【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感，更具体地，涉及一种高分辨率的fpi光谱解调方法。
技术介绍
1、由于光纤传感器具有的抗电磁干扰、响应快、体积小等特点，使得光纤传感技术非常适合用于对包括振动、压力及温度在内的多种环境参数的监测。经过多年的开发和应用，光纤传感技术已涵盖了多种应用领域，如结构健康监测、飞行器状态监测、油气管道监测等。
2、相比于测量原理不同的其他传感器，干涉型光纤传感器因其灵敏度高、复用性强的优点，成为光纤传感领域的研究热点。法布里-珀罗干涉型(fabry-perotinterferometer,fpi)光纤传感器是基于多光束干涉原理测量环境物理量变化的一种光学传感器件。单个fpi传感器的干涉光谱形似余弦，频率分量单一，有多种解调方法。目前主流的解调方法基于相位解调原理，根据光谱的相位信息解调fpi传感器中法布里-珀罗(fabry-perot,f-p)腔长的变化，从而实现对传感器周围环境的传感，方法包括光谱峰值追踪法、相位生成载波法、互相关解调法、快速傅里叶变换(fast fourier transform,fft)解调法等。此类解调方法具有分辨率高、稳定性好的优点，但是因相位模糊而导致的跳模问题限制了解调的动态范围。
3、傅里叶变换解调法在波数域上采集fpi干涉光谱并进行傅里叶变换，对傅里叶频谱寻峰来寻找干涉谱的频率，进而求解腔长。该解调方法分为两种，一种是直接基于频率估计的方法计算传感器腔长，另一种是根据傅里叶频谱的频率和相位信息计算腔长。前者步骤简单，解调速度快，但是精度和分辨率不高；后者虽然具
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于解决目前基于相位解调的fpi传感器解调算法无法同时兼顾分辨率、动态范围、解调速率的问题。
2、为实现上述技术目的，本专利技术提出一种高分辨率的f-p腔长解调方法，包括以下步骤：
3、采集fpi传感器的干涉光谱并进行标准化处理，所述干涉光谱携带有待测环境参数的信息；
4、对标准化后的干涉光谱进行波数转换和波数域插值处理，得到均匀离散的波数光谱；
5、变换波数光谱的光谱函数形式并进行fft变换，得到频谱幅度谱和相位谱；
6、基于fft变换得到的频谱幅度谱，确定幅度谱峰值索引和f-p腔长的估计值；
7、基于fft变换得到的频谱相位谱，根据幅度谱峰值索引和f-p腔长的估计值，计算f-p腔长的精确值，腔长的变化反映fpi传感器周围环境的变化。
8、进一步地，光谱标准化处理的步骤，包括：
9、去除fpi传感器的干涉光谱中的光源包络；
10、去除fpi传感器的干涉光谱中的直流分量；
11、对fpi传感器的干涉光谱的幅值进行归一化。
12、进一步地，对波数转换后的光谱通过线性插值得到均匀离散的波数光谱。
13、进一步地，所述的变换波数光谱的光谱函数形式是指将光谱从三角函数形式转换为指数形式。
14、进一步地，所述的基于fft变换得到的频谱幅度谱，确定幅度谱峰值索引和f-p腔长的估计值，包括：
15、根据fft变换得到频谱幅度谱，确定幅度谱峰值的索引；
16、采用buneman频率估计算法确定峰值实际位置的估计值；
17、根据所述的索引与估计值，确定峰值实际位置的修正估计值；
18、根据峰值实际位置的修正估计值估计f-p腔长。
19、进一步地，所述的根据所述的索引与估计值，确定峰值实际位置的修正估计值，包括：
20、判断幅度谱峰值索引与其实际位置的估计值的差值，差值在阈值δ范围内时，实际位置的估计值无需修正，直接作为修正估计值
21、当差值超出阈值范围时，对光谱进行频移，使频移之后新的幅度谱峰值索引与其实际位置的估计值的差值位于阈值δ范围内，经频移补偿后的估计值减去频移量rδ后作为修正估计值其中r是频率方向因子，δ是幅度谱峰值索引与其实际位置的差值的阈值。
22、进一步地，所述的基于fft变换得到的频谱相位谱，根据幅度谱峰值索引和f-p腔长的估计值，计算f-p腔长的精确值，包括：
23、确定周期数：首次解调时，根据幅度谱峰值处的索引，确定对应频率分量的相对相位，结合f-p腔长的估计值，计算得到该频率分量绝对相位和相对相位相差的2π周期数；之后的解调，比较本次与上一次解调得到的幅度谱峰值索引，根据比较结果并确定补偿相位值，结合本次补偿相位后与上一次解调得到的相对相位的关系确定周期数；
24、基于幅度谱峰值索引、相对相位和周期数，计算f-p腔长的精确值。
