CN110686707B - 基于面阵ccd的多通道偏振低相干干涉解调***及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于面阵CCD的多通道偏振低相干干涉解调***及解调方法，该***包括依次连接的光源(1)、分光器(2)、光纤耦合器(3)、光纤法珀传感器(4)、光纤阵列(5)以及解调***。首先，于平凸柱面镜屈光度子午线方向上，对面阵CCD传感器采集到的各个通道的干涉条纹整个图像进行一行数据采集；然后，对采集到的数据使用寻峰算法以及中值滤波算法处理，找出对应的各通道的干涉条纹在面阵CCD感器上的成像位置；根据此位置信息同步提取出各个通道的干涉条纹信息；之后，同步得到各个通道的传感器的腔长信息。本发明实现了同步解调各个通道干涉信号，极大地拓展了多通道同步解调***的应用范围。

Description

基于面阵CCD的多通道偏振低相干干涉解调***及解调方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种用于对多个通道的法珀传感器进行同步解调的解调***及解调方法。

背景技术

低相干干涉多通道复用解调***目前主要分为三种主流方法：分别是波分复用法、相干复用法以及时分复用法，这三种方法都是基于线阵CCD的多通道复用解调方法，其中：(1)波分复用法能够使多个波长的信号同时在信道中传输并被解调***接收处理，然而，这种复用方式要求各个光源具有不同的中心光谱范围，为了完整采集所有的传感信息，接收设备需要覆盖很宽的波长范围；(2)相干复用法通过时域机械扫描或空间扫描方式对传感器光程差进行匹配扫描，当扫描光程差与传感器产生的光程差相等时，通过形成的干涉信号解调出法珀腔长，然而，为区分提取传感器对应的传感信号，相干复用法要求光纤F-P传感器具有不同的法珀腔长；(3)时分复用技术利用同一解调***的不同时间段来传感解调，从而在时间上区分出各传感器的传感信号，达到复用目的，因此时分复用法无法达到在时间上对多个通道的传感器进行同步解调。

由于线阵CCD像元数量的限制，因而导致当前基于线阵CCD的多通道复用解调***在多通道复用时要避免多个通道的干涉信号在线阵CCD上成像时发生重叠，故而对光源的中心光谱范围或者传感器腔长提出了一定要求，进而限制了多通道同步解调***的应用范围。

发明内容

避免了传统基于线阵CCD的多通道复用***中存在问题的分析和研究的基础上，本发明提出了一种基于面阵CCD的多通道偏振低相干干涉解调***及解调方法，实现多通道干涉信号同步解调。

本发明的一种基于面阵CCD的多通道偏振低相干干涉解调***，该***包含***包括依次连接的光源1、分光器2、光纤耦合器3、光纤法珀传感器4、光纤阵列5以及解调***，其中：

所述光源1的出射光经过所述分光器2平均分为多路的各通道出射光，所述各通道出射光通过各通道对应的所述光纤耦合器3进入所述光纤法珀传感器4；每个所述光纤法珀传感器4导致对应的反射光之间具有光程差，形成各个通道反射回来的信号光；所述信号光通过所述光纤耦合器3耦合进入所述光纤阵列5，同步出射至解调***；

所述解调***包括依次连接的平凸柱面镜6、起偏器7、双折射光楔8、检偏器9、面阵CCD传感器10和计算机处理单元11；所述信号光入射到平凸柱面镜(6)，在屈光度子午面方向上进行压缩并使各个通道之间的信号光相互分离，相互分离的信号光经过起偏器7转化为线偏光，所述线偏光经过双折射光楔8变成相互正交的两束线偏振光并进行光程差匹配，之后，所述相互正交、并进行光程差匹配的两束线偏振光经过所述检偏器9进行投影产生干涉并形成干涉条纹，所述面阵CCD传感器10同步接收干涉条纹，所述干涉条纹传送至计算机处理单元11完成解调。

本发明的一种基于面阵CCD的多通道偏振低相干干涉解调方法，具体包括以下步骤：

首先，于平凸柱面镜屈光度子午线方向上，对面阵CCD传感器10采集到的各个通道的干涉条纹整个图像进行一行数据采集；

然后，对采集到的数据使用寻峰算法以及中值滤波算法处理，找出信号强度最强的几个峰值所在的位置，该位置即为对应的各通道的干涉条纹在面阵CCD上的成像位置；

根据此位置信息同步提取出各个通道的干涉条纹信息；

之后，采用单色频率绝对相位法进行同步解调，即可同步解调各个通道的传感器。

与现有技术相比，本发明提出的基于面阵CCD的多通道同步解调***及解调方法，具有以下积极的技术效果：

(1)实现了在同步解调各个通道干涉信号的同时避免了传统基于线阵CCD的多通道同步解调***对光源或者传感器腔长的限制，极大地拓展了多通道同步解调***的应用范围；

