shí)現(xiàn)光纖F-P傳感器的快速 高精度信號(hào)解調(diào)。
[0018] 2、小波分解后，對(duì)每層信號(hào)設(shè)置閾值進(jìn)行濾波后再重構(gòu)，進(jìn)一步提高最終解調(diào)結(jié) 果的精度。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2為經(jīng)微型光譜儀直接采集到的光譜數(shù)據(jù)圖。
[0021] 圖3為干涉光譜信號(hào)經(jīng)過sym4小波5層分解后的結(jié)果。
[0022] 圖4為經(jīng)離散小波閾值去噪后的光譜圖。
[0023]圖5為變步長爬山搜索計(jì)算結(jié)果。
[0024]圖中：1-寬帶光源，2-光纖F-P傳感器，3-光電轉(zhuǎn)換模塊，4-數(shù)據(jù)采集模塊，5-處理 器，6-親合器。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0026]本發(fā)明提供一種光纖F-P傳感器的快速高精度信號(hào)解調(diào)方法，如圖1所示，寬帶光 源1發(fā)出的光通過耦合器6,經(jīng)腔長待測的光纖F-P傳感器2后返回，再通過耦合器6輸出，最 后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊3進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和調(diào)理處理得到光譜數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集模塊4采集，進(jìn) 入處理器進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算處理，它包括以下步驟：
[0027] SI、通過小波閾值去噪方法對(duì)所得到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理；
[0028] S2、根據(jù)去噪處理后的光譜，通過傅里葉變換解調(diào)算法，計(jì)算光纖F-P傳感器的腔 長，作為腔長粗測值，并確定腔長的爬山搜索起點(diǎn)；
[0029] S3、對(duì)S2獲得的結(jié)果，利用變步長爬山搜索算法比較每個(gè)步長下腔長和前一個(gè)腔 長的離散腔長系數(shù)，直到前一系數(shù)比后一系數(shù)大為止來搜尋到該步長下的峰值，作為下一 次的爬山搜索起點(diǎn)，每次搜索設(shè)定的步長均小于上一次的步長，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)精度， 最后一次搜索所設(shè)定的步長即為算法的解調(diào)分辨率，且最后一步獲得的離散腔長系數(shù)最大 值對(duì)應(yīng)的腔長，即為所求的光纖F-P傳感器腔長。
[0030] 優(yōu)選的，所述的S1具體為:先對(duì)光譜數(shù)據(jù)從波長域變換到波數(shù)域進(jìn)行插值增加采 樣點(diǎn)，然后進(jìn)行小波分解，對(duì)分解后每層信號(hào)設(shè)置閾值進(jìn)行濾波后再重構(gòu)。通過去噪提高光 譜信號(hào)信噪比，以達(dá)到提高最終解調(diào)結(jié)果精度的目的。
[0031] S2對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換后找到腔長對(duì)應(yīng)的基波分量峰值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的 序列號(hào)P，再通過式（1)對(duì)P進(jìn)行校正后通過式(2)求出光纖F-P傳感器的腔長，作為腔長粗測 值。
[0034]式中，Pp為經(jīng)校正后的數(shù)據(jù)序列號(hào)，A(p)為序號(hào)為p所對(duì)應(yīng)的傅里葉變換系數(shù)，A(p +1)為序號(hào)為P+1所對(duì)應(yīng)的傅里葉變換系數(shù)，A(p-l)為序號(hào)為p-1所對(duì)應(yīng)的傅里葉變換系數(shù)， N為采樣點(diǎn)數(shù)，Sk為波數(shù)間隔，d為所求腔長值。
[0035]優(yōu)選的，所述的S2中，取比腔長粗測值小2~5微米的一點(diǎn)作為腔長的爬山搜索起 點(diǎn)。
[0036]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的S3具體為：
[0037]取爬山搜索起點(diǎn)的腔長g，帶入以下公式(3)計(jì)算離散腔長系數(shù)a(0):
[0039] 式中：k(n)為波數(shù)，x(n)為傳感器的輸出光譜，η為CCD陣列的像素序號(hào)，N為采樣點(diǎn) 數(shù)。其中，CCD陣列為光電轉(zhuǎn)換模塊中的部件。