25、进一步地，所述的补偿相位值用于补偿频谱幅度谱峰值索引改变时对应频率分量相位的变化，所述补偿相位值的公式如下：
26、
27、其中，pb和pa是本次和上一次得到的幅度谱峰值索引，是补偿相位。
28、进一步地，所述的周期数用于频谱幅度谱峰值索引对应频率分量相位的解缠绕，结合本次补偿相位后与上一次解调得到的相对相位的关系确定周期数的公式如下：
29、
30、其中，ab和aa是本次和上一次得到的周期数，和是本次和上一次得到的幅度谱峰值索引处对应的相对相位，是补偿相位。
31、所述的周期数始终为整数，当f-p腔长在一定程度内变化时，周期数不变，所述的相对相位相应改变，当f-p腔长变化大于一定程度时，相对相位和周期数都会相应改变。
32、进一步地，所述的基于幅度谱峰值索引、相对相位和周期数，计算f-p腔长的精确值，公式如下：
33、
34、其中，le是f-p腔长的精确值，k0是波数光谱最小的波数坐标，k1是波数光谱最大的波数坐标，p是幅度谱峰值索引，是幅度谱峰值索引处对应频率分量的相对相位，是周期数，[.]是取整符号。
35、本专利技术与其他现有技术相比，具有的有益效果是：
36、本专利技术针对现有技术的缺陷，修正一般的频率估计算法并解决了一般相位解调算法中因相位模糊而导致的跳模问题，在保证高解调分辨率和精度的同时，大幅扩展了解调的动态范围。另外，与其他方法相比，本专利技术的解调方法算法复杂度低，移植性高，可以同时在软件和硬件上实现对传感器的实时解调。因此，本专利技术能够为高速、高分辨率、大量程的光纤传感监测提供切实可行的技术方案。
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1.一种高分辨率的FPI光谱解调方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的高分辨率的FPI光谱解调方法，其特征在于，光谱标准化处理的步骤，包括：
3.根据权利要求1所述的高分辨率的FPI光谱解调方法，其特征在于，对波数转换后的光谱通过线性插值得到均匀离散的波数光谱。
4.根据权利要求1所述的高分辨率的FPI光谱解调方法，其特征在于，所述的变换波数光谱的光谱函数形式是指将光谱从三角函数形式转换为指数形式。
5.根据权利要求1所述的高分辨率的FPI光谱解调方法，其特征在于，所述的基于FFT变换得到的频谱幅度谱，确定幅度谱峰值索引和F-P腔长的估计值，F-P腔包括：
6.根据权利要求5所述的高分辨率的FPI光谱解调方法，其特征在于，所述的根据所述的索引与估计值，确定峰值实际位置的修正估计值，包括：
7.根据权利要求1所述的高分辨率的FPI光谱解调方法，其特征在于，所述的基于FFT变换得到的频谱相位谱，根据幅度谱峰值索引和F-P腔长的估计值，计算F-P腔长的精确值F-P腔，包括：
8.根据权利要求
9.根据权利要求7所述的高分辨率的FPI光谱解调方法，其特征在于，所述的周期数用于频谱幅度谱峰值索引对应频率分量相位的解缠绕，结合本次补偿相位后与上一次解调得到的相对相位的关系确定周期数的公式如下：
10.根据权利要求7所述的高分辨率的FPI光谱解调方法，其特征在于，所述的基于幅度谱峰值索引、相对相位和周期数，计算F-P腔长的精确值，公式如下：
...【技术特征摘要】
1.一种高分辨率的fpi光谱解调方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的高分辨率的fpi光谱解调方法，其特征在于，光谱标准化处理的步骤，包括：
3.根据权利要求1所述的高分辨率的fpi光谱解调方法，其特征在于，对波数转换后的光谱通过线性插值得到均匀离散的波数光谱。
4.根据权利要求1所述的高分辨率的fpi光谱解调方法，其特征在于，所述的变换波数光谱的光谱函数形式是指将光谱从三角函数形式转换为指数形式。
5.根据权利要求1所述的高分辨率的fpi光谱解调方法，其特征在于，所述的基于fft变换得到的频谱幅度谱，确定幅度谱峰值索引和f-p腔长的估计值，f-p腔包括：
6.根据权利要求5所述的高分辨率的fpi光谱解调方法，其特征在于，所述的根据所述的索引与估计值，确定峰值实际位置的修正估计...
【专利技术属性】
技术研发人员：张登伟，金涛，魏鹤鸣，张智航，杨建华，缪立军，韩大鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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