高精度多参量光纤微腔传感系统及其解调方法与流程

文档序号:11130748阅读:1809来源:国知局
高精度多参量光纤微腔传感系统及其解调方法与制造工艺

本发明属于光纤传感技术领域,具体地说是一种适用于海洋环境的多参量检测,如海水的温度、盐度、压强、流速、污染源等,具有重大的科研意义和应用价值的高精度多参量光纤微腔传感系统及其解调方法。

技术背景:

光纤传感器是一种新型的发展迅速的传感器,已越来越广泛的应用于实际生活中。光纤传感器直接使用光纤作为传感介质,可同时实现信号的传感和传输,具有体积小,隐蔽性强,抗电磁干扰,耐腐蚀等优良特性。

光纤微腔传感器通过在光纤上蚀刻一定形状的微腔结构,实现外界物理量的传感。经过不同封装的微腔传感器可以实现对不同的物理参数(温度、盐度、压强、速度等)的测量,同时避免交叉敏感。通过强度解调法和相位解调法,可实现外界物理量的传感,其中强度解调法容易受到外界环境和光源光强波动的影响,稳定性较差,相位解调法灵敏度高,需要通过测量传感器的光谱实现传感。

要获取传感器的光谱数据,实验室通常使用光谱仪,这样大大降低了测量速度,在测量时间要求较高的环境下,需要使用扫描光源的方式实现传感器光谱数据的获取。

微腔传感器的数据处理方法主要分为两大部分,第一部分为中心波长的获取,获取到中心波长后,进行第二部分外界物理量的检测。

有多种获取光谱数据中心波长的方法,最简单的是对光谱数据直接寻峰,此方法使用某个波长范围内的谷值(峰值)作为中心波长所在的位置。用洛伦兹拟合法寻找中心波长时,使用拟合结果中的参数之一作为光谱数据的中心波长。

寻峰法具有快速简单的优势,缺点是受噪声影响较大,谷值(峰值)周围的噪声可以极大的影响找到的中心波长值,造成检测误差,即使通过一定的去噪技术进行数据平滑,当采集信号信噪比较低时,也会有很大的检测误差,一般情况下只有确定信号信噪比较高时才选用寻峰法;洛伦兹拟合得到中心波长的方法对噪声敏感度较低,但是对拟合参数的初值要求较高,当初值选取不合适时,会导致拟合误差的增大,甚至导致拟合失败,其原因是在搜索参数空间时陷入了局部最优解而非全局最优解。



技术实现要素:

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足,提出了一种适用于海洋环境的多参量检测,如海水的温度、盐度、压强、流速、污染源等,具有重大的科研意义和应用价值的高精度多参量光纤微腔传感系统及其解调方法。

本发明可以通过以下措施达到:

一种高精度多参量光纤微腔传感系统,其特征在于设有宽带光源、可调谐滤波器、分光比为1:9的1*2光耦合器、环形器、多路光开关、PIN探测器、控制电路、触发源、DAQ模块、信号处理电路,其中宽带光源输出的光信号经可调谐滤波器处理后送入分光比为1:9的1*2光耦合器,可调谐滤波器的输出光信号经耦合器分为两束,其中比例较小的光信号直接被PIN探测,比例较大的光信号经过环形器和多路光开关,分时作用于多路光开关输出端所连接的传感器。

本发明中宽带光源波长覆盖范围为1500nm~1600nm,可调谐滤波器波长范围与之对应,滤波器的触发频率为200~400Hz可调。

本发明中使用两个PIN同时探测光源光谱与传感器光谱,在进行数据采集后,先将数据进行取对数操作,然后将光源光谱作为参考信号,传感器光谱减去光源光谱,以消除光源光谱波动对传感器光谱造成的影响,以下所述的传感器光谱,均为消除光源光谱影响之后的光谱。

