[发明专利]基于探测器时域响应的光纤布拉格光栅弱信号解调方法

说明书

本发明公开了一种基于光电探测器时域响应的光纤布拉格光栅弱信号解调方法，步骤(1)、确定寻峰区域；步骤(2)、获取采样点与波长值对应序列；步骤(3)、构建探测器响应模型步骤(4)、拟合FBG反射光谱：以高斯函数与探测器冲激响应函数的卷积作为拟合函数拟合方程为两函数、四个参数的卷积结果；步骤(5)、获得对应位置解调波长。与现有技术相比，本发明通过卷积函数对谱型的高精度拟合，提高了解调精度；以光电探测器脉冲响应为基础构建的探测器时域响应模型，模型为包含四个参数的方程，因此十分简便；可普遍用于无畸变及不同畸变程度光纤布拉格光栅反射光谱的解调；可实现温度、应变、压力的高速高精度解调。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种光纤布拉格光栅反射峰中心波长定位方法。

背景技术

光纤布拉格光栅传感器是一种波长调制型传感器，其工作原理基于对外界物理参量如温度、应变、振动、折射率的敏感响应，光纤布拉格光栅传感器反射的中心波长随着物理参量发生变化产生偏移。

目前，光纤布拉格光栅解调技术大多将光纤布拉格光栅反射峰简化为对称的高斯谱，通过寻峰算法检测波长偏移量实现物理量测量。常见的寻峰算法包括：最大值法、高斯拟合法、质心法、互相关法和快速相位相关法等。但由于光纤布拉格光栅反射光谱一方面受自身光学性质如纤芯折射率分布、非线性啁啾的影响；另一方面受所处应用环境如系统调制频率、探测器性能的影响；因此，存在应变场非均匀分布、传感器间多重反射、光谱遮蔽，易出现反射峰非对称的畸变现象，使系统解调精度及准确性降低。

采用扫描光源的解调方法是当前主流的光纤布拉格光栅传感解调方法。该方法中，光源在一个扫描周期内输出光波长随时间连续变化，即每一时刻光源输出一个特定波长，光源输出的光受光纤布拉格光栅反射作用，光纤布拉格光栅的光谱信息将转化为时域脉冲信号进行输出。因此，探测器对脉冲光信号的响应情况，将直接影响光纤布拉格光栅反射峰谱型。以往方法通常工作于较低扫描速率下，无需考虑探测器脉冲响应导致的畸变，大多将光纤布拉格光栅反射峰简化为对称的高斯谱，对发生畸变的谱型实用性较差。

发明内容

本发明的目的在于解决传统解调方法对光纤布拉格光栅畸变谱峰值位置的解调劣势，提供一种基于光电探测器时域响应的光纤布拉格光栅弱信号解调方法，通过探测器脉冲响应与脉冲函数反卷积，得到不同增益下光电探测器的时域响应函数，以高斯函数和探测器响应函数的卷积作为拟合函数，对不同畸变程度的光纤布拉格光栅反射峰进行高精度拟合，进而提高解调精度。

步骤1、构建基于可调谐F-P滤波器的弱光强解调系统，从而获得不同探测器增益下的归一化光纤布拉格光栅反射光谱，即采样点(1,2,…,N)-幅值序列(A₁,A₂,…,A_N)，设定光谱采样点幅值的对应阈值Φ，截取幅值大于阈值的采样点序列P(A_a+1,A_a+2,…,A_a+n)作为寻峰区域；其中，将阈值Φ的选取将遵循高解调精度、低解调时间的准则，设定为0至1范围内的最佳值；

步骤2、以透射峰值波长作为波长参考，获取采样点(1,2,…,N)-波长值对应序列(λ₁,λ₂,…,λ_N)；

步骤3、构建探测器响应模型，仿真得到不同畸变程度光纤布拉格光栅反射峰谱型；表达式如下：

其中，符号*表示卷积运算，f_in(t)表示时域输入信号，τ为在0至∞范围内变化的时间值，h(t)表示探测器时域冲激响应函数，通过探测器脉冲响应函数与脉冲函数反卷积得到探测器时域冲激响应函数h(t)，表达式如下:

h(t)＝α·exp(-t/β)

其中，α表示与探测器输出幅值相关的系数，β表示探测器时间响应系数的拟合值；