專利名稱：一種光纖f－p傳感器的腔長解調算法的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖通信和光纖傳感技術領域。涉及到一種通用的、高精度的波長解調型光纖法布里-珀羅(F-P)傳感器的腔長解調算法，特別涉及到光纖傳感技術領域中的F-P腔型光纖傳感器的解調算法。
背景技術：
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，結構簡單，靈敏度高，制作靈活，不受電磁干擾等優點而得到了快速的發展，并廣泛用于高溫、高壓以及強電磁干擾等惡劣環境下的傳感測量，比如智能材料以及大型建筑結構的健康監測，深油井下高溫、高壓測量，核爆炸試驗的次聲波測量，大型電力設備的溫度/電擊穿監測，石油化工工業的壓力、溫度測量等。
在光纖F-P傳感測量系統中，腔長解調是整個測量系統的重要組成部分，解調算法直接影響著系統的分辨率，穩定性以及測量準確度。目前對光纖F-P傳感器腔長的解調方法包括強度解調、相位解調和波長解調。強度解調方法具有響應快、結構簡單以及成本低等優點，但由于強度解調的機理是檢測干涉條紋某一邊帶的光強變化，因此測量動態范圍有限，對傳感頭的制作工藝要求嚴格，同時容易受光源功率波動及光纖傳輸損耗的影響，必須采取補償措施。波長解調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解調的，解調精度取決于對干涉峰值尋峰的準確性。傅里葉變換是信號分析中經常采用的一種方法，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解調算法中的對光頻率均勻等間隔采樣的假設，因此解調精度高于FFT方法，但是由于其峰值的包絡較寬，因此尋峰誤差大，同時運算量也很大。1993年ClaudeBelleville等人提出了光纖F-P傳感器的互相關解調算法，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譜的互相關系數，尋找對應于互相關系數最大值的嘗試腔長作為實際腔長，可以實現較高分辨率的絕對腔長測量。
發明內容
本發明的目的是，提供一種光纖F-P傳感器的腔長解調算法，可以實現高分辨率的絕對腔長解調，從而得到高分辨率的被測物理量信息。
本發明的技術方案是，采用均方誤差對光纖F-P傳感頭腔長的估計子的質量進行評價，得到實際光纖F-P腔傳感頭測量光譜的腔長。
在參數統計理論中，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學期望，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。本發明采用均方誤差對光纖F-P傳感頭腔長估計子的質量進行評價，能夠實現光纖F-P傳感器的腔長的精確解調。以下以低細度的非本征光纖F-P傳感頭的反射譜為例，對本發明所述算法進行詳細說明。
低細度的非本征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中由光密媒質反射時產生的半波損失。
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。假定d是d0的一個估計子，則對(2)式中的理想反射譜也進行同樣的離散處理，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)]]>
實際中可以根據所需要的腔長解調精度和運算速度，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傳感頭在自由狀態下30分鐘的腔長分辨率測試結果，其平均腔長為303.92102um，方差為0.08859nm，如果采用標準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到0.18nm。測試條件光譜檢測設備為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。
采用本發明的腔長解調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。
本發明的效果和益處是，采用本發明解調算法的傳感系統具有腔長分辨率高、動態范圍大和絕對測量等優點，同時可實現光纖F-P傳感器的串/并聯復用系統的高分辨率解調，可實現光纖F-P傳感器與布拉格光纖光柵(FBG)或者長周期光纖光柵(LPFG)的串聯復用的解調，在大型建筑結構的健康監測，油井下高溫、高壓測量以及大型電力設備監測等方面具有重要的實際應用價值。
附圖1是光纖F-P傳感頭在自由狀態下30分鐘的腔長分辨率測試結果圖。
附圖2給出了本發明的一個光纖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是包含解調運算程序的計算機。
附圖3是基于本發明解調算法的光纖F-P壓力傳感器定標曲線圖。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖詳細說明本發明的最佳實施例。
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。1中的光譜采集設備此處采用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傳輸到非本征F-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，通過本發明的解調程序進行腔長運算。
實驗中采用Druck公司的DPI610壓力校準儀在0～31MPa的范圍內對光纖F-P傳感頭定標。附圖3給出了該傳感頭的壓力定標曲線。在31MPa的壓力變化范圍內，光纖F-P傳感頭的腔長變化了1.84um。該定標曲線的線性擬合的相關度可達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，則系統的腔長分辨率還可以進一步提高。
權利要求
1.一種光纖F-P傳感器的腔長解調算法，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行高精度的絕對腔長解調，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量進行評價，首先根據光纖F-P傳感頭的傳遞函數，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行計算，得出一組均方誤差值，其中最小的均方誤差所對應的腔長估計子就是測量光譜腔長的最佳估計子。
全文摘要
本發明公開了一種光纖法布里－珀羅(F－P)傳感器的腔長解調算法，屬于光纖通信和光纖傳感技術領域。涉及到光纖傳感領域中的光纖F－P傳感器的解調技術。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量進行評價，即根據光纖F－P傳感頭的傳遞函數，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的估計子就是實際腔長的最佳估計子。本發明的效果和益處是，本算法具有腔長分辨率高、動態范圍大和絕對測量等優點，能實現光纖F－P傳感器的串/并聯復用系統以及光纖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復用系統解調，具有重要的應用價值。
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 優先權日2006年3月21日
發明者宋世德, 于清旭 申請人:大連理工大學