解调相移光栅中心波长与相移量的方法、装置和系统与流程

本发明属于光纤传感领域，尤其涉及一种解调相移光栅中心波长与相移量的方法、装置和系统。

背景技术：

相移光纤光栅是一种非均匀光纤光栅，通过在均匀光栅轴向折射率调制中引入相位突变形成的特殊光栅。近年来，相移光纤光栅在窄带滤波器、光纤激光器、光纤传感等领域都得到了广泛研究和应用。现有的研究只是分析相移量大小、相移位置对光栅反射谱的影响，但是反过来由相移光栅反射谱反推相移光栅中心波长、相移量大小却未有人深入研究。

在相移光纤光栅的反射谱中会出现一个或者多个线宽极窄的透射窗口，由于窄带透射窗口的存在，无法直观得到相移光栅中心波长、相移光栅相移量的大小。因此，目前的方法无法有效的对解调相移光纤中心波长及相移量的大小进行解调。

技术实现要素：

本发明提供了一种解调相移光栅中心波长与相移量的方法、装置和系统，旨在解决无法有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调的问题。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，本发明提供了一种解调相移光栅中心波长与相移量的方法，所述方法包括：

步骤a：利用寻峰算法对待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，得到所述待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长；

步骤b：利用比较算法对所述待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长进行计算，得到所述待解调相移光栅的反射谱数据中反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的反射率最小值对应的波长；

步骤c：利用截波算法，从所述待解调相移光栅的反射谱数据中，移除所述反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的光谱数据，以得到截波后的待解调相移光栅的反射谱数据；

步骤d：利用数据拟合算法，对所述截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合以得到预设参数的值；

步骤e：将所述预设参数的值分别带入预设的中心波长计算公式和预设的3db带宽计算公式中进行计算，以得到所述待解调相移光栅的中心波长和3db带宽；

步骤f：基于所述窄带透射峰的反射率最小值对应的波长、所述待解调相移光栅的中心波长和3db带宽，进行相移量分析以得到所述待解调相移光栅的相移量。

进一步地，当所述步骤d中，所述数据拟合算法采用二次函数拟合算法时，则所述步骤e之前还包括：

若在所述截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中，反射率最大峰峰值波长λa大于反射率次大峰峰值波长λb时，则由所述反射率次大峰峰值波长λb在反射谱中向左寻找第一个反射率极小值点的对应波长λx，由所述反射率最大峰峰值波长λa在反射谱中向右寻找第一个反射率极小值点的对应波长λy；

若在所述截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中，所述反射率最大峰峰值波长λa小于所述反射率次大峰峰值波长λb时，则由所述反射率最大峰峰值波长λa在反射谱中向左寻找第一个反射率极小值点的对应波长λx，由所述反射率次大峰峰值波长λb在反射谱中向右寻找第一个反射率极小值点的对应波长λy；

移除所述截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中波长值小于λx的光谱数据，移除所述截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中波长值大于λy的光谱数据，将余下的光谱数据作为优化截波后的待解调相移光栅的反射谱数据。

进一步地，若所述数据拟合算法为二次函数拟合算法，则所述步骤d具体包括：

利用所述二次函数拟合算法，对所述优化截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合，以得到二次项系数a、一次项系数b以及常数项c；

或者；

若所述数据拟合算法为高斯函数拟合算法，则在步骤c后，所述步骤d具体包括：

利用所述高斯函数拟合算法，对所述截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合，以得到方程系数b、以及拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的位置参数μ和分布离散程度描述参数σ

进一步地，若所述步骤d中采用所述二次函数拟合算法，则所述步骤e具体包括：

将所述二次项系数a、一次项系数b以及常数项c分别带入所述预设的中心波长计算公式(3)和预设的3db带宽计算公式(4)中进行计算，得到所述待解调相移光栅的中心波长λd和所述3db带宽δλ，计算公式如下：

λd＝-b/2a(3)

或者；

若所述步骤d中采用所述高斯函数拟合算法，则所述步骤e具体包括：

将所述方程系数b、以及所述拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的位置参数μ和分布离散程度描述参数σ，分别带入所述预设的中心波长计算公式(5)和预设的3db带宽计算公式(6)中进行计算，得到所述待解调相移光栅的中心波长λd和所述3db带宽δλ，计算公式如下：

λd＝μ(5)

