CN106839972A - 一种全光纤白光干涉仪的干涉信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种全光纤白光干涉仪的干涉信号处理方法，涉及光学干涉信号数据处理方法，属于光学测量和光纤传感技术领域。本发明提供的方法为：假设通过全光纤白光干涉仪采集到的干涉信号共含有N个数据，N为正整数；I_i表示第i个数据的数值，i∈(0，N‑1)；数据处理需经过4个步骤，算法流程如图1所示；本方法可对直流相波动较大的原始干涉信号进行处理，从而得到平稳的干涉信号，为后续相关参量的计算奠定基础。

Description

一种全光纤白光干涉仪的干涉信号处理方法

技术领域

本发明涉及光学干涉信号数据处理方法，属于光学测量和光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于全光纤迈克尔逊干涉仪的白光干涉信号处理方法。

背景技术

基于干涉的测量***已成为物理量检测中最为精确的***之一。常用的干涉***有迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪、萨格纳克干涉仪以及各干涉仪混合组成的干涉***。迈克尔逊干涉仪因具有结构简单、条纹对比度好、信噪比高、条纹的计数和被测位移的计算关系简单等优点而受到广泛的研究和应用。迈克尔逊干涉仪按照其结构形式可分为空间光迈克尔逊干涉仪和全光纤式迈克尔逊干涉仪两种。空间光迈克尔逊干涉仪光路调节较复杂，***稳定性和移动性较差。全光纤式迈克尔逊干涉仪虽然在***稳定性、移动性以及光路调节复杂度上优于空间光迈克尔逊干涉仪，但存在出现问题不容易查找和调节的缺点。

白光波谱范围广、连续、相干长度短，只有光程差很小时，才会发生干涉。当光程差为零时，白光光谱内各个谱线双光束完全重合，各种波长光重叠，形成对比度最大的中央零级条纹，即最佳干涉位置，通过干涉现象实现对参量高精度测量。白光光源可作为全光纤迈克尔逊干涉仪的光源。

干涉信号的质量直接决定着测量的精度。由于光纤式迈克尔逊干涉仪和空间光迈克尔逊干涉仪都是通过机械扫描臂补偿光程差，扫描导轨的机械振动将降低测量的精度。通常机械振动普遍存在于各类仪器仪表和设备中，振动直接影响到各类仪器仪表的性能指标，降低振动信号的影响成为提高仪器仪表和设备性能的关键之一。如公开号为103424183B的发明专利“机械振动信号检测异常干扰消除方法”依次对采集到的信号做1阶差分、高阶平滑处理、重构信号、排除脉冲干扰等运算后，可降低振动信号的干扰，但该方法运算过程较复杂。又如公开号为102494758A的发明专利“一种用于消除振速水听器的振动噪声的装置”通过采用振动监测传感器、信号调理电路和差分放大电路抵消了对水下平台的振动噪声对振速水听器的干扰，由此提高了振速水听器的测量准确度，但该方法适用范围有限。

发明内容

本发明的主要目的是针对由于全光纤式白光迈克尔逊干涉仪扫描导轨的非线性或振动导致的干涉信号直流相不平稳，从而影响干涉主极大和次极大的测量精度，提供一种全光纤白光干涉仪实验装置，提出一种数据处理方法。本方法可对直流相波动较大的原始干涉信号进行处理，从而得到平稳的干涉信号，为后续相关参量的计算奠定基础。

本发明提出一种用于全光纤白光干涉仪的干涉信号处理方法。假设通过全光纤白光干涉仪采集到的干涉信号共含有N个数据(N为正整数)。I_i表示第i个数据的数值，i∈(0，N-1)。数据处理需经过如下4个步骤，算法流程如图1所示。

步骤1：将采集到的数据以相邻的T个数据为一组进行分组，假设共有G组(0、1、2…G-1)，相当于在时域内对数据进行加窗。第g(g＝0、1、2…G-2)组数据的起始数据为采集到的N(从0开始计)个原始数据的第gT个数据，最后一个数据为采集到的N个数据的第(g+1)T-1个数据,第G-1组数据的起始数据为第(G-1)T个数据，结束数据为第N-1个数据。