本发明还提出了一种高精度多参量光纤微腔传感系统的解调方法,其特征在于在获取多个传感器的光谱数据时,采用时分复用的方式,宽带光源发出的连续光经可调谐滤波器后输出,然后再由光耦合器一分为二,其中占比少的一路光直接进入PIN探测器,占比大的一束光则通过环形器和多路光开关传输至传感器,传感器的光谱数据经多路光开关和环形器返回,到达PIN探测器,两路光信号分别作为信号光和参考光被采集卡DAQ模块采集,并进行下一步信号处理工作;其中时分复用时的同步信号由控制电路产生,在控制电路切换多路光开关的同时,向触发源发出触发使能信号,触发信号控制可调谐滤波器的调谐频率,同时产生信号采集卡需要的外触发源;多路光开关每切换一次,采集卡采集一次相应位置的传感器光谱数据,假设光开关的切换频率为f,当连接n个传感器时,一次完整的采集包含所有n个传感器,其耗时为(n/f)秒。

本发明使用两个PIN同时探测光源光谱与传感器光谱,在进行数据采集后,先将数据进行取对数操作,然后将光源光谱作为参考信号,传感器光谱减去光源光谱,以消除光源光谱波动对传感器光谱造成的影响。

本发明采用寻峰法、洛伦兹拟合法相结合的中心波长获取方法,以寻峰法为基础,结合洛伦兹曲线的实际物理意义和采集数据的表现形式,给出了一般化的参数初值及边界设置方法,具体如下:

设曲线1为某条采集到的光谱曲线,整条曲线以中心波长为对称轴,大致呈两侧高中间低的对称分布;

直线2为光谱曲线的最大值位置,与x轴平行;

直线3为光强为0的位置,与x轴平行;

直线4为光谱曲线的起始波长位置,与y轴平行,上与直线3相交,下与直线2相交;

直线5为光谱曲线的终止波长位置,与y轴平行,上与直线3相交,下与曲线1相交;

6为曲线波谷所在位置;

根据以上描述,洛伦兹拟合时参数的界限与初值设置方法如下:

洛伦兹曲线的表达式及其对应的物理意义:

要拟合的参数为y0、A、w、xc,它们的物理意义分别为:

y0:洛伦兹曲线的渐近线;

A:渐近线与洛伦兹曲线之间包围的面积;

w:洛伦兹曲线的半高全宽;

xc:洛伦兹曲线的对称轴(中心波长)。

根据各参数的物理意义,得到以下参数界限和初值的设置规则:

y0的上限为直线3,下限为直线2,初值为(上限+下限)/2;A的上限为曲线1与直线2包围的面积;下限为曲线1与直线3包围的面积;初值为(上限+下限)/2;W的上限值为直线4与直线5之间的横向距离,下限值为0,初值为(上限+下限)/2;xc的上限值为直线5对应的波长,下限值为直线4对应的波长,初值为波谷所在的位置;其中,参数A的上下限使用定积分求解时为负,故曲线1与直线2包围的面积虽然小,但是仍旧是A的上限值。

本发明给出了洛伦兹拟合时四个参数的初值、上下限的设置方法,同时,在传感器光谱出现多个波谷时,同时拟合多组洛伦兹曲线,可得到多组中心波长值,这些中心波长对应的是相同的外界物理量,因此可通过拟合多组一次多项式的方法得到不同中心波长的传感器参数,在最终的使用过程中,则同时检测所有中心波长后求取该中心波长对应的物理量,然后将多组检测结果求平均,得到最终的检测结果。

本发明可实现多路微腔传感器光谱信号的获取,并通过时分复用的方法,快速解调多路物理参量,相较于使用光谱仪获取传感器光谱的方法,提高了实用性。通过结合采集到的光谱数据和洛伦兹曲线的实际物理意义,合理给出拟合参数的初值和上下限,这样,在参数空间的搜索过程中,陷入局部最优的概率便大大降低。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明在洛伦兹拟合时确定参数取值范围的示意图。