进一步地，所述步骤f中，所述待解调相移光栅的相移量计算公式如下：

其中，表示所述待解调相移光栅的相移量，k表示相移灵敏度，c表示方程常数项，λc表示所述窄带透射峰的反射率最小值对应的波长，λd表示所述待解调相移光栅的中心波长，δλ表示所述3db带宽。

本发明还提供了一种解调相移光栅中心波长与相移量的数据处理装置，所述装置包括：

寻峰算法模块，用于利用寻峰算法对待解调相移光栅的反射谱数据进行计算得到所述待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长；

比较算法模块，用于利用比较算法对所述待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长进行计算，得到所述待解调相移光栅的反射谱中反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的反射率最小值对应的波长；

截波算法模块，用于利用截波算法，移除所述待解调相移光栅的反射谱数据中反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的光谱数据，以得到截波后的待解调相移光栅的反射谱数据；

数据拟合模块，用于利用数据拟合算法，对所述截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合以得到预设参数的值；

数据分析模块，用于将所述预设参数的值分别带入预设的中心波长计算公式和预设的3db带宽计算公式中进行计算，以得到所述待解调相移光栅的中心波长和3db带宽；

相移量分析模块，用于基于所述窄带透射峰的反射率最小值对应的波长、所述待解调相移光栅的中心波长和3db带宽，进行相移量分析以得到所述待解调相移光栅的相移量。

进一步地，当所述数据拟合模块中，所述数据拟合算法采用二次函数拟合算法时，则所述截波算法模块具体用于：

若所述待解调相移光栅的反射谱中反射率最大峰峰值波长λa大于所述反射率次大峰峰值波长λb时，则由所述反射率次大峰峰值波长λb在反射谱中向左寻找第一个反射率极小值点的对应波长λx，由所述反射率最大峰峰值波长λa在反射谱中向右寻找第一个反射率极小值点的对应波长λy；

若所述待解调相移光栅的反射谱中反射率最大峰峰值波长λa小于所述反射率次大峰峰值波长λb时，则由所述反射率最大峰峰值波长λa在反射谱中向左寻找第一个反射率极小值点的对应波长λx，由所述反射率次大峰峰值波长λb在反射谱中向右寻找第一个反射率极小值点的对应波长λy；

移除所述待解调相移光栅的反射谱中波长值小于λx的光谱数据，移除所述待解调相移光栅的反射谱中波长值大于λy的光谱数据，将余下的光谱数据作为所述截波后的待解调相移光栅的反射谱数据。

本发明还提供了一种解调相移光栅中心波长与相移量的系统，所述系统包含上述的数据处理装置；所述系统还包括光源单元、相移光栅单元、光耦合单元以及光谱采集单元；

所述光源单元的输出端口与所述光耦合单元的第一端口连接；

所述相移光栅单元的输入端口与所述光耦合单元的第二端口连接；

所述光耦合单元的第三端口与所述光谱采集单元的输入端口连接；

所述光谱采集单元的输出端口与所述数据处理装置的输入端口连接；

所述光源单元，用于发出照射光，所述照射光传输至所述光耦合单元；

所述光耦合单元，用于将所述照射光传输至所述相移光栅单元；

所述相移光栅单元，用于将所述照射光反射以形成所述待解调相移光栅的反射谱，所述待解调相移光栅的反射谱传输至所述光耦合单元；

所述光耦合单元，还用于将所述待解调相移光栅的反射谱传输至所述光谱采集单元；

所述光谱采集单元，用于采集所述待解调相移光栅的反射谱数据，所述反射谱数据传输至所述数据处理装置；

所述数据处理装置，用于利用所述待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，以得到所述待解调相移光栅的中心波长以及相移量。

进一步地，所述数据处理装置，还用于将得到的所述待解调相移光栅的中心波长和3db带宽传输至所述光谱采集单元；

所述光谱采集单元，还用于利用所述待解调相移光栅的中心波长和3db带宽确定数据采集的波长范围和数据采集精度。

进一步地，所述数据处理装置为安装有数据处理软件的智能终端、dsp芯片、fpga芯片或单片机中的任意一种。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明所提供的同时解调相移光栅中心波长与相移量的方法，利用待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，以得到所述待解调相移光栅的中心波长以及相移量，从而解决了无法有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调的问题，进而可以利用该中心波长与相移量对外界物理量变化的响应差异进行传感应用。

