高精度多參量光纖微腔傳感系統及其解調方法與流程

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體地說是一種適用于海洋環境的多參量檢測，如海水的溫度、鹽度、壓強、流速、污染源等，具有重大的科研意義和應用價值的高精度多參量光纖微腔傳感系統及其解調方法。

技術背景：

光纖傳感器是一種新型的發展迅速的傳感器，已越來越廣泛的應用于實際生活中。光纖傳感器直接使用光纖作為傳感介質，可同時實現信號的傳感和傳輸，具有體積小，隱蔽性強，抗電磁干擾，耐腐蝕等優良特性。

光纖微腔傳感器通過在光纖上蝕刻一定形狀的微腔結構，實現外界物理量的傳感。經過不同封裝的微腔傳感器可以實現對不同的物理參數(溫度、鹽度、壓強、速度等)的測量，同時避免交叉敏感。通過強度解調法和相位解調法，可實現外界物理量的傳感，其中強度解調法容易受到外界環境和光源光強波動的影響，穩定性較差，相位解調法靈敏度高，需要通過測量傳感器的光譜實現傳感。

要獲取傳感器的光譜數據，實驗室通常使用光譜儀，這樣大大降低了測量速度，在測量時間要求較高的環境下，需要使用掃描光源的方式實現傳感器光譜數據的獲取。

微腔傳感器的數據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，進行第二部分外界物理量的檢測。

有多種獲取光譜數據中心波長的方法，最簡單的是對光譜數據直接尋峰，此方法使用某個波長范圍內的谷值(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，使用擬合結果中的參數之一作為光譜數據的中心波長。

尋峰法具有快速簡單的優勢，缺點是受噪聲影響較大，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進行數據平滑，當采集信號信噪比較低時，也會有很大的檢測誤差，一般情況下只有確定信號信噪比較高時才選用尋峰法；洛倫茲擬合得到中心波長的方法對噪聲敏感度較低，但是對擬合參數的初值要求較高，當初值選取不合適時，會導致擬合誤差的增大，甚至導致擬合失敗，其原因是在搜索參數空間時陷入了局部最優解而非全局最優解。

技術實現要素：
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本發明針對現有技術中存在的缺點和不足，提出了一種適用于海洋環境的多參量檢測，如海水的溫度、鹽度、壓強、流速、污染源等，具有重大的科研意義和應用價值的高精度多參量光纖微腔傳感系統及其解調方法。

本發明可以通過以下措施達到：

一種高精度多參量光纖微腔傳感系統，其特征在于設有寬帶光源、可調諧濾波器、分光比為1:9的1*2光耦合器、環形器、多路光開關、PIN探測器、控制電路、觸發源、DAQ模塊、信號處理電路，其中寬帶光源輸出的光信號經可調諧濾波器處理后送入分光比為1:9的1*2光耦合器，可調諧濾波器的輸出光信號經耦合器分為兩束，其中比例較小的光信號直接被PIN探測，比例較大的光信號經過環形器和多路光開關，分時作用于多路光開關輸出端所連接的傳感器。

本發明中寬帶光源波長覆蓋范圍為1500nm～1600nm，可調諧濾波器波長范圍與之對應，濾波器的觸發頻率為200～400Hz可調。

本發明中使用兩個PIN同時探測光源光譜與傳感器光譜，在進行數據采集后，先將數據進行取對數操作，然后將光源光譜作為參考信號，傳感器光譜減去光源光譜，以消除光源光譜波動對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。

本發明還提出了一種高精度多參量光纖微腔傳感系統的解調方法，其特征在于在獲取多個傳感器的光譜數據時，采用時分復用的方式，寬帶光源發出的連續光經可調諧濾波器后輸出，然后再由光耦合器一分為二，其中占比少的一路光直接進入PIN探測器，占比大的一束光則通過環形器和多路光開關傳輸至傳感器，傳感器的光譜數據經多路光開關和環形器返回，到達PIN探測器，兩路光信號分別作為信號光和參考光被采集卡DAQ模塊采集，并進行下一步信號處理工作；其中時分復用時的同步信號由控制電路產生，在控制電路切換多路光開關的同時，向觸發源發出觸發使能信號，觸發信號控制可調諧濾波器的調諧頻率，同時產生信號采集卡需要的外觸發源；多路光開關每切換一次，采集卡采集一次相應位置的傳感器光譜數據，假設光開關的切換頻率為f，當連接n個傳感器時，一次完整的采集包含所有n個傳感器，其耗時為(n/f)秒。

本發明使用兩個PIN同時探測光源光譜與傳感器光譜，在進行數據采集后，先將數據進行取對數操作，然后將光源光譜作為參考信號，傳感器光譜減去光源光譜，以消除光源光譜波動對傳感器光譜造成的影響。

本發明采用尋峰法、洛倫茲擬合法相結合的中心波長獲取方法，以尋峰法為基礎，結合洛倫茲曲線的實際物理意義和采集數據的表現形式，給出了一般化的參數初值及邊界設置方法，具體如下：