步骤2：计算第g(g＝0、1、2…G-1)组数据的直流相数值为由于每组采集T个数据，扫描导轨移动的距离非常短，在该段距离内可忽略导轨的非线性对干涉信号直流相的影响,第g组数据干涉直流相可表示为：

为第g组数据的均值，表示该组数据直流相的大小。

步骤3：重新计算干涉信号直流相。干涉信号直流相可表示为：

即M为所采集数据的均值，表示干涉信号直流相。

步骤4：重构实验数据。

表示重构后的实验数据。其等于原始实验数据I_i减去数据所在组的直流相再加上总体干涉信号直流相M。

原始实验数据经过上述4个步骤处理后,其平稳性得将到极大的提高，效果显著，为后续耦合强度等相关参量的计算奠定了基础。

基于图1所示的数据处理算法流程图对实验数据进行处理。实验共采集了5013000个数据，如图3所示。在技术方案的步骤1中以T＝125为窗宽度对原始数据进行加窗运算，用不同窗内的数据的均值表示该窗内信号的直流分量。步骤3中计算得干涉信号的直流相等于M＝0.0748。步骤4对实验数据进行重构重构后的实验数据如图4所示。图5所示是对图3实验数据进行局部放大，为310米光纤入射端耦合点原始实验数据，经过上述的方法处理后的实验数据如图6所示。由图4和图6可知，该数据处理算法极大的提高了数据的平稳性，效果显著。

本发明提出的一种用于全光纤白光干涉仪的干涉信号处理方法，通过对时域信号进行加窗运算，计算不同窗内干涉信号的直流分量。原始实验数据减去其所在时间窗内的干涉直流分量，再加上总体干涉直流相。可消除扫描导轨的非线性或振动导致的干涉直流信号波动对信号的影响，极大提高了数据的平稳性，效果明显。

附图说明

图1数据处理算法流程图

图2全光纤白光干涉仪实验装置结构图

图3光纤扫描所得原始实验数据

图4光纤扫描经过处理后的数据

图5光纤入射端耦合点处理前的实验数据

图6光纤入射端耦合点处理后的实验数据

具体实施方式

实施例1：

图2是全光纤白光干涉仪实验装置。该装置由光源模块、起偏器、保偏光纤、45度检偏器模块、迈克尔逊干涉仪模块、光电探测器、数据采集卡、计算机8个部分构成。

SLD白光光源发出的光经起偏器后变为线偏光，该线偏光与保偏光纤快轴对准，入射到保偏光纤中；当有外力作用于保偏光纤上时，线偏光传输至外力作用处，会有偏振耦合现象发生，沿快轴传播的激发模的部分能量串扰至慢轴，形成耦合模；由于光纤模式双折射Δn_b的存在，激发模和耦合模在光纤出射端产生了一定的光程差；经过检偏器后，入射到麦克尔逊干涉仪。光电探测器将光信号转变为电信号，再由数据采集卡进行信号采集，输入到计算机进行信号处理。在图2中，光源模块由SLD光源(中心波长为1550nm)和隔离器组成。起偏器为光纤类型的起偏器。待测保偏光纤工作于1550nm，长度为310m。45度检偏模块由保偏跳线(中间截断，快轴与慢轴成45度夹角重新熔接)和检偏器串接而成。耦合器为2×2类型的光纤耦合器。可调光延迟线由美国通用光电生产，其型号为MDL–002，工作于1550nm，延迟范围为0～560ps。两个反射镜均为光纤接头的法拉第旋镜。光电探测器为Thorlabs的PDA10CS-EC型。数据采集卡采用NI USB6251。软件采用Labview进行编写。

本实施例的用于全光纤白光干涉仪的干涉信号处理方法为：假设通过全光纤白光干涉仪采集到的干涉信号共含有N个数据(N为正整数)。I_i表示第i个数据的数值，i∈(0，N-1)。数据处理需经过如下4个步骤，算法流程如图1所示。