附图说明

图1是本发明第一个实施例提供的同时解调相移光栅中心波长与相移量的方法流程图；

图2是本发明第三个实施例提供的同时解调相移光栅中心波长与相移量的数据处理装置示意图；

图3是本发明第四个实施例提供的同时解调相移光栅中心波长与相移量的数据处理装置示意图；

图4是本发明第五个实施例提供的同时解调相移光栅中心波长与相移量的系统示意图；

图5是本发明第六个实施例提供的同时解调相移光栅中心波长与相移量的系统示意图；

图6是本发明第七个实施例提供的同时解调相移光栅中心波长与相移量的系统示意图；

图7是本发明第七个实施例提供的进行相移光栅解调过程中的相移光栅的原始反射谱；

图8是本发明第七个实施例提供的进行相移光栅解调过程中经过截波之后的相移光栅的反射谱；

图9是本发明第七个实施例提供的进行相移光栅解调过程中数据拟合公式的图像；

图10是本发明第八个实施例提供的进行相移光栅解调过程中经过数值模拟得到的相移光栅反射谱；

图11是本发明第八个实施例提供的进行相移光栅解调过程中经过截波之后的相移光栅反射谱；

图12是本发明第八个实施例提供的进行相移光栅解调过程中数据拟合公式的图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

作为本发明的第一个实施例，如图1所示，本发明提供的一种解调相移光栅中心波长与相移量的方法，该方法包括：

步骤s101：利用寻峰算法对待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，得到该待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长。

步骤s102：利用比较算法对该待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长进行计算，得到该待解调相移光栅的反射谱数据中反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的反射率最小值对应的波长。

步骤s103：利用截波算法，从该待解调相移光栅的反射谱数据中，移除上述反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的光谱数据，以得到截波后的待解调相移光栅的反射谱数据。

步骤s104：利用数据拟合算法，对截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合以得到预设参数的值。

步骤s105：将上述预设参数的值分别带入预设的中心波长计算公式和预设的3db带宽计算公式中进行计算，以得到所述待解调相移光栅的中心波长和3db带宽。

步骤s106：基于上述窄带透射峰的反射率最小值对应的波长、待解调相移光栅的中心波长和3db带宽，进行相移量分析以得到该待解调相移光栅的相移量。

综上所述，本发明第一个实施例所提供的方法，利用待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，以得到所述待解调相移光栅的中心波长以及相移量，从而解决了无法有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调的问题，进而可以利用该中心波长与相移量对外界物理量变化的响应差异进行传感应用。

作为本发明的第二个实施例，如图1所示，本发明提供的一种解调相移光栅中心波长与相移量的方法，该方法包括：

步骤s101：利用寻峰算法对待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，得到该待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长。

步骤s102：利用比较算法对该待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长进行计算，得到该待解调相移光栅的反射谱数据中反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的反射率最小值对应的波长。在步骤s102中，该比较算法为冒泡排序、直接插入排序或选择排序算法中的任意一种。

步骤s103：利用截波算法，从该待解调相移光栅的反射谱数据中，移除上述反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的光谱数据，以得到截波后的待解调相移光栅的反射谱数据。需要说明的是，当在下述步骤104中，采用的数据拟合算法为二次函数拟合算法时，则此时步骤s103在得到截波后的待解调相移光栅的反射谱数据的基础上，还需要对该截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行进一步的截波操作，以得到优化截波后的待解调相移光栅的反射谱数据。此时，在步骤s104之前，还包括以下步骤：

s103-1：若在截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中，反射率最大峰峰值波长λa大于反射率次大峰峰值波长λb时，则由反射率次大峰峰值波长λb在反射谱中向左寻找第一个反射率极小值点的对应波长λx，由反射率最大峰峰值波长λa在反射谱中向右寻找第一个反射率极小值点的对应波长λy；

或者，

s103-1：若在截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中，反射率最大峰峰值波长λa小于反射率次大峰峰值波长λb时，则由反射率最大峰峰值波长λa在反射谱中向左寻找第一个反射率极小值点的对应波长λx，由反射率次大峰峰值波长λb在反射谱中向右寻找第一个反射率极小值点的对应波长λy。

s103-2：移除截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中波长值小于λx的光谱数据，移除截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中波长值大于λy的光谱数据，将余下的光谱数据作为优化截波后的待解调相移光栅的反射谱数据。

步骤s104：利用数据拟合算法，对截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合以得到预设参数的值。在步骤s104中，数据拟合算法为二次函数拟合算法或高斯函数拟合算法中的任意一种。当为高斯函数拟合算法时，则对截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合以得到预设参数的值；当为二次函数拟合算法时，则对优化截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合以得到预设参数的值。