[0040] 首先以一個(gè)較大步長，使腔長g依次增加，并同時(shí)計(jì)算出不同腔長g下對(duì)應(yīng)的離散 腔長系數(shù)a(s)(s = 0，l，2···)，并將后續(xù)計(jì)算所得的系數(shù)依次與當(dāng)前系數(shù)比較，直到a(S-l)> a(s)，則以a(s)對(duì)應(yīng)的腔長g為爬山搜索起點(diǎn)，反方向以較小步長使腔長g依次減小，并計(jì)算 不同腔長g下對(duì)應(yīng)的離散腔長系數(shù)3(〇^ = 0，1，2-），進(jìn)行比較，同樣當(dāng)&(卜1)>&(〇時(shí)，再 以a(t)對(duì)應(yīng)的腔長g為爬山搜索起點(diǎn)，以更小的步長使腔長g依次增加，進(jìn)行比較，經(jīng)過數(shù)次 如此縮小步長來回進(jìn)行搜索，在直至達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)精度，最后一次搜索所設(shè)定的步長即 為算法的解調(diào)分辨率，且最后一步獲得的離散腔長系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的腔長，即為所求的F-P 傳感器腔長。
[0041 ] 本實(shí)施例中，取一個(gè)腔長約為180μπι的光纖EFPI傳感器作為測試對(duì)象，按照圖1的 系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)采樣，，其中，寬帶光源1的中心波長為1550nm，帶寬100nm，數(shù)據(jù)采集模塊4的 光譜接收范圍為1520nm-1570nm，處理器5依照本發(fā)明所提出的解調(diào)算法編寫的上位機(jī)程序 來實(shí)時(shí)處理由數(shù)據(jù)采集模塊4采集的光譜數(shù)據(jù)。圖2為經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊4直接采集到的光譜 數(shù)據(jù)，可以看見在譜峰上存在很多毛刺。圖3為干涉光譜信號(hào)經(jīng)過sym4小波5層分解后的結(jié) 果，基于mallat算法，每層的數(shù)據(jù)長度為原始信號(hào)的2'j為分解層數(shù)，同時(shí)還可以看到高頻 噪聲主要集中在他^:的細(xì)節(jié)系數(shù)中，因此需對(duì)D 5-Dj^細(xì)節(jié)系數(shù)設(shè)定閾值進(jìn)行去噪，這里采 用啟發(fā)式閾值作為判斷條件。將經(jīng)過閾值去噪后的他^:細(xì)節(jié)系數(shù)連同近似系數(shù)心通過離散 小波逆變換重構(gòu)F-P傳感器的干涉光譜信號(hào)，其結(jié)果如圖4所示，可以看到譜峰上的毛刺已 被去掉，光譜變得光滑。
[0042]通過F F T算法計(jì)算出的該光纖E F PI傳感器的腔長作為粗測值，計(jì)算結(jié)果為 181 · 534245μπι。設(shè)置比該值小3μπι處為爬山搜索起點(diǎn)，以Ιμπι為步長，開始爬山搜索，直到找 到第一個(gè)山頂?shù)暮笠粋€(gè)數(shù)。計(jì)算得到的離散腔長系數(shù)關(guān)于腔長的分布如圖5(a)所示。第二 次爬山搜索過程將第一次得到的最后一個(gè)數(shù)180.534245μπι作為起點(diǎn)，反方向進(jìn)行爬山搜 索，以100nm作為步長，計(jì)算得到的離散腔長系數(shù)關(guān)于腔長的分布如圖5(b)所示。第三次爬 山搜索用第二次的最后一個(gè)數(shù)179.834245μπι為起點(diǎn)，以第二次搜索的反方向作為搜索方 向，以10nm為步長，其結(jié)果如圖5(c)所示。第四次爬山搜索用第三次的最后一個(gè)數(shù) 179.974245μπι為起點(diǎn)，以第三次搜索的反方向作為搜索方向，以lnm為步長，其結(jié)果如圖5 (d)所示。最終尋找到的山峰在179.960245μπι處，即為所求腔長。經(jīng)過4次搜索，算法的分辨 率已經(jīng)達(dá)到了納米量級(jí)，如需更高的分辨率，只需以更小的步長重復(fù)上述步驟。上述的計(jì)算 過程總共做了43次離散腔長運(yùn)算，如果以181.534245μηι為中心，3μηι作為搜索半徑，lnm為搜 索步長，即采用普通搜索算法，則需做6000次離散腔長運(yùn)算，如果把解調(diào)腔長分辨率定位為 lpm，則需在第四次爬山搜索結(jié)果的基礎(chǔ)上再進(jìn)行3次不同步長下的爬山搜索過程，變步長 爬山搜索法共需進(jìn)行約80次運(yùn)算，而普通搜索方法需進(jìn)行6000000次運(yùn)算，可見采用變步長 爬山算法大大減少了搜索峰值所需的計(jì)算量，比普通搜索算法的計(jì)算量低了 4個(gè)數(shù)量級(jí)，降 低了程序的計(jì)算復(fù)雜度，提高了測量效率，使得解調(diào)算法可以實(shí)現(xiàn)快速高分辨率的解調(diào)。
