用于获得相位变化参数的光纤法珀解调系统

本发明大体涉及用于获得相位变化参数的光纤传感器解调系统和解调方法，特别是一种用于获得相位变化参数的光纤法珀解调系统。

背景技术：

1、目前，在各种领域中使用的传感器主要包括电类传感器、光纤传感器等多种传感器。传统的电学式传感器，其主要缺点是不能在高温、强电磁干扰与腐蚀等恶劣环境下使用。相比之下，光纤法布里-珀罗(fp)传感器具有体积小、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、测量精度高等优点，在航空航天、大型建筑、石油等领域具有广阔的应用前景，特别是针对温度、压力、加速度、声学和超声波等多个参数，要求解调系统具有较高的解调速度。

2、另外，由于多参数测量需求，以及加工方法和封装方法的限制，光纤f-p传感器具有多个反射面。当f-p传感器具有多个反射面时，传统的高速解调方法不适用。可应用于多腔fp传感器的解调方法主要有傅立叶变换法、互相关法、非扫描互相关法等。由于多腔f-p传感器的频谱由不同频率的信号组成，因此傅立叶变换方法是一种常用的解调方法。互相关方法通过将传感器光谱与另一个理想光谱进行互相关来找到最大值。非扫描互相关方法使用低相干干涉的原理，当f-p传感器和另一个干涉仪之间的光程差(opd)相等时，通过获得最大强度的位置实现解调。

3、由于硬件的限制，以上解调方法难以满足对于振动、动态压力、声/超声信号等动态参数的解调速度要求。

技术实现思路

1、本发明是有鉴于上述现有技术的状况而提出的，其目的在于提供一种具有高可靠性和高鲁棒性的基于光纤法珀传感器来测量参数的解调系统和解调方法。

2、为此，本发明的第一方面提供一种用于获得相位变化参数的光纤传感器解调系统，是一种通过光纤法珀传感器获得相位变化参数的解调系统，包括：发射模块、光纤法珀传感器、分光模块、滤光模块、接收模块和处理模块，其中，所述发射模块用于发射具有预设波长范围的光束，所述光纤法珀传感器接收所述光束并形成反射光束，所述分光模块设置于所述发射模块和所述光纤法珀传感器之间，所述分光模块具有至少三个端口，所述三个端口包括连接所述发射模块的第一端口、连接所述光纤法珀传感器的第二端口和连接所述滤光模块的第三端口，所述滤光模块包括第一滤光单元、第二滤光单元和第三滤光单元，所述第一滤光单元对所述反射光束进行滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束，所述第二滤光单元对所述反射光束进行滤光处理以获得具有第二中心波长的第二光束，所述第三滤光单元对所述反射光束进行滤光处理以获得具有第三中心波长的第三光束，所述第一滤光单元、所述第二滤光单元、和所述第三滤光单元为宽带滤光器，所述接收模块用于接收所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束并分别转换成第一信号、第二信号和第三信号，所述处理模块基于所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号、所述第一中心波长、所述第二中心波长、所述第三中心波长和所述光纤法珀传感器的最短腔室的初始腔长计算所述光纤法珀传感器的相位变化参数。

3、在这种情况下，能够利用光纤法珀传感器的多个反射面反射发射模块发射光束并形成反射光束，利用将分光模块将反射光束分成第一光束、第二光束、和第三光束，分别接收第一光束、第二光束、和第三光束并进行滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束，能够降低光纤抖动对相位变化参数的影响。同时，由于第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元为宽带滤光器，能够将最短腔(也即第一腔室)的干涉信号(干涉光)滤出。

4、另外，在本发明第一方面所涉及的解调系统中，可选地，所述光纤法珀传感器为光纤法珀多腔传感器，所述光纤法珀多腔传感器至少包括依次排列的第一反射面、第二反射面以及第三反射面，所述第一反射面和所述第二反射面配合形成第一腔室，所述第二反射面和所述第三反射面配合形成第二腔室，所述第一反射面和所述第三反射面配合形成第三腔室，在所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室中，所述第一腔室的初始腔长最短。在这种情况下，通过限定相干长度能够提取第一腔室的干涉信息。

5、另外，在本发明第一方面所涉及的解调系统中，可选地，所述第一中心波长、所述第二中心波长以及所述第三中心波长在所述预设波长范围内，所述第一滤光单元的3db带宽、所述第二滤光单元的3db带宽以及所述第三滤光单元的3db带宽在所述预设波长范围内。在这种情况下，能够形成具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束。

6、另外，在本发明第一方面所涉及的解调系统中，可选地，基于所述第一中心波长、所述第二中心波长、和所述第三中心波长获得相干长度，所述第一腔室引入的光程差小于相干长度；所述相干长度小于除第一腔室以外的任意一个腔室引入的光程差的第一预设倍数，所述第一预设倍数不小于3。在这种情况下，由于，相干长度要大于腔室的腔长，才能有明显的干涉现象，因此能够利用相干长度消除多个反射面之间的互相干扰，使干涉现象仅主要存在于光纤法珀传感器的第一腔室中，以此实现光纤f-p传感器的解调，并提高解调的准确性。

