本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種適用于海洋環(huán)境的多參量檢測，如海水的溫度、鹽度、壓強(qiáng)、流速、污染源等，具有重大的科研意義和應(yīng)用價(jià)值的高精度多參量光纖微腔傳感系統(tǒng)及其解調(diào)方法。

技術(shù)背景：

光纖傳感器是一種新型的發(fā)展迅速的傳感器，已越來越廣泛的應(yīng)用于實(shí)際生活中。光纖傳感器直接使用光纖作為傳感介質(zhì)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳感和傳輸，具有體積小，隱蔽性強(qiáng)，抗電磁干擾，耐腐蝕等優(yōu)良特性。

光纖微腔傳感器通過在光纖上蝕刻一定形狀的微腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)外界物理量的傳感。經(jīng)過不同封裝的微腔傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的物理參數(shù)(溫度、鹽度、壓強(qiáng)、速度等)的測量，同時(shí)避免交叉敏感。通過強(qiáng)度解調(diào)法和相位解調(diào)法，可實(shí)現(xiàn)外界物理量的傳感，其中強(qiáng)度解調(diào)法容易受到外界環(huán)境和光源光強(qiáng)波動(dòng)的影響，穩(wěn)定性較差，相位解調(diào)法靈敏度高，需要通過測量傳感器的光譜實(shí)現(xiàn)傳感。

要獲取傳感器的光譜數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)室通常使用光譜儀，這樣大大降低了測量速度，在測量時(shí)間要求較高的環(huán)境下，需要使用掃描光源的方式實(shí)現(xiàn)傳感器光譜數(shù)據(jù)的獲取。

微腔傳感器的數(shù)據(jù)處理方法主要分為兩大部分，第一部分為中心波長的獲取，獲取到中心波長后，進(jìn)行第二部分外界物理量的檢測。

有多種獲取光譜數(shù)據(jù)中心波長的方法，最簡單的是對(duì)光譜數(shù)據(jù)直接尋峰，此方法使用某個(gè)波長范圍內(nèi)的谷值(峰值)作為中心波長所在的位置。用洛倫茲擬合法尋找中心波長時(shí)，使用擬合結(jié)果中的參數(shù)之一作為光譜數(shù)據(jù)的中心波長。

尋峰法具有快速簡單的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是受噪聲影響較大，谷值(峰值)周圍的噪聲可以極大的影響找到的中心波長值，造成檢測誤差，即使通過一定的去噪技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑，當(dāng)采集信號(hào)信噪比較低時(shí)，也會(huì)有很大的檢測誤差，一般情況下只有確定信號(hào)信噪比較高時(shí)才選用尋峰法；洛倫茲擬合得到中心波長的方法對(duì)噪聲敏感度較低，但是對(duì)擬合參數(shù)的初值要求較高，當(dāng)初值選取不合適時(shí)，會(huì)導(dǎo)致擬合誤差的增大，甚至導(dǎo)致擬合失敗，其原因是在搜索參數(shù)空間時(shí)陷入了局部最優(yōu)解而非全局最優(yōu)解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了一種適用于海洋環(huán)境的多參量檢測，如海水的溫度、鹽度、壓強(qiáng)、流速、污染源等，具有重大的科研意義和應(yīng)用價(jià)值的高精度多參量光纖微腔傳感系統(tǒng)及其解調(diào)方法。

本發(fā)明可以通過以下措施達(dá)到：

一種高精度多參量光纖微腔傳感系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有寬帶光源、可調(diào)諧濾波器、分光比為1:9的1*2光耦合器、環(huán)形器、多路光開關(guān)、PIN探測器、控制電路、觸發(fā)源、DAQ模塊、信號(hào)處理電路，其中寬帶光源輸出的光信號(hào)經(jīng)可調(diào)諧濾波器處理后送入分光比為1:9的1*2光耦合器，可調(diào)諧濾波器的輸出光信號(hào)經(jīng)耦合器分為兩束，其中比例較小的光信號(hào)直接被PIN探測，比例較大的光信號(hào)經(jīng)過環(huán)形器和多路光開關(guān)，分時(shí)作用于多路光開關(guān)輸出端所連接的傳感器。

