專利名稱：一種光纖f－p傳感器的腔長解調(diào)算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖通信和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。涉及到一種通用的、高精度的波長解調(diào)型光纖法布里-珀羅(F-P)傳感器的腔長解調(diào)算法，特別涉及到光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域中的F-P腔型光纖傳感器的解調(diào)算法。
背景技術(shù)：
1988年，Lee等人首次成功地制作了基于光纖本征型F-P傳感器；1991年，Murphy等人研制成基于非本征型F-P腔的光纖傳感器件。由于光纖F-P傳感頭具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，制作靈活，不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而得到了快速的發(fā)展，并廣泛用于高溫、高壓以及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下的傳感測量，比如智能材料以及大型建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，深油井下高溫、高壓測量，核爆炸試驗的次聲波測量，大型電力設(shè)備的溫度/電擊穿監(jiān)測，石油化工工業(yè)的壓力、溫度測量等。
在光纖F-P傳感測量系統(tǒng)中，腔長解調(diào)是整個測量系統(tǒng)的重要組成部分，解調(diào)算法直接影響著系統(tǒng)的分辨率，穩(wěn)定性以及測量準(zhǔn)確度。目前對光纖F-P傳感器腔長的解調(diào)方法包括強(qiáng)度解調(diào)、相位解調(diào)和波長解調(diào)。強(qiáng)度解調(diào)方法具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，但由于強(qiáng)度解調(diào)的機(jī)理是檢測干涉條紋某一邊帶的光強(qiáng)變化，因此測量動態(tài)范圍有限，對傳感頭的制作工藝要求嚴(yán)格，同時容易受光源功率波動及光纖傳輸損耗的影響，必須采取補(bǔ)償措施。波長解調(diào)中的尋峰方法則是通過跟蹤F-P腔反射光譜的雙峰或多峰的方法實現(xiàn)解調(diào)的，解調(diào)精度取決于對干涉峰值尋峰的準(zhǔn)確性。傅里葉變換是信號分析中經(jīng)常采用的一種方法，采用快速傅立葉變換(FFT)方法可以消除峰-峰算法中存在的粗大誤差，但是同樣存在分辨率低的問題。離散腔長變換(DGT)能夠消除FFT解調(diào)算法中的對光頻率均勻等間隔采樣的假設(shè)，因此解調(diào)精度高于FFT方法，但是由于其峰值的包絡(luò)較寬，因此尋峰誤差大，同時運(yùn)算量也很大。1993年ClaudeBelleville等人提出了光纖F-P傳感器的互相關(guān)解調(diào)算法，通過計算實際光纖F-P傳感器的測量譜與一系列嘗試腔長的理想F-P譜的互相關(guān)系數(shù)，尋找對應(yīng)于互相關(guān)系數(shù)最大值的嘗試腔長作為實際腔長，可以實現(xiàn)較高分辨率的絕對腔長測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種光纖F-P傳感器的腔長解調(diào)算法，可以實現(xiàn)高分辨率的絕對腔長解調(diào)，從而得到高分辨率的被測物理量信息。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，采用均方誤差對光纖F-P傳感頭腔長的估計子的質(zhì)量進(jìn)行評價，得到實際光纖F-P腔傳感頭測量光譜的腔長。
在參數(shù)統(tǒng)計理論中，我們一般希望真值θ的估計子 是無偏的，即其偏差bias(θ^)=0,]]>同時希望其方差 盡可能的小。均方誤差則定義為估計子與真值誤差的平方的數(shù)學(xué)期望，即mse=E{(θ^-θ)2}=var(θ^)+bias2(θ^)---(1)]]>可以看出，均方誤差包含了偏差和方差所引起的誤差，因此均方誤差是評價一個估計子質(zhì)量的一個非常好的手段。如果對于某一個給定的真值有一系列的估計子，則我們認(rèn)為具有最小均方誤差的估計子比其它的估計子更接近真值。本發(fā)明采用均方誤差對光纖F-P傳感頭腔長估計子的質(zhì)量進(jìn)行評價，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖F-P傳感器的腔長的精確解調(diào)。以下以低細(xì)度的非本征光纖F-P傳感頭的反射譜為例，對本發(fā)明所述算法進(jìn)行詳細(xì)說明。
低細(xì)度的非本征F-P光纖傳感頭的反射譜具有如下形式的傳遞函數(shù)FP(λ)=2R·(1+v·cos(4πdλ+π))---(2)]]>其中，R是空氣與光纖界面的菲涅爾反射率，ν是干涉條紋的對比度，d是傳感器F-P腔的腔長，π是由于正入射的情況下光從光疏媒質(zhì)中由光密媒質(zhì)反射時產(chǎn)生的半波損失。
對一個腔長為d0的實測反射譜按照波長順序采樣后，得到離散的光譜序列，序列中的元素用x(n，d0)表示，其中n是采樣元素的序數(shù)。假定d是d0的一個估計子，則對(2)式中的理想反射譜也進(jìn)行同樣的離散處理，該序列中的元素用FP(n，d)表示FP(n,d)=2R·(1+v·cos(4πdλ0+n·Δλ+π))---(3)]]>則我們可以得到腔長估計子d與其真值d0的均方誤差mse(d)=1N·Σn=0N-1(x(n,d0)-FP(n,d))2---(4)]]>