当步骤s104采用二次函数拟合算法时，则步骤s104具体包括：

利用二次函数拟合算法，对优化截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合，以得到二次项系数a、一次项系数b以及常数项c。

进一步地，在步骤s104中得到二次项系数a、一次项系数b以及常数项c之后，可进一步得出波长与反射率之间的映射公式(1)，如下：

r＝aλ²+bλ+c(1)

其中，r表示待解调相移光栅的反射率，λ表示波长，a表示二次项系数，b表示一次项系数，c表示常数项。

或者；

当步骤s104采用高斯函数拟合算法时，则步骤s104具体包括：

利用高斯函数拟合算法，对截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合，以得到拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的位置参数μ和分布离散程度描述参数σ、方程系数a、方程系数b以及常数项d。

进一步地，在步骤s104中得到的拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的位置参数μ和分布离散程度描述参数σ、方程系数a、方程系数b以及常数项d之后，可进一步得出波长与反射率之间的映射公式(2)，如下：

其中，r表示待解调相移光栅的反射率，λ表示波长，μ表示拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的位置参数(即公式(2)的位置参数)、σ表示拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的分布离散程度描述参数(即公式(2)的分布离散程度描述参数)，a、b表示方程系数，d表示常数项。

步骤s105：将步骤s104中得到的预设参数的值分别带入预设的中心波长计算公式和预设的3db带宽计算公式中进行计算，以得到所述待解调相移光栅的中心波长和3db带宽。

需要说明的是，当步骤s104中采用二次函数拟合算法时，本发明实施例利用上述的波长与反射率之间的映射公式(1)，进一步推导出预设的中心波长计算公式(3)和预设的3db带宽计算公式(4)。当步骤s104中采用高斯函数拟合算法时，本发明实施例利用上述的波长与反射率之间的映射公式(2)，进一步推导出预设的中心波长计算公式(5)和预设的3db带宽计算公式(6)。

当步骤s104中采用二次函数拟合算法时，则步骤s105具体包括：

将二次项系数a、一次项系数b以及常数项c分别带入预设的中心波长计算公式(3)和预设的3db带宽计算公式(4)中进行计算，得到待解调相移光栅的中心波长λd和3db带宽δλ，计算公式如下：

λd＝-b/2a(3)

或者；

当步骤s104中采用高斯函数拟合算法时，则步骤s105具体包括：

将方程系数b、以及拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的位置参数μ和分布离散程度描述参数σ，分别带入预设的中心波长计算公式(5)和预设的3db带宽计算公式(6)中进行计算，得到待解调相移光栅的中心波长λd和3db带宽δλ，计算公式如下：

λd＝μ(5)

步骤s106：基于上述窄带透射峰的反射率最小值对应的波长、待解调相移光栅的中心波长和3db带宽，进行相移量分析以得到该待解调相移光栅的相移量。该待解调相移光栅的相移量计算公式如下：

其中，表示待解调相移光栅的相移量，k表示相移灵敏度，c表示方程常数项，λc表示窄带透射峰的反射率最小值对应的波长，λd表示待解调相移光栅的中心波长，δλ表示所述3db带宽。

需要说明的是，根据步骤s106中得到的待解调相移光栅的相移量可以预先计算得到多种相移光栅的相移量然后根据每种相移光栅的相移量大小，来确定步骤s104中选择哪种数据拟合算法比较合适，对于不同大小的相移量，采用不同的拟合算法可能得到的精度不同。

综上所述，本发明第二个实施例所提供的方法，利用待解调相移光栅的反射谱数据，进行寻峰、截波、拟合、计算等一系列步骤，以得到待解调相移光栅的中心波长以及相移量，因此可以实现对相移光栅实时快速的分析，且具有更加高效、稳定的特点。在解决了无法有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调的问题同时，可以进一步利用该中心波长与相移量对外界物理量变化的响应差异进行传感应用。

作为本发明的第三个实施例，如图2所示，本发明提供的一种解调相移光栅中心波长与相移量的数据处理装置，该装置包括：

寻峰算法模块101，用于利用寻峰算法对待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，得到该待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长。

比较算法模块102，用于利用比较算法对该待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长进行计算，得到该待解调相移光栅的反射谱数据中反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的反射率最小值对应的波长。

截波算法模块103，用于利用截波算法，从该待解调相移光栅的反射谱数据中，移除上述反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的光谱数据，以得到截波后的待解调相移光栅的反射谱数据。

数据拟合模块104，用于利用数据拟合算法，对截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合以得到预设参数的值。