本發(fā)明中寬帶光源波長覆蓋范圍為1500nm～1600nm，可調(diào)諧濾波器波長范圍與之對(duì)應(yīng)，濾波器的觸發(fā)頻率為200～400Hz可調(diào)。

本發(fā)明中使用兩個(gè)PIN同時(shí)探測光源光譜與傳感器光譜，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，先將數(shù)據(jù)進(jìn)行取對(duì)數(shù)操作，然后將光源光譜作為參考信號(hào)，傳感器光譜減去光源光譜，以消除光源光譜波動(dòng)對(duì)傳感器光譜造成的影響，以下所述的傳感器光譜，均為消除光源光譜影響之后的光譜。

本發(fā)明還提出了一種高精度多參量光纖微腔傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法，其特征在于在獲取多個(gè)傳感器的光譜數(shù)據(jù)時(shí)，采用時(shí)分復(fù)用的方式，寬帶光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)可調(diào)諧濾波器后輸出，然后再由光耦合器一分為二，其中占比少的一路光直接進(jìn)入PIN探測器，占比大的一束光則通過環(huán)形器和多路光開關(guān)傳輸至傳感器，傳感器的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)多路光開關(guān)和環(huán)形器返回，到達(dá)PIN探測器，兩路光信號(hào)分別作為信號(hào)光和參考光被采集卡DAQ模塊采集，并進(jìn)行下一步信號(hào)處理工作；其中時(shí)分復(fù)用時(shí)的同步信號(hào)由控制電路產(chǎn)生，在控制電路切換多路光開關(guān)的同時(shí)，向觸發(fā)源發(fā)出觸發(fā)使能信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)控制可調(diào)諧濾波器的調(diào)諧頻率，同時(shí)產(chǎn)生信號(hào)采集卡需要的外觸發(fā)源；多路光開關(guān)每切換一次，采集卡采集一次相應(yīng)位置的傳感器光譜數(shù)據(jù)，假設(shè)光開關(guān)的切換頻率為f，當(dāng)連接n個(gè)傳感器時(shí)，一次完整的采集包含所有n個(gè)傳感器，其耗時(shí)為(n/f)秒。

本發(fā)明使用兩個(gè)PIN同時(shí)探測光源光譜與傳感器光譜，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，先將數(shù)據(jù)進(jìn)行取對(duì)數(shù)操作，然后將光源光譜作為參考信號(hào)，傳感器光譜減去光源光譜，以消除光源光譜波動(dòng)對(duì)傳感器光譜造成的影響。

本發(fā)明采用尋峰法、洛倫茲擬合法相結(jié)合的中心波長獲取方法，以尋峰法為基礎(chǔ)，結(jié)合洛倫茲曲線的實(shí)際物理意義和采集數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，給出了一般化的參數(shù)初值及邊界設(shè)置方法，具體如下：

設(shè)曲線1為某條采集到的光譜曲線，整條曲線以中心波長為對(duì)稱軸，大致呈兩側(cè)高中間低的對(duì)稱分布；

直線2為光譜曲線的最大值位置，與x軸平行；

直線3為光強(qiáng)為0的位置，與x軸平行；

直線4為光譜曲線的起始波長位置，與y軸平行，上與直線3相交，下與直線2相交；

直線5為光譜曲線的終止波長位置，與y軸平行，上與直線3相交，下與曲線1相交；

6為曲線波谷所在位置；

根據(jù)以上描述，洛倫茲擬合時(shí)參數(shù)的界限與初值設(shè)置方法如下：

洛倫茲曲線的表達(dá)式及其對(duì)應(yīng)的物理意義：

要擬合的參數(shù)為y₀、A、w、x_c，它們的物理意義分別為：

y₀：洛倫茲曲線的漸近線；

A:漸近線與洛倫茲曲線之間包圍的面積；

w:洛倫茲曲線的半高全寬；

x_c:洛倫茲曲線的對(duì)稱軸(中心波長)。

根據(jù)各參數(shù)的物理意義，得到以下參數(shù)界限和初值的設(shè)置規(guī)則：

y₀的上限為直線3，下限為直線2，初值為(上限+下限)/2；A的上限為曲線1與直線2包圍的面積；下限為曲線1與直線3包圍的面積；初值為(上限+下限)/2；W的上限值為直線4與直線5之間的橫向距離，下限值為0，初值為(上限+下限)/2；x_c的上限值為直線5對(duì)應(yīng)的波長，下限值為直線4對(duì)應(yīng)的波長，初值為波谷所在的位置；其中，參數(shù)A的上下限使用定積分求解時(shí)為負(fù)，故曲線1與直線2包圍的面積雖然小，但是仍舊是A的上限值。

