[发明专利]基于色散特征和包络峰值的低相干干涉解调方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其是涉及一种基于色散特征和包络峰值的低相干干涉解调方法。

背景技术

由于低相干干涉能够有效测量距离，被广泛用于三维形貌测量、低相干层析技术以及一切能够转换为距离信息的物理量测量，例如：温度、应变、压力测量。低相干干涉不存在激光干涉中的相位模糊问题，因此其测量范围不局限于λ/4，测量范围理论上不受限制，且测量精度高。

低相干干涉解调方法包括基于干涉图样位移和基于相位信息这两大类方法：基于干涉图样位移的方法包括包络峰值法和中心波峰法，这些方法都是根据滤波后的干涉条纹图样本身获取位移信息，根据获取的位移信息进行解调得到距离值；基于相位信息的方法包括相移法、空间频域法、相位斜率法等，这些方法根据干涉条纹的相位信息或者波数的相位信息来解调距离，相对于基于干涉图样位移的方法，相移法和空间频域法精度更高，但存在相位模糊问题，测量范围局限于λ/4，而相位斜率法精度往往不高。将包络峰值法与相移法或空间频域法相结合能够使测量范围不受限制，同时保持高精度。

然而，由于低相干干涉系统使用宽带光源，所有解调方法都会受到色散影响，色散会引起包络峰值偏移误差，以及相位偏移误差，这会导致解调结果失真，严重时会产生阶跃性错误。通常来讲，在系统硬件设置上尽量消除或减小色散影响或通过软件算法通过先验信息对系统色散误差进行补偿，能够在一定程度上减小色散因素引起的误差，但无法完全消除。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于色散特征和包络峰值的低相干干涉解调方法，从而在无需先验信息的条件下，利用系统色散特性和包络峰值实现低相干干涉的大量程、高精度测量。本发明不但适用于光纤传感领域，也适用于三维形貌检测以及光学层析技术等距离测量领域。

本发明基于色散特征和包络峰值的低相干干涉解调方法包括以下步骤：

步骤一、对干涉条纹信号进行离散Fourier变换；

步骤二、根据光源光谱分布范围确定离散Fourier变换后干涉信号所处的频率段，即确定干涉信号的起始频率和截止频率；起始频率和截止频率段内对应频谱数据不变，其余频率对应的数据都设置为0；

步骤三、进行离散Fourier反变换，反变换后得到的复数的实部为Fourier滤波后的干涉信号，复数的模为Fourier滤波后的包络信号；

步骤四、包络信号的最大值所处位置即为包络峰值位置，根据低相干干涉系统色散元件的群折射率解调出该包络峰值位置对应的低精度距离，该包络峰值法解调得到的低精度距离与实际距离存在距离误差；

步骤五、根据色散特征计算包络峰值位置理论相位，结合包络峰值位置理论相位与包络峰值位置测量相位确定距离误差，实现距离的高精度解调。

进一步讲，上述步骤二中，用光源光谱起始波数除频率分辨率得到干涉信号的起始频率，用光源光谱截止波数除频率分辨率得到干涉信号的截止频率。

上述步骤四中，包络峰值位置对应的低精度距离为N_kd_peak/2，其中，d_peak为包络峰值位置，N_k为低相干干涉系统中色散元件的群折射率。

上述步骤五中：包络峰值位置理论相位为：其中，d_peak为包络峰值位置，k₀为光源光谱中心波数，η_peak=α△k²d_peak/γ，γ=4ln2，△k为光源光谱波数半峰全宽，α为低相干干涉系统中光源光谱范围内色散引起的折射率变化率；用包络峰值位置处干涉信号值除包络值，得到包络峰值处余弦信号值，通过反三角余弦函数求得包络峰值位置测量相位；根据包络峰值位置理论相位与包络峰值位置测量相位确定的距离误差为：包络峰值位置理论相位与测量相位的差值除2k₀。

本发明的理论依据是：低相干干涉系统中常用发光二极管（LED）、超辐射发光二极管（SLD），卤素灯等作为宽带光源，这些常用的宽带光源光谱都呈高斯分布或类高斯分布，因此，低相干干涉的光强可以表示为：

I(d)=I₀exp[-μ(d-ρh)]²cos[ν(d-ρh)]  （1）