實際中可以根據(jù)所需要的腔長解調(diào)精度和運(yùn)算速度，選擇一個合理的腔長估計子的范圍和步長，由上式可以得到一系列的均方誤差值{mse(d)}，其中最小均方誤差所對應(yīng)的估計子d就是實際腔長d0的最佳估計子。
附圖1給出了光纖F-P傳感頭在自由狀態(tài)下30分鐘的腔長分辨率測試結(jié)果，其平均腔長為303.92102um，方差為0.08859nm，如果采用標(biāo)準(zhǔn)差的兩倍作為腔長的分辨率，則此光纖F-P傳感頭的腔長分辨率可以達(dá)到0.18nm。測試條件光譜檢測設(shè)備為SI720，光譜范圍為80nm，序列長度N為2000，腔長估計子的步長為0.075nm。
采用本發(fā)明的腔長解調(diào)分辨率不僅取決于估計子的步長，同時也隨著光源的有效光譜范圍的展寬而提高。
本發(fā)明的效果和益處是，采用本發(fā)明解調(diào)算法的傳感系統(tǒng)具有腔長分辨率高、動態(tài)范圍大和絕對測量等優(yōu)點(diǎn)，同時可實現(xiàn)光纖F-P傳感器的串/并聯(lián)復(fù)用系統(tǒng)的高分辨率解調(diào)，可實現(xiàn)光纖F-P傳感器與布拉格光纖光柵(FBG)或者長周期光纖光柵(LPFG)的串聯(lián)復(fù)用的解調(diào)，在大型建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，油井下高溫、高壓測量以及大型電力設(shè)備監(jiān)測等方面具有重要的實際應(yīng)用價值。


附圖1是光纖F-P傳感頭在自由狀態(tài)下30分鐘的腔長分辨率測試結(jié)果圖。
附圖2給出了本發(fā)明的一個光纖F-P壓力傳感器實施例示意圖。
圖中1是光譜采集設(shè)備，對于本實施例采用的是美國Micron Optics Inc.的SI720。2是非本征光纖F-P傳感頭，3是單模光纖，4是包含解調(diào)運(yùn)算程序的計算機(jī)。
附圖3是基于本發(fā)明解調(diào)算法的光纖F-P壓力傳感器定標(biāo)曲線圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的最佳實施例。
附圖2給出了適用于油井下高壓測量的光纖F-P壓力測量系統(tǒng)。1中的光譜采集設(shè)備此處采用Micron Optics Inc.的SI720，其波長范圍是1510～1590nm。從SI720中掃描激光器輸出的窄帶光通過單模光纖3傳輸?shù)椒潜菊鱂-P傳感頭2，其反射譜由SI720接收后，通過通訊接口傳送給計算機(jī)，通過本發(fā)明的解調(diào)程序進(jìn)行腔長運(yùn)算。
實驗中采用Druck公司的DPI610壓力校準(zhǔn)儀在0～31MPa的范圍內(nèi)對光纖F-P傳感頭定標(biāo)。附圖3給出了該傳感頭的壓力定標(biāo)曲線。在31MPa的壓力變化范圍內(nèi)，光纖F-P傳感頭的腔長變化了1.84um。該定標(biāo)曲線的線性擬合的相關(guān)度可達(dá)0.99999，壓力靈敏度為59.19nm/MPa，按照0.18nm的腔長分辨率計算，則此傳感頭的壓力分辨率可以達(dá)到3.04kPa，小于滿量程的0.01％。如果采用有效光譜寬度更大的光源，或者減小腔長估計子的步長，則系統(tǒng)的腔長分辨率還可以進(jìn)一步提高。
權(quán)利要求
1.一種光纖F-P傳感器的腔長解調(diào)算法，是采用均方誤差估計對從光纖F-P傳感頭接收到的光譜進(jìn)行高精度的絕對腔長解調(diào)，其特征在于采用均方誤差對光纖F-P傳感頭腔長估計子的質(zhì)量進(jìn)行評價，首先根據(jù)光纖F-P傳感頭的傳遞函數(shù)，得到實際腔長的一組估計子的理想光譜序列，然后與測量的光纖F-P傳感頭的光譜序列進(jìn)行計算，得出一組均方誤差值，其中最小的均方誤差所對應(yīng)的腔長估計子就是測量光譜腔長的最佳估計子。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖法布里－珀羅(F－P)傳感器的腔長解調(diào)算法，屬于光纖通信和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。涉及到光纖傳感領(lǐng)域中的光纖F－P傳感器的解調(diào)技術(shù)。其特征在于采用均方誤差對光纖F－P傳感頭腔長估計子的質(zhì)量進(jìn)行評價，即根據(jù)光纖F－P傳感頭的傳遞函數(shù)，計算實際腔長的一組合理估計子的理想光譜序列，與測量的光譜序列計算得到一組均方誤差值，其中最小的均方誤差所對應(yīng)的估計子就是實際腔長的最佳估計子。本發(fā)明的效果和益處是，本算法具有腔長分辨率高、動態(tài)范圍大和絕對測量等優(yōu)點(diǎn)，能實現(xiàn)光纖F－P傳感器的串/并聯(lián)復(fù)用系統(tǒng)以及光纖F－P傳感器與布拉格光纖光柵或者長周期光纖光柵的串聯(lián)復(fù)用系統(tǒng)解調(diào)，具有重要的應(yīng)用價值。
文檔編號H04B10/12GK1831485SQ20061004617
公開日2006年9月13日 申請日期2006年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月21日
發(fā)明者宋世德, 于清旭 申請人:大連理工大學(xué)