图3是一次观测光谱数据的洛伦兹拟合结果。

图4是中心波长与外界物理量(压强)的一次多项式拟合结果。

图5是当有多个中心波长时,光谱曲线随外界物理量(压强)变化的结果。

图6是多个中心波长时,中心波长与外界物理量的一次多项式拟合结果。

具体实施方式

在获取多个传感器的光谱数据时,本发明采用时分复用的方式,如图1所示的总体架构图所示,宽带光源发出的连续光经可调谐滤波器后输出特定波长的光,然后再由耦合器一分为二,其中占比少的一路光直接进入PIN探测器,占比大的一束光则通过环形器和多路光开关传输至传感器,传感器的光谱数据经多路光开关和环形器返回,到达PIN探测器,两路光信号分别作为信号光和参考光被采集卡采集,并进行下一步信号处理工作。时分复用时的同步信号由控制电路产生,在控制电路切换多路光开关的同时,向触发源发出触发使能信号,触发信号控制可调谐滤波器的调谐频率,同时产生信号采集卡需要的外触发源。多路光开关每切换一次,采集卡采集一次相应位置的传感器光谱数据,假设光开关的切换频率为f,当连接n个传感器时,一次完整的采集包含所有n个传感器,其耗时为(n/f)秒。

一般情况下,光谱数据中包含大量的噪声信号,可使用多次累加的方法进行去噪处理,此时需要将n个传感器进行多次完整的扫描,假设累加次数为m,则完成m次累加的采集耗时为(n·m/f)秒。在数据处理时,均假设数据已进行累加。

以下介绍光谱数据的中心波长获取方法。本发明结合了寻峰法、洛伦兹拟合法的中心波长获取方法,既解决了寻峰法受噪声影响大的缺点,又弥补了洛伦兹拟合法对参数初值敏感的缺点,有效解决了拟合法在实际系统应用中可能遇到的问题。

在非线性函数的拟合过程中,如果不给出限制性条件,拟合算法会在整个参数空间范围内搜索参数,不仅效率低,更坏的情况是拟合失败。本发明以寻峰法为基础,结合洛伦兹曲线的实际物理意义和采集数据的表现形式,给出了一般化的参数初值及边界设置方法,经验证,此方法可有效提高拟合的准确度,曲线出现拟合失败的的概率大大降低。

图2所示为本发明给出的参数设置方法。图中标号分别说明如下:

曲线1为某条采集到的光谱曲线,整条曲线以中心波长为对称轴,大致呈两侧高中间低的对称分布。

直线2为光谱曲线的最大值位置,与x轴平行。

直线3为光强为0的位置,与x轴平行。

直线4为光谱曲线的起始波长位置,与y轴平行,上与直线3相交,下与直线2相交。

直线5为光谱曲线的终止波长位置,与y轴平行,上与直线3相交,下与曲线1相交。

6为曲线波谷所在位置。

根据以上描述,洛伦兹拟合时参数的界限与初值设置方法如下:

首先给出洛伦兹曲线的表达式及其对应的物理意义。

要拟合的参数为y0、A、w、xc,它们的物理意义分别为:

y0:洛伦兹曲线的渐近线;

A:渐近线与洛伦兹曲线之间包围的面积;

w:洛伦兹曲线的半高全宽;

xc:洛伦兹曲线的对称轴(中心波长)。

根据各参数的物理意义,得到以下参数界限和初值的设置方法:

需要注意的是,参数A的上下限使用定积分求解时为负,故曲线1与直线2包围的面积虽然小,但是仍旧是A的上限值。

图3所示即为使用以上初值设置方法的拟合结果。

当外界物理量变化时,中心波长也会随之变化,中心波长随外界物理量的变化关系如图4所示(以压强变化为例)。

实际系统经常出现在光源谱宽范围内出现多个中心波长的情况,在外界物理量不变的情况下,这些中心波长对应相同的外界物理量,为提高检测的准确度,可同时寻找所有中心波长的随外界物理量的变化规律,在图5所示的多中心波长(压强)传感器光谱中,共有12个不同的中心波长(对应光谱数据12个波谷位置),图中波谷附近的黑点表示找到的中心波长位置,这些中心波长随着压强的变化会产生红移,所有12个中心波长随压强的变化规律如图6所示。

图6中的12条直线的斜率和截距各不相同,说明不同中心波长下传感器的灵敏度不同。传感器的灵敏度与其制作工艺关系密切。在实际系统中,在检测到12个中心波长后,将波长值分别带入该中心波长对应的直线方程中,可得到12个不同中心波长下检测到的温度,最终使用这12个温度值的均值作为实际检测值输出。

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