步骤1：将采集到的数据以相邻的T个数据为一组进行分组，假设共有G组(0、1、2…G-1)，相当于在时域内对数据进行加窗。第g(g＝0、1、2…G-2)组数据的起始数据为采集到的N(从0开始计)个原始数据的第gT个数据，最后一个数据为采集到的N个数据的第(g+1)T-1个数据,第G-1组数据的起始数据为第(G-1)T个数据，结束数据为第N-1个数据。

步骤2：计算第g(g＝0、1、2…G-1)组数据的直流相数值为由于每组采集T个数据，扫描导轨移动的距离非常短，在该段距离内可忽略导轨的非线性对干涉信号直流相的影响,第g组数据干涉直流相可表示为：

为第g组数据的均值，表示该组数据直流相的大小。

步骤3：重新计算干涉信号直流相。干涉信号直流相可表示为：

即M为所采集数据的均值，表示干涉信号直流相。

步骤4：重构实验数据。

表示重构后的实验数据。其等于原始实验数据I_i减去数据所在组的直流相再加上总体干涉信号直流相M。

基于图1所示的数据处理算法流程图对实验数据进行处理。实验共采集了5013000个数据，如图3所示。在技术方案的步骤1中以T＝125为窗宽度对原始数据进行加窗运算，用不同窗内的数据的均值表示该窗内信号的直流分量。步骤3中计算得干涉信号的直流相等于M＝0.0748。步骤4对实验数据进行重构重构后的实验数据如图4所示。图5所示是对图3实验数据进行局部放大，为310米光纤入射端耦合点原始实验数据，经过上述的方法处理后的实验数据如图6所示。由图4和图6可知，该数据处理算法极大的提高了数据的平稳性，效果显著。

Claims (1)

1.一种全光纤白光干涉仪的干涉信号处理方法，其特征在于，该方法为：假设通过全光纤白光干涉仪采集到的干涉信号共含有N个数据，N为正整数；I_i表示第i个数据的数值，i∈(0，N-1)；数据处理需经过如下4个步骤，算法流程如图1所示；

步骤1：将采集到的数据以相邻的T个数据为一组进行分组，假设共有G组(0、1、2…G-1)，相当于在时域内对数据进行加窗；第g(g＝0、1、2…G-2)组数据的起始数据为采集到的N(从0开始计)个原始数据的第gT个数据，最后一个数据为采集到的N个数据的第(g+1)T-1个数据,第G-1组数据的起始数据为第(G-1)T个数据，结束数据为第N-1个数据；

步骤2：计算第g(g＝0、1、2…G-1)组数据的直流相数值为由于每组采集T个数据，扫描导轨移动的距离非常短，在该段距离内可忽略导轨的非线性对干涉信号直流相的影响,第g组数据干涉直流相可表示为：

$\begin{array}{cccc}\stackrel{\‾}{I_g}=\frac{1}{T}\underset{gT}{\overset{(g+1)T-1}{\Σ}}{I}_i& g=0,1,2...G-2,& \stackrel{\‾}{I_g}=\frac{1}{N-gT}\underset{gT}{\overset{N-1}{\Σ}}{I}_i& g=G-1\end{array}$

为第g组数据的均值，表示该组数据直流相的大小；

步骤3：重新计算干涉信号直流相；干涉信号直流相可表示为：

$M=\frac{1}{N}\underset{0}{\overset{N-1}{\Σ}}{I}_i$

即M为所采集数据的均值，表示干涉信号直流相；

步骤4：重构实验数据；

${\hat{I}}_i=I_i-\stackrel{\‾}{I_g}+M$

表示重构后的实验数据。其等于原始实验数据I_i减去数据所在组的直流相再加上总体干涉信号直流相M；

原始实验数据经过上述4个步骤处理后,其平稳性得将到极大的提高，效果显著，为后续耦合强度等相关参量的计算奠定了基础。