数据分析模块105，用于将上述预设参数的值分别带入预设的中心波长计算公式和预设的3db带宽计算公式中进行计算，以得到所述待解调相移光栅的中心波长和3db带宽。

相移量分析模块106，用于基于上述窄带透射峰的反射率最小值对应的波长、待解调相移光栅的中心波长和3db带宽，进行相移量分析以得到该待解调相移光栅的相移量。

综上所述，本发明第三个实施例所提供的数据处理装置，该装置利用待解调相移光栅的反射谱数据，各模块依次进行寻峰、截波、拟合、计算等一系列操作，以得到待解调相移光栅的中心波长以及相移量，因此可以实现对相移光栅实时快速的分析，且具有更加高效、稳定的特点。在解决了无法有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调的问题同时，可以进一步利用该中心波长与相移量对外界物理量变化的响应差异进行传感应用。

作为本发明的第四个实施例，如图3所示，本发明提供的一种解调相移光栅中心波长与相移量的数据处理装置，该装置包括：

寻峰算法模块101，用于利用寻峰算法对待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，得到该待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长。

比较算法模块102，用于利用比较算法对该待解调相移光栅的反射谱数据中各反射峰峰值波长进行计算，得到该待解调相移光栅的反射谱数据中反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的反射率最小值对应的波长。该比较算法模块102中的比较算法为冒泡排序、直接插入排序或选择排序算法中的任意一种。

截波算法模块103，用于利用截波算法，从该待解调相移光栅的反射谱数据中，移除上述反射率最大峰峰值波长与反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的光谱数据，以得到截波后的待解调相移光栅的反射谱数据。当数据拟合模块104中，采用的数据拟合算法为二次函数拟合算法时，则截波算法模块103还用于：

若在截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中，反射率最大峰峰值波长λa大于反射率次大峰峰值波长λb时，则由反射率次大峰峰值波长λb在反射谱中向左寻找第一个反射率极小值点的对应波长λx，由反射率最大峰峰值波长λa在反射谱中向右寻找第一个反射率极小值点的对应波长λy；

或者，

若在截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中，反射率最大峰峰值波长λa小于反射率次大峰峰值波长λb时，则由反射率最大峰峰值波长λa在反射谱中向左寻找第一个反射率极小值点的对应波长λx，由反射率次大峰峰值波长λb在反射谱中向右寻找第一个反射率极小值点的对应波长λy。

移除截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中波长值小于λx的光谱数据，移除截波后的待解调相移光栅的反射谱数据中波长值大于λy的光谱数据，将余下的光谱数据作为优化截波后的待解调相移光栅的反射谱数据。

数据拟合模块104，用于利用数据拟合算法，对截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合以得到预设参数的值。数据拟合模块104中采用的数据拟合算法为二次函数拟合算法或高斯函数拟合算法中的任意一种。

当104采用二次函数拟合算法时，则数据拟合模块104具体用于：

利用二次函数拟合算法，对优化截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合，以得到二次项系数a、一次项系数b以及常数项c。

进一步地，在数据拟合模块104得到二次项系数a、一次项系数b以及常数项c之后，可进一步得出波长与反射率之间的映射公式(1)，如下：

r＝aλ²+bλ+c(1)

其中，r表示待解调相移光栅的反射率，λ表示波长，a表示二次项系数，b表示一次项系数，c表示常数项。

或者，

当104采用高斯函数拟合算法时，则数据拟合模块104具体用于：

利用高斯函数拟合算法，对截波后的待解调相移光栅的反射谱数据进行数据拟合，以得到拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的位置参数μ和分布离散程度描述参数σ、方程系数a、方程系数b以及常数项d。

进一步地，在104中得到拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的位置参数μ和分布离散程度描述参数σ、方程系数a、方程系数b以及常数项d之

后，104可进一步得出波长与反射率之间的映射公式(2)，如下：

其中，r表示待解调相移光栅的反射率，λ表示波长，μ表示拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的位置参数(即公式(2)的位置参数)、σ表示拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的分布离散程度描述参数(即公式(2)的分布离散程度描述参数)，a、b表示方程系数，d表示常数项。

数据分析模块105，用于将上述预设参数的值分别带入预设的中心波长计算公式和预设的3db带宽计算公式中进行计算，以得到待解调相移光栅的中心波长和3db带宽。

需要说明的是，当104中采用二次函数拟合算法时，本发明实施例利用上述的波长与反射率之间的映射公式(1)，进一步推导出预设的中心波长计算公式(3)和预设的3db带宽计算公式(4)。当104中采用高斯函数拟合算法时，本发明实施例利用上述的波长与反射率之间的映射公式(2)，进一步推导出预设的中心波长计算公式(5)和预设的3db带宽计算公式(6)。