7、另外，在本发明第一方面所涉及的解调系统中，可选地，所述发射模块发射的光束通过所述第一端口和所述第二端口到达所述光纤法珀传感器，所述光纤法珀传感器的反射光束通过所述第二端口和所述第三端口到达所述滤光模块。在这种情况下，由于分光模块为非可逆器件，也即从进入第一端口的光束可以从第二端口射出，从进入第二端口的光束可以从第三端口射出，由此，发射模块发射的光束进入第一端口后，能够从第二端口到达光纤法珀传感器，反射光束进入第二端口后，能够从第三端口到达滤光模块，进而能够调整光束方向，并通过分光模块将不同类型的光束引导至不同的部件或设备。

8、本发明的第二方面提供一种用于获得相位变化参数的光纤传感器解调方法，是利用本发明的第一方面所涉及的光纤传感器解调系统获得相位变化参数的光纤传感器解调方法，其特征在于，所述解调方法包括：获取所述光纤法珀传感器的最短腔室的初始腔长，分别接收来自光纤法珀传感器的具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束的光束，

9、计算第一初始相位、第二初始相位和第三初始相位，且第一初始相位、第二初始相位和第三初始相位满足公式：

10、θ1＝4πnl0/λ1，

11、θ2＝4πnl0/λ2，

12、θ3＝4πnl0/λ3，

13、其中，θ1表示第一初始相位，θ2表示第二初始相位，θ3表示第三初始相位，n表示介质折射率，l0表示所述初始腔长，λ1表示所述第一中心波长，λ2表示所述第二中心波长，λ3表示所述第三中心波长，基于所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第一初始相位、所述第二初始相位和所述第三初始相位计算目标相位，所述目标相位满足公式：

14、

15、其中，△θ'表示目标相位，i1表示所述第一光束的强度，i2表示所述第二光束的强度，i3表示所述第三光束的强度，对所述目标相位进行补偿以获得所述相位变化参数。

16、在这种情况下，能够根据第一光束、第二光束、和第三光束并进行滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束，能够降低光纤抖动对相位变化参数的影响。同时，能够利用公式便捷地计算目标相位，进而能够对目标相位进行补偿以获得相位变化参数，从而能够满足对于振动、动态压力、声/超声信号等动态参数的解调速度要求。

17、另外，在本发明第二方面所涉及的解调方法中，可选地，获得所述相位变化参数后，基于所述目标相位变化参数获得腔长变化量，若所述腔长变化量大于阈值，则基于所述腔长变化量和所述初始腔长计算目标腔长，将所述目标腔长作为所述初始腔长后重新计算所述相位变化参数。在这种情况下，能够使得传感器在较大的腔长变化范围内保持较小的误差。

18、另外，在本发明第二方面所涉及的解调方法中，可选地，所述第一中心波长、所述第二中心波长、所述第三中心波长互不相同。在这个情况下，能够利用具有不同中心波长的信号获得正交信号，进而能够计算出目标相位。

19、另外，在本发明第二方面所涉及的解调方法中，可选地，目标相位和与目标相位相匹配的相位变化参数之间的差值为补偿值的预设倍数，所述补偿值为π，所述预设倍数为整数。在这种情况下，由于利用反正切算法获得的目标相位范围为-π/2到π/2，当目标相位超过这个范围的时候，就会出现相位跳变，由此，对目标相位进行补偿能够获得更准确的相位变化值。

20、另外，在本发明第二方面所涉及的解调方法中，可选地，在计算所述相位变化参数时，所述预设倍数的初始值为不变，所述预设倍数按照以下方式进行累加：在相邻的目标相位中，若在后的目标相位与在前的目标相位的差小于第一预设值并大于第二预设值，则所述预设倍数为0，若在后的目标相位与在前的目标相位的差大于第一预设值，则所述预设倍数减1，若在后的目标相位与在前的目标相位的差小于第二预设值，则所述预设倍数加1。在这种情况下，能够获得光纤法珀传感器的腔室的真实相位变化(也即相位变化参数)。

21、另外，在本发明第二方面所涉及的解调方法中，可选地，以预设采样率与第一光束相匹配的第一信号、与第二光束相匹配的第二信号和与第三光束相匹配的第三信号，所述第一预设值大于0并且与所述预设采样率相匹配，所述第一预设值与所述第二预设值互为相反数。在这种情况下，能够获得准确的相位变化参数。

22、根据本发明，能够提供一种具有高可靠性和高鲁棒性的基于光纤法珀传感器来测量参数的解调系统和解调方法。