(2)可以对任意能够通过低相干干涉进行解调的传感器进行解调，使得本发明提出的基于面阵CCD的多通道同步解调***可以对多种参量进行同步解调；

(3)通过合理调整光路，极限情况下可以实现一列像元对应一个传感通道，最大限度的利用面阵CCD的像元，极大地拓展了同步解调的通道数量。

附图说明

图1是本发明的一种基于面阵CCD的多通道同步解调***示意图；

图2是面阵CCD传感器采集到的四个通道的干涉条纹图；

图3是各通道原始数据提取出的强度曲线图；

图4是进行大气压力四通道同步解调实验后的各传感器通道的绝对相位与对应大气压力的关系图。

图5是进行大气压力四通道同步解调实验后的各传感器通道的解调误差图。

附图标记：

1、光源，2、分光器，3、光纤耦合器，4、光纤法珀传感器，5、光纤阵列，6、平凸柱面镜，7、起偏器，8、双折射光楔，9、检偏器，10、面阵CCD传感器，11、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。。

如图1所示，为本发明的一种基于面阵CCD的多通道偏振低相干干涉解调***结构示意图。本发明中基于面阵CCD的多通道同步解调***包括光源1、分光器2、光纤耦合器3、光纤法珀传感器4、光纤阵列5、平凸柱面镜6、起偏器7、双折射光楔8、检偏器9、面阵CCD传感器10以及计算机11。其中：

所述光源1，采用LED光源，SLD光源或卤素灯等具有宽光谱的宽带光源；

所述分光器2，用于将光源1出射的光一分为多，避免多光源可能带来的干扰；

所述光纤耦合器3，用于将光源1中发出的光传输到光纤法珀传感器4中，并将从光纤法珀传感器4中返回的干涉信号导入到解调***中；型号采用1×2多模光纤耦合器，光纤型号为50/125μm、62.5/125μm、80/125μm或100/125μm；

所述光纤法珀传感器4，用于将外界物理量转化为法珀腔长的变化量，通过解调出法珀腔长来获取外界待测的物理量；它由一个法珀腔及一个膜片组成，膜片对外界压力敏感，进而将外界压力变化专为法珀腔长的变化；

所述光纤阵列5，用于将来自光纤耦合器3的多个通道信号光同时输出到解调***。

所述解调***，用于将多个通道的光调制信号进行同步接收，并将各通道的腔长信息分离出来，进而进行同步解调。解调***包括平凸柱面镜6、起偏器7、双折射光楔8、检偏器9、10、面阵CCD传感器和计算机处理单元11，其中：

所述平凸柱面镜，用于将光纤阵列5传出的各个通道的干涉信号在屈光力子午线方向上会聚并使其相互分离，且其屈光力子午线与光纤阵列的光纤排布方向相互平行；

所述起偏器，用于将输入信号光转变为线偏振光；

所述双折射光楔，用于对干涉信号进行空间扫描以在面阵CCD传感器上产生相应的干涉条纹；

所述检偏器，用于对相互正交的两个线偏振光进行投影产生干涉；

所述面阵CCD传感器，用于同步接收干涉信号经过双折射光楔后产生的干涉条纹；

所述计算机处理单元11，使用计算机或者嵌入式采集卡处理***，对面阵CCD传感器采集到的干涉条纹进行同步解调，最终同步获取各个通道的腔长和相应的外界压力。

光源1出射的光经过分光器2平均分为多路并通过各通道对应的光纤耦合器3进入光纤法珀传感器4中，光纤法珀传感器4的两个反射端面之间具有一定距离，导致对应的的反射光之间具有一定的光程差，并通过光纤耦合器3耦合进光纤阵列5，各个通道反射出来的信号光通过光纤阵列5同步出射到解调***中，在解调***中，平凸柱面镜6将向四面发散的各个通道的信号光在屈光度子午面方向上进行压缩，使各个通道之间的信号光相互分离，相互分离后的各通道的信号光经过起偏器7转化为线偏光，并经过双折射光楔8变成两束相互正交的线偏振光并进行光程差匹配，之后经过检偏器9对经过双折射光楔8完成光程差匹配后两束线偏振光进行投影产生干涉，干涉条纹被面阵CCD10同步接收并转给计算机11完成解调。

本发明的一种基于面阵CCD的多通道偏振低相干干涉解调方法，解调过程如下：

当面阵CCD10传感器采集到各个通道的干涉条纹后，先在整个图像的平凸柱面镜屈光度子午线方向上采集一行数据，然后对采集到的数据使用寻峰算法以及中值滤波算法处理，找出信号强度最强的几个峰值所在的位置，该位置即为对应的各通道的干涉条纹在面阵CCD上的成像位置，根据此位置信息可以同步提取出各个通道的干涉条纹信息，之后采用强度解调法或者相位解调法进行同步解调，即可同步得到各个通道的传感器的腔长信息。

其中单色频率绝对相位法的基本原理：

一般常见的宽带光源，其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(x)＝γexp{[-α(x-x₀)]²}cos[β(x-x₀)] (1)

其中，α、β、γ是与光路***有关的常数，x₀是零光程差位置对应在光楔中的坐标，其与腔长呈线性关系。

为了简化分析，定义：

f(x)＝γexp[-(αx)²] (2)

式(2)的连续Fourier变换为F(jΩ)，F(jΩ)同样是高斯函数，Ω是频率。根据连续Fourier变换的时移和频移特性，式(1)的连续Fourier变换表示为：