[0043]以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù) 人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例。所以，凡依 據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計(jì)思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖F-P傳感器的快速高精度信號(hào)解調(diào)方法，寬帶光源發(fā)出的光通過耦合器，經(jīng) 腔長待測的光纖F-P傳感器后返回，再通過耦合器輸出，最后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和調(diào)理處理得到 光譜數(shù)據(jù)，其特征在于:它包括以下步驟： 51、 通過小波閾值去噪方法對(duì)所得到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理； 52、 根據(jù)去噪處理后的光譜，通過傅里葉變換解調(diào)算法，計(jì)算光纖F-P傳感器的腔長，作 為腔長粗測值，并確定腔長的爬山搜索起點(diǎn)； 53、 對(duì)S2獲得的結(jié)果，利用變步長爬山搜索算法比較每個(gè)步長下腔長和前一個(gè)腔長的 離散腔長系數(shù)，直到前一系數(shù)比后一系數(shù)大為止來搜尋到該步長下的峰值，作為下一次的 爬山搜索起點(diǎn)，每次搜索設(shè)定的步長均小于上一次的步長，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)精度，最后 一次搜索所設(shè)定的步長即為算法的解調(diào)分辨率，且最后一步獲得的離散腔長系數(shù)最大值對(duì) 應(yīng)的腔長，即為所求的光纖F-P傳感器腔長。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖F-P傳感器的快速高精度信號(hào)解調(diào)方法，其特征在于:所 述的Sl具體為:先對(duì)光譜數(shù)據(jù)從波長域變換到波數(shù)域進(jìn)行插值增加采樣點(diǎn)，然后進(jìn)行小波 分解，對(duì)分解后每層信號(hào)設(shè)置閾值進(jìn)行濾波后再重構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖F-P傳感器的快速高精度信號(hào)解調(diào)方法，其特征在于:所 述的S2中，取比腔長粗測值小2~5微米的一點(diǎn)作為腔長的爬山搜索起點(diǎn)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖F-P傳感器的快速高精度信號(hào)解調(diào)方法，其特征在于:所 述的S3具體為： 取爬山搜索起點(diǎn)的腔長g，帶入以下公式計(jì)算離散腔長系數(shù)a(0):式中:k(n)為波數(shù)，x(n)為傳感器的輸出光譜，η為CCD陣列的像素序號(hào)，N為采樣點(diǎn)數(shù)； 首先以一個(gè)較大步長，使腔長g依次增加，并同時(shí)計(jì)算出不同腔長g下對(duì)應(yīng)的離散腔長 系數(shù)a(s)(s = 0，l，2···)，并將后續(xù)計(jì)算所得的系數(shù)依次與當(dāng)前系數(shù)比較，直到a(s_l)>a (s )，則以a(s)對(duì)應(yīng)的腔長g為爬山搜索起點(diǎn)，反方向以較小步長使腔長g依次減小，并計(jì)算 不同腔長g下對(duì)應(yīng)的離散腔長系數(shù)3(〇^ = 0，1，2-），進(jìn)行比較，同樣當(dāng)&(卜1)>&(〇時(shí)，再 以a(t)對(duì)應(yīng)的腔長g為爬山搜索起點(diǎn)，以更小的步長使腔長g依次增加，進(jìn)行比較，經(jīng)過數(shù)次 如此縮小步長來回進(jìn)行搜索，在直至達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)精度，最后一次搜索所設(shè)定的步長即 為算法的解調(diào)分辨率，且最后一步獲得的離散腔長系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的腔長，即為所求的F-P 傳感器腔長。
【文檔編號(hào)】G01D5/353GK106017522SQ201610308926
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】童杏林, 胡畔, 楊華東, 鄧承偉, 郭倩, 丁磊, 張翠, 周超然, 張寶林
【申請人】武漢理工大學(xué)