当104中采用二次函数拟合算法时，则数据分析模块105具体用于：

将二次项系数a、一次项系数b以及常数项c分别带入预设的中心波长计算公式(3)和预设的3db带宽计算公式(4)中进行计算，得到待解调相移光栅的中心波长λd和3db带宽δλ，计算公式如下：

λd＝-b/2a(3)

或者，

当104中采用高斯函数拟合算法时，则数据分析模块105具体用于：

将方程系数b、以及拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线的位置参数μ和分布离散程度描述参数σ，分别带入预设的中心波长计算公式(5)和预设的3db带宽计算公式(6)中进行计算，得到待解调相移光栅的中心波长λd和3db带宽δλ，计算公式如下：

λd＝μ(5)

相移量分析模块106，用于基于上述窄带透射峰的反射率最小值对应的波长、待解调相移光栅的中心波长和3db带宽，进行相移量分析以得到该待解调相移光栅的相移量。相移量分析模块106中，待解调相移光栅的相移量计算公式如下：

其中，表示待解调相移光栅的相移量，k表示相移灵敏度，c表示方程常数项，λc表示窄带透射峰的反射率最小值对应的波长，λd表示待解调相移光栅的中心波长，δλ表示所述3db带宽。

需要说明的是，根据106中得到的待解调相移光栅的相移量可以预先计算得到多种相移光栅的相移量然后根据每种相移光栅的相移量大小，来确定104中选择哪种数据拟合算法比较合适，对于不同大小的相移量，采用不同的拟合算法可能得到的精度不同。在本实施例中，相移量分析模块106将得到的待解调相移光栅的相移量反馈给数据拟合模块104，以便数据拟合模块104若干次反馈的相移量自动进行优化判断，最终自动选择适合的数据拟合算法进行计算。

综上所述，本发明第四个实施例所提供的数据处理装置，该装置利用待解调相移光栅的反射谱数据，各模块依次进行寻峰、截波、拟合、计算等一系列操作，以得到待解调相移光栅的中心波长以及相移量，因此可以实现对相移光栅实时快速的分析，且具有更加高效、稳定的特点。在解决了无法有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调的问题同时，可以进一步利用该中心波长与相移量对外界物理量变化的响应差异进行传感应用。

作为本发明的第五实施例，如图4所示，本发明提供的一种解调相移光栅中心波长与相移量的系统，该系统包含上述的数据处理装置10；该系统还包括光源单元20、光耦合单元30、相移光栅单元40以及光谱采集单元50。

光源单元20的输出端口与光耦合单元30的第一端口连接；相移光栅单元40的输入端口与光耦合单元30的第二端口连接；光耦合单元30的第三端口与光谱采集单元50的输入端口连接；光谱采集单元50的输出端口与数据处理装置10的输入端口连接。

光源单元20，用于发出照射光，该照射光传输至光耦合单元30；

光耦合单元30，用于将上述照射光传输至相移光栅单元40；

相移光栅单元40，用于将上述照射光反射以形成待解调相移光栅的反射谱，该待解调相移光栅的反射谱传输至光耦合单元30；

光耦合单元30，还用于将待解调相移光栅的反射谱传输至光谱采集单元50；

光谱采集单元50，用于采集待解调相移光栅的反射谱数据，反射谱数据传输至数据处理装置10；

数据处理装置10，用于利用该待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，以得到该待解调相移光栅的中心波长以及相移量。

综上所述，本发明第五个实施例所提供系统，包括上述的数据处理装置，该装置利用待解调相移光栅的反射谱数据，各模块依次进行寻峰、截波、拟合、计算等一系列操作，以得到待解调相移光栅的中心波长以及相移量。因此采用该数据处理装置的系统，可以实现对相移光栅实时快速的分析，且具有更加高效、稳定的特点。在解决了无法有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调的问题同时，可以进一步利用该中心波长与相移量对外界物理量变化的响应差异进行传感应用。同时，该系统还包括光源单元、光耦合单元、相移光栅单元以及光谱采集单元，各个元件之间的连接结构简单，使得制作成本降低，且灵活性更高。

