基于光谱的光纤法珀压力传感解调方法分析

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1、第一章绪论1．3．1强度解调由Ranade等人最先提出的强度解调法f32】是较早得到应用的一种解调方法。图1．5为法珀腔输出光强与法珀腔腔长之间的关系曲线。当传感器腔长三的变化量很小，变化范围小于旯／4(如图中腔长范围在△的区域内)时，传感器的输出光强J『与腔长三之问为线性关系，若测量出传感器的光强值，，根据光强与腔长之问的关系，就可以解调出传感器的腔长三。f．＆

2、。、／7^．36．08．010．012．014．016．018．019．9腔长／urn图1．5、传感器输出光强与腔长关系强度解调系统的结构如图1．6所示，该系统结构比较简单，主要包括光源

3、、耦合器、传感器以及光电探测器。从理论上讲强度解调法比较简单，只要使系统确保传感器输出光强和腔长之间是一一对应的关系，就可以进行腔长的解调，这使得该方法的解调精度依赖于光源的稳定性，受温度等因素的影响，光源的波长和输出功率都会产生变化，所以强度解调法解调精度通常较低。j镢图1-6、强度解调系统为降低光源输出光强变动对强度解调的影响，王安波等人提出了自补偿式强度解调法f24】。系统结构如图1．7所示。系统中使用宽带光源，传感器的输出光束经过耦合器2后分成两束，一路直接进入光电探测器P2，P2接收到的是各个波长下的光信号即为复色光，另～路经过滤波器筛选

4、后，只有波长为某一特定值兄的光通过，则光电探测器P1接收到的是单色光信号。当光纤法珀腔的腔长上小于波长为Z的单色光的相干长度而又大于复反射光的相干长度时，P2上测量的第一‘章绪论信号即为普通非相干光，可作为参考光源，利用该光源可以对P1探测的单反射光信号进行去噪处理，从而消除光源性质对强度解调的影响。图1．7、自补偿式强度解调系统由于自补偿式强度解调法不易受光源变动、光纤以及光路其他损耗等因素影响，因此能够实现强度自动补偿、达到光纤法珀传感器系统自动校准的目的。该方法结合了强度解调和光源干涉的优点，分辨率高，响应快，受外界影响因素小：但它要求光纤法

5、珀传感器腔长L的总变化范围必须在入／4的线性区间内【33】，因此对传感器的制作工艺要求较高，限制了传感器的测量范围及其应用。1．3．2相位解调相位解调【34】法是通过检测光纤法珀传感器干涉光谱的相位变化135】来实现对被测信号的解调。相位解调系统的光源是宽带光，波长入不再是常数，因此传感器的输出光强，不再是腔长三的单一函数，而与允和Z均有关，即有I=厂(五，上)。相对于强度解调，相位解调的解调装置及算法较复杂，但是所获得的信号涵盖了很多信息，避免了解调算法对于光源性能的依赖，能够很大程度上提高解调精度，在光纤法珀传感器的解调中具有广泛的应用。常用的

6、相位解调法包括傅里叶变换解调法、相关解调法、光谱解调法等。一傅里叶变换解调法傅里叶变换解调法是基于光波频率域的解调方法。如图1．5所示的光纤法珀腔输出特性曲线，假设法珀腔满足双光束干涉条件，即其精细度很低，则法珀腔的输出函数近似为余弦分布，其输出光谱的公式近似为：，：A(1--COS(-掣--))Io，0其中，。为光纤法珀腔的输入光强，由于光波的波长入与光频率、，之间存在关系五=c／v，其中C为光速，则式(1—1)可改写为：，：A(1一c。s(4nnvL))I。(1-2)C因此法珀腔的输出光强就是光波的频率v和腔长三的双值函数。将(1．2)式在光频

7、率域内进行傅里叶变换，得到归一化的频谱分布后，通过确定频谱分布条纹第一章绪论中幅度最大的项对应的频率，就可以获得余弦项的频率厂，由式(1—2)知厂=竺，f则可以求得光纤法珀传感器的腔长。傅里叶变换解调法的系统要求光源为均匀分布的宽带光，光纤法珀传感器要满足双光束干涉条件【36】，即其要有较低的精细度。在使用傅里叶变换法时首先要对传感器信号进行等间隔光频率的采样，然后进行傅里叶变换。在实际工作中的光源都是近似高斯分布的宽带光源，得到光信号等间隔的光频率域采样的方法还不成熟，虽然重庆大学等人对高斯光源条件下的傅里叶变换解调方法进行了研究，将光谱仪采集的

8、光谱数据通过三次样条插值【37】、高斯插值【38】等方法近似为对光频率的均匀采样，但是不仅光源会带来误差，插值过程引入的插值误差也会影响到解调的精度。黄海等136】对于傅里叶解调的算法进行了进一步的研究，从原理上省略了傅里叶变换法提出时的基本假设，使得该方法对于实际的光源和法珀腔的精细度无要求，扩大了其在实际应用中的范围，但文中的解调系统采用的是光谱解调仪，所以从成本和便携性的角度考虑，该方法也具有一定的局限性。一相关解调法相关解调法【39】是利用腔长匹配的原理进行解调的，在解调光路中引入了腔长可以自动调节的参考光纤法珀腔，该法珀腔与光纤法珀传感器

9、的输出信号在光路中发生相关干涉【401，当不断调节参考法珀腔的腔长使相关干涉输出光强最大时，参考法珀腔的腔长即为光纤法珀传