本發(fā)明給出了洛倫茲擬合時(shí)四個(gè)參數(shù)的初值、上下限的設(shè)置方法，同時(shí)，在傳感器光譜出現(xiàn)多個(gè)波谷時(shí)，同時(shí)擬合多組洛倫茲曲線，可得到多組中心波長值，這些中心波長對(duì)應(yīng)的是相同的外界物理量，因此可通過擬合多組一次多項(xiàng)式的方法得到不同中心波長的傳感器參數(shù)，在最終的使用過程中，則同時(shí)檢測所有中心波長后求取該中心波長對(duì)應(yīng)的物理量，然后將多組檢測結(jié)果求平均，得到最終的檢測結(jié)果。

本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)多路微腔傳感器光譜信號(hào)的獲取，并通過時(shí)分復(fù)用的方法，快速解調(diào)多路物理參量，相較于使用光譜儀獲取傳感器光譜的方法，提高了實(shí)用性。通過結(jié)合采集到的光譜數(shù)據(jù)和洛倫茲曲線的實(shí)際物理意義，合理給出擬合參數(shù)的初值和上下限，這樣，在參數(shù)空間的搜索過程中，陷入局部最優(yōu)的概率便大大降低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明在洛倫茲擬合時(shí)確定參數(shù)取值范圍的示意圖。

圖3是一次觀測光譜數(shù)據(jù)的洛倫茲擬合結(jié)果。

圖4是中心波長與外界物理量(壓強(qiáng))的一次多項(xiàng)式擬合結(jié)果。

圖5是當(dāng)有多個(gè)中心波長時(shí)，光譜曲線隨外界物理量(壓強(qiáng))變化的結(jié)果。

圖6是多個(gè)中心波長時(shí)，中心波長與外界物理量的一次多項(xiàng)式擬合結(jié)果。

具體實(shí)施方式

在獲取多個(gè)傳感器的光譜數(shù)據(jù)時(shí)，本發(fā)明采用時(shí)分復(fù)用的方式，如圖1所示的總體架構(gòu)圖所示，寬帶光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)可調(diào)諧濾波器后輸出特定波長的光，然后再由耦合器一分為二，其中占比少的一路光直接進(jìn)入PIN探測器，占比大的一束光則通過環(huán)形器和多路光開關(guān)傳輸至傳感器，傳感器的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)多路光開關(guān)和環(huán)形器返回，到達(dá)PIN探測器，兩路光信號(hào)分別作為信號(hào)光和參考光被采集卡采集，并進(jìn)行下一步信號(hào)處理工作。時(shí)分復(fù)用時(shí)的同步信號(hào)由控制電路產(chǎn)生，在控制電路切換多路光開關(guān)的同時(shí)，向觸發(fā)源發(fā)出觸發(fā)使能信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)控制可調(diào)諧濾波器的調(diào)諧頻率，同時(shí)產(chǎn)生信號(hào)采集卡需要的外觸發(fā)源。多路光開關(guān)每切換一次，采集卡采集一次相應(yīng)位置的傳感器光譜數(shù)據(jù)，假設(shè)光開關(guān)的切換頻率為f，當(dāng)連接n個(gè)傳感器時(shí)，一次完整的采集包含所有n個(gè)傳感器，其耗時(shí)為(n/f)秒。

一般情況下，光譜數(shù)據(jù)中包含大量的噪聲信號(hào)，可使用多次累加的方法進(jìn)行去噪處理，此時(shí)需要將n個(gè)傳感器進(jìn)行多次完整的掃描，假設(shè)累加次數(shù)為m，則完成m次累加的采集耗時(shí)為(n·m/f)秒。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，均假設(shè)數(shù)據(jù)已進(jìn)行累加。