作为本发明的第六实施例，如图5所示，本发明提供的一种解调相移光栅中心波长与相移量的系统，该系统包含上述的数据处理装置10；该系统还包括光源单元20、光耦合单元30、相移光栅单元40以及光谱采集单元50。该系统中各元件连接结构如下：

光源单元20的输出端口与光耦合单元30的第一端口连接；相移光栅单元40的输入端口与光耦合单元30的第二端口连接；光耦合单元30的第三端口与光谱采集单元50的输入端口连接；光谱采集单元50的输出端口与数据处理装置10的输入端口连接；且光谱采集单元50的输入端口与数据处理装置10的输出端口连接。

该系统中各元件之间的光路传输过程如下：

光源单元20，用于发出照射光，该照射光传输至光耦合单元30。光源单元20为受激自发辐射光栅光源、超连续光源、可调谐激光器或扫描激光器中的任意一种。

光耦合单元30，用于将上述照射光传输至相移光栅单元40。光耦合单元30为光栅环形器、星型光栅耦合器或树型光栅耦合器中的任意一种。

相移光栅单元40，用于将上述照射光反射以形成待解调相移光栅的反射谱，该待解调相移光栅的反射谱传输至光耦合单元30。相移光栅单元40为具有相移的石英光栅光栅、塑料光栅光栅或波导光栅中的任意一种。

光耦合单元30，还用于将待解调相移光栅的反射谱进行分路，将其中一路的待解调相移光栅的反射谱传输至光谱采集单元50。

光谱采集单元50，用于采集待解调相移光栅的反射谱数据，反射谱数据传输至数据处理装置10。光谱采集单元50为衍射光栅光谱仪、棱镜光谱仪、干涉光谱仪、微型光谱仪或光栅解调仪中的任意一种。

数据处理装置10，用于利用该待解调相移光栅的反射谱数据进行计算，以得到该待解调相移光栅的中心波长以及相移量。数据处理装置10为安装有数据处理软件的智能终端、dsp芯片、fpga芯片或单片机中的任意一种。

数据处理装置10，还用于将得到的待解调相移光栅的中心波长和3db带宽传输至光谱采集单元50；

光谱采集单元50，还用于利用待解调相移光栅的中心波长和3db带宽确定数据采集的波长范围和数据采集精度，以便实时进行调控。

本发明可以实现相移光栅中心波长与相移量双参数传感，利用中心波长与相移量对外界物理量变化的响应差异进行传感应用。值得说明的是虽然有研究报道利用相移光栅窄带透射峰进行传感应用，但是与本发明中涉及的相移光栅中心波长与相移光栅窄带透射峰并不相同。

综上所述，本发明第六个实施例所提供的系统包括上述的数据处理装置，该装置利用待解调相移光栅的反射谱数据，各模块依次进行寻峰、截波、拟合、计算等一系列操作，以得到待解调相移光栅的中心波长以及相移量。因此采用该数据处理装置的系统，可以实现对相移光栅实时快速的分析，简单高效的计算出相移光栅中心波长及相移量，且具有更加稳定的特点。在解决了无法有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调的问题同时，可以进一步利用该中心波长与相移量对外界物理量变化的响应差异进行传感应用。同时，该系统还包括光源单元、光耦合单元、相移光栅单元以及光谱采集单元，各个元件之间的连接结构简单，使得制作成本降低。

作为本发明的第七个实施例，如图6所示，本实施例提供了解调相移光栅中心波长与相移量的系统。该系统采用电脑作为数据处理装置10、采用低偏全宽带受激自发辐射光源(ase)作为光源单元20、采用光纤环形器作为光耦合单元30、采用使用飞秒激光逐线法写制的相移光纤光栅作为相移光栅单元40、采用光谱仪(osa)作为光谱采集单元50。首先将光纤环形器第一端口b1连接光源的输出端口a，光纤环形器第二端口b2连接相移光栅输入端口c。光纤环形器第三端口b3连接光谱仪的输入端口d1，将光谱仪输出端口d2连接电脑的输入端口e。光源的出射光经光纤环形器传导进入相移光栅，经相移光栅反射再次由光纤环形器传导进入光谱仪，由光谱仪接收、采集相移光栅光谱信号。为减少反射光的干扰信号，将相移光栅尾端光纤进行一定处理，减少光纤端面反射。

