一種用于光纖Sagnac干涉儀傳感器的高分辨率絕對相位解調(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，涉及一種用于光纖Sagnac干涉儀傳感器的高分 辨率絕對相位解調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 常見的光纖Sagnac干涉儀是將一段雙折射光纖接入光纖耦合器而形成的。在 Sagnac干涉儀系統(tǒng)中，分別沿雙折射光纖快慢軸傳輸?shù)膬蓚€(gè)偏振模式，經(jīng)過環(huán)路之后會(huì)產(chǎn) 生光程差（OPD)，在耦合器處耦合形成干涉輸出。外界物理量作用時(shí)，兩偏振模式之間的相 位差受到調(diào)制，輸出干涉譜將會(huì)變化。利用這一特性，可制成基于Sagnac干涉儀的光纖傳 感器，實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、氣體濃度等物理量的測量。此類傳感器具有制作簡單，光學(xué)結(jié)構(gòu)簡 易，插入損耗低以及對輸入光偏振態(tài)不敏感等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。
[0003] 傳統(tǒng)的混合Sagnac干涉儀傳感器一般使用波長解調(diào)方案，即通過跟蹤干涉譜峰 值波長的移動(dòng)來解調(diào)偏振非互易相移（或光程差）的變化。這種方案實(shí)施簡單，靈敏度較 高。但是存在不同峰值靈敏度不同、測量動(dòng)態(tài)范圍受光源譜寬限制、只能實(shí)現(xiàn)相對測量和不 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量等缺點(diǎn)。另一類常見的解調(diào)方案是分析干涉譜的周期特性，測量其譜型周 期或通過傅立葉分析得其頻率。近幾年的許多研究采用這類基于頻率解調(diào)的方案進(jìn)行傳感 測量，解決了測量范圍受光源譜寬限制的問題，實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍的測量，但是存在分辨率 較低的問題。綜上，峰值波長跟蹤法雖然測量分辨率高但測量動(dòng)態(tài)范圍?。活l率解調(diào)法測量 動(dòng)態(tài)范圍大，但是分辨率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于光纖Sagnac干 涉儀傳感器的高分辨率絕對相位解調(diào)方法，同時(shí)具有測量范圍大和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案是：一種用于光纖Sagnac干涉儀傳感器的高分辨率 絕對相位解調(diào)方法，包括以下計(jì)算步驟：
[0006] 步驟1)、針對光纖Sagnac干涉儀傳感器的輸出光譜數(shù)據(jù)，利用波數(shù)k取代波長λ 作為自變量，光譜的功率值取線性坐標(biāo)，將干涉儀的輸出光譜數(shù)據(jù)即干涉信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn) 的余弦函數(shù)；
[0007] 其原理在于，光纖Sagnac干涉儀的輸出干涉譜，可以由下式表示：
[0008]
⑴
[0009] 其中：1為干涉信號的光強(qiáng)，B是保偏光纖（PMF)的雙折射，L是PMF的長度，λ是 工作波長，k= l/λ是波數(shù)。B和L的乘積是PMF中兩個(gè)偏振模式間的光程差（0PD)，其對 應(yīng)的相位差即為Sagnac干涉中的偏振非互易相移。BL可以被定義為特征頻率f k，即該余 弦函數(shù)隨自變量k變化的頻率。
[0010] 通過公式（I)，利用波數(shù)k取代波長λ作為橫坐標(biāo)，可以將輸出光譜轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的 余弦波形。
[0011] 步驟2)、對步驟1中所得的標(biāo)準(zhǔn)余弦譜型，作快速傅立葉變換（FFT)得頻譜曲線， 在頻譜曲線中提取特征頻率f k，并由此計(jì)算出干涉級次m隨波數(shù)k的分布；
[0012] 具體方法和原理在于：作FFT變換，在頻譜曲線中提取峰值頻率，即為特征頻率 fk。理論上，得到fk就直接得到了 0PD，但是由于光源譜寬有限，相當(dāng)于對余弦信號引入了一 個(gè)濾波窗口，這種截?cái)嘈?yīng)將會(huì)嚴(yán)重降低&的分辨率，因此頻率解調(diào)方法的分辨率很低。為 了在保持大的測量范圍的同時(shí)提高解調(diào)分辨率，本發(fā)明結(jié)合干涉級次和相對相位的概念， 將公式（1)重寫為如下形式：