以下介紹光譜數(shù)據(jù)的中心波長獲取方法。本發(fā)明結(jié)合了尋峰法、洛倫茲擬合法的中心波長獲取方法，既解決了尋峰法受噪聲影響大的缺點(diǎn)，又彌補(bǔ)了洛倫茲擬合法對(duì)參數(shù)初值敏感的缺點(diǎn)，有效解決了擬合法在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中可能遇到的問題。

在非線性函數(shù)的擬合過程中，如果不給出限制性條件，擬合算法會(huì)在整個(gè)參數(shù)空間范圍內(nèi)搜索參數(shù)，不僅效率低，更壞的情況是擬合失敗。本發(fā)明以尋峰法為基礎(chǔ)，結(jié)合洛倫茲曲線的實(shí)際物理意義和采集數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，給出了一般化的參數(shù)初值及邊界設(shè)置方法，經(jīng)驗(yàn)證，此方法可有效提高擬合的準(zhǔn)確度，曲線出現(xiàn)擬合失敗的的概率大大降低。

圖2所示為本發(fā)明給出的參數(shù)設(shè)置方法。圖中標(biāo)號(hào)分別說明如下：

曲線1為某條采集到的光譜曲線，整條曲線以中心波長為對(duì)稱軸，大致呈兩側(cè)高中間低的對(duì)稱分布。

直線2為光譜曲線的最大值位置，與x軸平行。

直線3為光強(qiáng)為0的位置，與x軸平行。

直線4為光譜曲線的起始波長位置，與y軸平行，上與直線3相交，下與直線2相交。

直線5為光譜曲線的終止波長位置，與y軸平行，上與直線3相交，下與曲線1相交。

6為曲線波谷所在位置。

根據(jù)以上描述，洛倫茲擬合時(shí)參數(shù)的界限與初值設(shè)置方法如下：

首先給出洛倫茲曲線的表達(dá)式及其對(duì)應(yīng)的物理意義。

要擬合的參數(shù)為y₀、A、w、x_c，它們的物理意義分別為：

y₀：洛倫茲曲線的漸近線；

A:漸近線與洛倫茲曲線之間包圍的面積；

w:洛倫茲曲線的半高全寬；

x_c:洛倫茲曲線的對(duì)稱軸(中心波長)。

根據(jù)各參數(shù)的物理意義，得到以下參數(shù)界限和初值的設(shè)置方法：

需要注意的是，參數(shù)A的上下限使用定積分求解時(shí)為負(fù)，故曲線1與直線2包圍的面積雖然小，但是仍舊是A的上限值。

圖3所示即為使用以上初值設(shè)置方法的擬合結(jié)果。

當(dāng)外界物理量變化時(shí)，中心波長也會(huì)隨之變化，中心波長隨外界物理量的變化關(guān)系如圖4所示(以壓強(qiáng)變化為例)。

實(shí)際系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)在光源譜寬范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)中心波長的情況，在外界物理量不變的情況下，這些中心波長對(duì)應(yīng)相同的外界物理量，為提高檢測的準(zhǔn)確度，可同時(shí)尋找所有中心波長的隨外界物理量的變化規(guī)律，在圖5所示的多中心波長(壓強(qiáng))傳感器光譜中，共有12個(gè)不同的中心波長(對(duì)應(yīng)光譜數(shù)據(jù)12個(gè)波谷位置)，圖中波谷附近的黑點(diǎn)表示找到的中心波長位置，這些中心波長隨著壓強(qiáng)的變化會(huì)產(chǎn)生紅移，所有12個(gè)中心波長隨壓強(qiáng)的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6中的12條直線的斜率和截距各不相同，說明不同中心波長下傳感器的靈敏度不同。傳感器的靈敏度與其制作工藝關(guān)系密切。在實(shí)際系統(tǒng)中，在檢測到12個(gè)中心波長后，將波長值分別帶入該中心波長對(duì)應(yīng)的直線方程中，可得到12個(gè)不同中心波長下檢測到的溫度，最終使用這12個(gè)溫度值的均值作為實(shí)際檢測值輸出。