通过光谱仪采集的光谱数据，由光谱仪输出端口d2导入到电脑中，得到相移光栅原始反射光谱。图7是本实施例中使用的相移光栅的反射光谱图。对反射光谱进行手动寻峰，手动寻找相移光栅反射谱中反射率最大峰峰值波长，手动寻找相移光栅反射谱中反射率次大峰峰值波长，得到反射率最大峰峰值波长为λa＝1549.96，其相对应的反射率为0.99，反射率次大峰峰值波长为λb＝1549.34，其相对应的反射率为0.59。确定两峰位置之后，进行两峰之间窄带透射峰的反射率最小值对应的波长的提取，本实例中此处波长为λc＝1549.59。之后进行截波，将反射率最大峰峰值波长λa＝1549.96与反射率次大峰峰值波长λb＝1549.34之间的光谱数据移除，如图8所示，为移除窄带透射峰光谱数据之后的相移光栅反射谱。如图9所示，为对截波之后的数据进行高斯拟合，拟合方程的图像(即拟合生成的波长与反射率之间的映射曲线)如图9中较平滑的线所示，在拟合后得到各预设参数值的基本上，该波长与反射率之间的映射曲线的表达公式(即波长与反射率之间的映射公式)如下所示:

对上述波长与反射率之间的映射公式(8)进行数据分析推导出采用公式(5)和公式(6)进行中心波长与相移量的计算。最终由中心波长解调公式(5)(即：上述预设的中心波长计算公式(5))、3db带宽解调方程(6)(即：上述预设的3db带宽计算公式(6))计算得到相移光栅中心波长λd＝1549.77，3db带宽δλ＝0.84。这与相移光栅设计中心波长λ0＝1550，3db带宽δλ0＝0.92基本相符。

综上所述，本发明第七个实施例所提供的系统能够有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调。

作为本发明的第八个实施例，本实施例提供了一种数据处理装置，通过软件模拟相移光栅光谱作为数据处理装置的输入数据，因此无需光源单元、光耦合单元、相移光栅单元、光谱采集单元。通过数值仿真，依靠相移光栅模拟程序，可以方便的进行相移光栅光谱数据模拟。通过设定相移光栅参数可以模拟任意的相移光栅光谱谱型。如图10所示，为设定中心波长λ0＝1550.11，设定相移量为的相移光栅反射光谱。对相移光栅反射谱进行手动寻峰，光谱中每个峰的峰值波长已在图10中示意，其中反射谱中反射率最大峰峰值波长λa＝λ3，反射谱中反射率次大峰峰值波长λb＝λ2，反射谱中反射率最大峰峰值波长与反射谱中反射率次大峰峰值波长之间的窄带透射峰的反射率最小值对应的波长λc，均已在图10中示意。本实施例中采用二次拟合的方式进行数据拟合，由于λb<λa，则寻找反射率最大峰峰值波长λa右侧第一个反射率极小值对应波长λy，反射率次大峰峰值波长λb左侧第一个反射率极小值对应波长λx。图10中也已经标出示意。

通过截去相移光栅反射光谱中反射率次高峰峰值波长λb左侧第一个极小值对应波长λx左边的光谱数据，截去相移光栅反射谱中反射率最大峰峰值波长λa与相移光栅反射谱中反射率次大峰峰值波长λb之间光谱数据，截去反射谱中反射率最大峰峰值波长λa向右第一个极小值对应波长λy右边的光谱数据，得到如图11所示的光谱。对相移光栅反射光谱余下数据进行二次拟合，以得到预设参数的值，从而根据这些预设参数的值得到波长于反射率之间的映射公式如下所示:

r＝-51.19λ²+158711.4λ-1.23e8(9)

然后，根据公式(9)可最终推导出公式(3)和公式(4)。由中心波长解调公式(3)(即上述预设的中心波长计算公式(3))、3db带宽解调公式(4)(即上述预设的3db带宽计算公式(4))，计算得出相移光栅中心波长λd＝1550.21，3db带宽δλ＝0.21，这与相移光栅设计中心波长λ0＝1550.11，3db带宽δλ0＝0.18基本相符。

综上所述，本发明第八个实施例所提供的装置能够有效的对相移光栅中心波长及相移量的大小进行解调。

现有的光纤传感解调技术与方法主要针对于均匀光纤光栅，并且检测范围大于100nm，精度高于1pm，才可实现多通过快速扫描，而对于高精度大范围的解调仪往往价格昂贵，且现有技术并不适合对相移光纤光栅的解调，也因此使得相移光纤光栅难以大规模应用于光纤传感，而本发明所提供的方法、装置或系统更加适用于对相移光纤光栅的解调，且方法简便搞笑，装置或系统结构简单灵活，造价低廉，更适用于大规模应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。