干涉信号的Fourier变换的幅频特性曲线由两个对称的高斯函数组成，函数的对称轴分别位于Ω＝β和Ω＝-β处，***确定后β为一常量，在光频谱分析中，负频率成分没有实际的物理意义，不予考虑，因此，幅频函数和相频函数分别表示为：

A(jΩ)＝1/2F[j(Ω-β)] (4)

从式(5)可以看出相位是频率的线性函数，相位斜率即与被测的外界物理量直接相关，不受干涉级次的影响。如果Ω_j是选择的基准频率，Ω_j的绝对相位表示为：

从干涉级次角度，绝对相位又写成：

其中，φ(Ω_j)是经过离散Fourier变换后得到的相对相位，n为干涉级次。

联立式(6)和式(7)可得：

φ(Ω_j)＝-xΩ_j+2nπ (8)

从式(8)可以看出，相频曲线的截距即是2π的n倍，其中n为基准频率的干涉级次。如此，便可以通过下式得到基准频率的干涉级次：

其中，T是频率-展开后相位经过最小二乘线性拟合后的拟合直线的截距，函数int()为返回最近的整数值，那么，最终得到基准频率的绝对相位可以表示为：

基准频率的绝对相位直接反映距离信息，即F-P传感器的腔长变化信息，实现解调。

如图2所示，为面阵CCD传感器采集到的四个通道的干涉条纹图。同步解调通道数为4个时的面阵CCD采集到的四个通道的干涉条纹图像，因为每个通道的法珀传感器的腔长不同，而不同腔长的法珀传感器在双折射光楔上对应不同光程差匹配位置，故各个通道的干涉条纹在成像光束中的位置也不相同。

如图3所示，为各通道原始数据提取出的强度曲线图。将图2中各通道原始数据提取出来后的强度曲线图，因为各个通道的干涉条纹在成像光束中的位置各不相同，所以原始数据强度曲线图中的干涉条纹数据位置也各不相同，曲线图中除去干涉信号数据其他数据为背景光噪声。

本发明应用举例描述如下：

用基于面阵CCD传感器的多通道同步解调***进行四通道大气压力同步解调实验，将四支光纤法珀传感器放入空气压力舱中，通过压力控制设备调节压力舱中的大气压力，压力设备控制精度为0.02kPa。在压力舱中大气压力变化的过程中，记录各个光纤传感器在每个大气压力下的绝对相位，建立大气压力和各光纤法珀传感器绝对相位之间的标定关系，同时对各光纤法珀传感器在每个大气压力下的绝对相位进行线性拟合得到绝对相位和大气压力之间的对应关系，将相同绝对相位下的标定大气压和线性拟合得到的对应大气压进行作差即可得到各个光纤法珀传感器的在每个大气压力下的解调误差。

如图4所示，为针对各传感器通道的大气压力同步解调实验结果之绝对相位与对应大气压力的关系图。

如图5所示，为针对各传感器通道的大气压力同步解调实验结果之解调误差图。

Claims (1)

1.一种基于面阵CCD的多通道偏振低相干干涉解调方法，应用于基于面阵CCD的多通道偏振低相干干涉解调***，该***包括依次连接的光源（1）、分光器（2）、光纤耦合器（3）、光纤法珀传感器（4）、光纤阵列（5）以及解调***，其中：

所述光源（1）的出射光经过所述分光器（2）平均分为多路的各通道出射光，所述各通道出射光通过各通道对应的所述光纤耦合器（3）进入所述光纤法珀传感器（4）；每个所述光纤法珀传感器（4）导致对应的反射光之间具有光程差，形成各个通道反射回来的信号光；所述信号光通过所述光纤耦合器（3）耦合进入所述光纤阵列（5），同步出射至解调***；

所述解调***包括依次连接的平凸柱面镜（6）、起偏器（7）、双折射光楔（8）、检偏器（9）、面阵CCD传感器（10）和计算机处理单元（11）；所述信号光入射到平凸柱面镜（6），在屈光度子午面方向上进行压缩并使各个通道之间的信号光相互分离，相互分离的信号光经过起偏器（7）转化为线偏光，所述线偏光经过双折射光楔（8）变成相互正交的两束线偏振光并进行光程差匹配，之后，所述相互正交、并进行光程差匹配的两束线偏振光经过所述检偏器（9）进行投影产生干涉并形成干涉条纹，所述面阵CCD传感器（10）同步接收干涉条纹，所述干涉条纹传送至计算机处理单元（11）完成解调；其特征在于，该解调方法的解调过程如下：

首先，于平凸柱面镜屈光度子午线方向上，对面阵CCD传感器采集到的各个通道的干涉条纹整个图像进行一行数据采集；

然后，对采集到的数据使用寻峰算法以及中值滤波算法处理，找出信号强度最强的几个峰值所在的位置，该位置即为对应的各通道的干涉条纹在面阵CCD传感器上的成像位置；

根据此位置信息同步，提取出各个通道的干涉条纹信息；

之后，采用单色频率绝对相位法进行同步解调，即可同步解调各个通道的传感器。

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