[0013]
[0014] m =
[0015] 其中，floor〇是向下取整函數(shù)，__定義為2jt范圍內(nèi)的相對相位值，m定義為 Sagnac干涉儀干涉光譜中某一點(diǎn)在波數(shù)域的干涉級次。
[0016] 通過公式（3)，便可由4計(jì)算出干涉級次m，m反映了干涉光譜的周期特性。
[0017] 步驟3)、對步驟2中FFT運(yùn)算所得頻譜曲線，采用窗口濾波方法進(jìn)行處理，濾波窗 口以特征頻率左側(cè)第一個(gè)波谷處為起點(diǎn)，右側(cè)第一個(gè)波谷處為終點(diǎn)，對峰值頻譜濾波之后 作快速傅立葉反變換（IFFT)，由IFFT結(jié)果的虛部得到相對相位的分布曲線；
[0018] 步驟4)、將反傅里葉變換得到的相對相位曲線的極值位置處的初始相對相位為 〇,在某個(gè)m和m+Ι極值位置間取一確定的波數(shù)kjl，計(jì)算光纖Sagnac干涉儀傳感器在該 波數(shù)處的總相位Φ τ，進(jìn)而計(jì)算BL積。
[0019] 具體方法是：由IFFT計(jì)算得到的相對相位:羚被包裹在[_ π，Ji ]的范圍內(nèi)，即相 對相位曲線每過一個(gè)周期便會(huì)發(fā)生2 π的相位突變，而每一個(gè)m值均對應(yīng)曲線的一個(gè)極值 位置。為方便計(jì)算，可認(rèn)為極值位置處的初始相對相位為〇,因此以某一干涉級次m所在極 值位置為起點(diǎn)的相對相位可為：終+π。因此，當(dāng)選定某一波數(shù)值k"作為測量點(diǎn)時(shí)，通過公式 (3)可以計(jì)算出干涉級次m。結(jié)合相對相位，通過以下公式可以計(jì)算出干涉譜在匕處總的 絕對相位Φτ:
[0020]
[0021]
[0022] 其中：k"為選定的波數(shù)值，約(〃〇為相對相位曲線中k"處對應(yīng)的相對相位值，Φ τ 是km處的總相位；
[0023] 通過公式⑷計(jì)算出總的絕對相位Φτ，即實(shí)現(xiàn)了對偏振非互易相移的絕對測量。 通過公式（5)可實(shí)現(xiàn)對光程差的絕對測量。
[0024] 進(jìn)一步的，所述的光纖Sagnac干涉儀傳感器由用于傳感的雙折射光纖和和光纖 耦合器構(gòu)成Sagnac干涉儀環(huán)路，待測參數(shù)如溫度、壓力等對雙折射光纖中兩本征偏振模式 的相位差產(chǎn)生調(diào)制，作用得到的光程差為BL積，計(jì)算出BL積便可確定待測參數(shù)。
[0025] 進(jìn)一步的，所述的雙折射光纖可以是應(yīng)力型保偏光纖、形狀型保偏光纖和光子晶 體保偏光纖。
[0026] 進(jìn)一步的，所述的光纖Sagnac干涉儀傳感器的輸出光譜數(shù)據(jù)可以通過光譜儀獲 得，也可通過光譜解調(diào)儀獲得。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明方法將輸出干涉譜從波長域轉(zhuǎn)換到波數(shù)域，使之成 為標(biāo)準(zhǔn)的余弦函數(shù)譜型，結(jié)合頻率解調(diào)及相對相位解調(diào)方法，分別計(jì)算出干涉級次和相對 相位，進(jìn)而計(jì)算出總相位，實(shí)現(xiàn)對絕對相位的解調(diào)，同時(shí)具有測量范圍大和分辨率高的優(yōu) 點(diǎn)。以溫度傳感為例，可以實(shí)現(xiàn)常溫到900°C的大范圍測量，且溫度分辨率優(yōu)于0. 1°C。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明應(yīng)用于光纖Sagnac干涉儀溫度傳感器的一個(gè)具體實(shí)施方案，并依據(jù) 此結(jié)構(gòu)搭建系統(tǒng)進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)；
[0029] 圖2是波數(shù)域上的輸出干涉光譜曲線；
[0030] 圖3是本發(fā)明的解調(diào)流程圖；
[0031 ] 圖4 (a)是干涉光譜經(jīng)FFT變換后所得的頻譜圖及濾波窗口；
[0032] 圖4(b)是濾波后的頻譜經(jīng)IFFT變換后得到的相對相位◎隨波數(shù)k的變化曲線；
[0033] 圖5是實(shí)驗(yàn)一中，