設曲線1為某條采集到的光譜曲線，整條曲線以中心波長為對稱軸，大致呈兩側高中間低的對稱分布；

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；

根據以上描述，洛倫茲擬合時參數的界限與初值設置方法如下：

洛倫茲曲線的表達式及其對應的物理意義：

要擬合的參數為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:洛倫茲曲線的對稱軸(中心波長)。

根據各參數的物理意義，得到以下參數界限和初值的設置規則：

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對應的波長，下限值為直線4對應的波長，初值為波谷所在的位置；其中，參數A的上下限使用定積分求解時為負，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。

本發明給出了洛倫茲擬合時四個參數的初值、上下限的設置方法，同時，在傳感器光譜出現多個波谷時，同時擬合多組洛倫茲曲線，可得到多組中心波長值，這些中心波長對應的是相同的外界物理量，因此可通過擬合多組一次多項式的方法得到不同中心波長的傳感器參數，在最終的使用過程中，則同時檢測所有中心波長后求取該中心波長對應的物理量，然后將多組檢測結果求平均，得到最終的檢測結果。

本發明可實現多路微腔傳感器光譜信號的獲取，并通過時分復用的方法，快速解調多路物理參量，相較于使用光譜儀獲取傳感器光譜的方法，提高了實用性。通過結合采集到的光譜數據和洛倫茲曲線的實際物理意義，合理給出擬合參數的初值和上下限，這樣，在參數空間的搜索過程中，陷入局部最優的概率便大大降低。

附圖說明

圖1是本發明的結構框圖。

圖2是本發明在洛倫茲擬合時確定參數取值范圍的示意圖。

圖3是一次觀測光譜數據的洛倫茲擬合結果。

圖4是中心波長與外界物理量(壓強)的一次多項式擬合結果。

圖5是當有多個中心波長時，光譜曲線隨外界物理量(壓強)變化的結果。

圖6是多個中心波長時，中心波長與外界物理量的一次多項式擬合結果。

具體實施方式

在獲取多個傳感器的光譜數據時，本發明采用時分復用的方式，如圖1所示的總體架構圖所示，寬帶光源發出的連續光經可調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入PIN探測器，占比大的一束光則通過環形器和多路光開關傳輸至傳感器，傳感器的光譜數據經多路光開關和環形器返回，到達PIN探測器，兩路光信號分別作為信號光和參考光被采集卡采集，并進行下一步信號處理工作。時分復用時的同步信號由控制電路產生，在控制電路切換多路光開關的同時，向觸發源發出觸發使能信號，觸發信號控制可調諧濾波器的調諧頻率，同時產生信號采集卡需要的外觸發源。多路光開關每切換一次，采集卡采集一次相應位置的傳感器光譜數據，假設光開關的切換頻率為f，當連接n個傳感器時，一次完整的采集包含所有n個傳感器，其耗時為(n/f)秒。

一般情況下，光譜數據中包含大量的噪聲信號，可使用多次累加的方法進行去噪處理，此時需要將n個傳感器進行多次完整的掃描，假設累加次數為m，則完成m次累加的采集耗時為(n·m/f)秒。在數據處理時，均假設數據已進行累加。

以下介紹光譜數據的中心波長獲取方法。本發明結合了尋峰法、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，又彌補了洛倫茲擬合法對參數初值敏感的缺點，有效解決了擬合法在實際系統應用中可能遇到的問題。

在非線性函數的擬合過程中，如果不給出限制性條件，擬合算法會在整個參數空間范圍內搜索參數，不僅效率低，更壞的情況是擬合失敗。本發明以尋峰法為基礎，結合洛倫茲曲線的實際物理意義和采集數據的表現形式，給出了一般化的參數初值及邊界設置方法，經驗證，此方法可有效提高擬合的準確度，曲線出現擬合失敗的的概率大大降低。

圖2所示為本發明給出的參數設置方法。圖中標號分別說明如下：

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稱軸，大致呈兩側高中間低的對稱分布。

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。

根據以上描述，洛倫茲擬合時參數的界限與初值設置方法如下：

首先給出洛倫茲曲線的表達式及其對應的物理意義。

要擬合的參數為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:洛倫茲曲線的對稱軸(中心波長)。

根據各參數的物理意義，得到以下參數界限和初值的設置方法：

需要注意的是，參數A的上下限使用定積分求解時為負，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置方法的擬合結果。

當外界物理量變化時，中心波長也會隨之變化，中心波長隨外界物理量的變化關系如圖4所示(以壓強變化為例)。

實際系統經常出現在光源譜寬范圍內出現多個中心波長的情況，在外界物理量不變的情況下，這些中心波長對應相同的外界物理量，為提高檢測的準確度，可同時尋找所有中心波長的隨外界物理量的變化規律，在圖5所示的多中心波長(壓強)傳感器光譜中，共有12個不同的中心波長(對應光譜數據12個波谷位置)，圖中波谷附近的黑點表示找到的中心波長位置，這些中心波長隨著壓強的變化會產生紅移，所有12個中心波長隨壓強的變化規律如圖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系密切。在實際系統中，在檢測到12個中心波長后，將波長值分別帶入該中心波長對應的直線方程中，可得到12個不同中心波長下檢測到的溫度，最終使用這12個溫度值的均值作為實際檢測值輸出。