本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种适用于法布里-珀罗(f-p)传感器的多通道应用的低相干干涉解调方法。
背景技术
低相干干涉法是光学干涉领域中重要的测量方法，被广泛用于三维形貌检测、光学相干断层扫描以及光纤传感领域，例如，压力、温度、折射率测量等。
将低相干干涉法和多通道复用传感应用结合起来，具有多点同时测量、传感精度高、传感器扩展成本低等优点。目前比较常见的有波分复用和时分复用等，其中波分复用方法利用具有不同光谱中心波长的光源作为不同的传感器的光源，进而实现多个传感器的复用，但是该方法的复用和解调方式均较复杂，且能复用的传感器数量受到可用光源光谱的限制。相较而言，基于多通道偏振低相干干涉解调仪的时分复用方式使用一个多通道光纤阵列连接多路传感器，利用同一个解调光路对多路传感器信号在时间上顺序解调，复用方式简单，可复用传感器数量较多。然而，受到光楔光束非垂直入射、传感通道位置不同、晶体加工非理想化以及批量制作的f-p传感器腔长不一致等因素的影响，为保证法布里-珀罗(f-p)传感器解调的精度和可靠性，通常需要将f-p传感器与一个特定的传感通道进行标定操作。标定操作使f-p传感器仅能在对应的标定通道上进行解调，而无法应用于其他解调通道，这严重限制了f-p传感器在多通道复用传感中的应用。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术存在的技术问题，本发明提出了一种可实现传感器任意通道匹配的多通道低相干干涉解调方法，采用傅里叶变换法求得任一传感通道下精度较低的低相干干涉信号的原始包络峰值位置，然后利用该位置根据低相干干涉条纹相位分布特性恢复出选定单色波长干涉条纹的绝对相位，进而恢复出高精度真实包络峰值位置；根据建立的偏振低相干干涉解调仪位置-光程差分布模型，利用真实包络峰值位置求出对应传感通道相对于标定通道的位置补偿量，将该传感通道下的真实包络峰值位置补偿到标定通道下，从而实现f-p传感器的多通道应用。
本发明的一种可实现传感器任意通道匹配的多通道低相干干涉解调方法，包括以下步骤：
第一步、对于任意解调通道下任一低相干干涉传感信号，通过傅里叶变换法计算求出低精度包络峰值位置kp；计算低精度绝对相位估计值
其中，q表示选定的离散傅里叶变换(dft)序号，其对应于某一单色波长，此处选择61；n表示dft离散序列总数，等于一帧低相干干涉信号数据点总数，数值为3000；
根据低精度绝对相位估计值
其中，φ表示低相干干涉条纹dft过程获得的相对相位，round()函数返回距离括号中参数最近的整数；
根据干涉条纹的条纹级次n及相对相位φ恢复出低相干干涉条纹的绝对相位
根据已恢复的绝对相位
第二步、选择标定传感通道s，在该通道下通过压力控制系统对f-p传感器的外界压力进行扫描，采集每一扫描压力下的低相干干涉条纹信号，按第一步的方式恢复出每一信号对应的真实包络峰值位置，得到一个与扫描压力数组对应的真实包络峰值位置数组；以真实包络峰值位置kd的数组为横轴，扫描压力数组为纵轴进行4次多项式拟合，建立f-p传感器低相干干涉条纹包络峰值位置和外界压力的对应关系；
第三步、基于偏振低相干干涉解调仪的系统参数，根据传感通道包络峰值位置计算偏振低相干干涉解调仪产生的扫描光程差opd：
opd＝fko(k,m)
其中，函数fko()表征了上述关系，m表示传感通道的通道序号，k表示传感通道包络峰值位置；
计算不同传感通道间包络峰值位置补偿量δk；
δk＝fod(opd,s,m)
s表示标定传感通道的通道序号。
第四步、计算补偿后的包络峰值位置kr；
kr＝kd+δk
利用标定通道下的包络峰值位置kr和外界压力的对应关系，解调出对应传感通道的测量压力值。
与现有技术相比，本发明的有益效果及优点在于：
1、本发明根据低相干干涉系统位置-光程差分布特征，通过包络峰值位置补偿的方式，实现了f-p传感器多通道适用解调，有效改善了f-p传感器的通道适应性；
2、本发明利用低精度的包络峰值位置确定低相干干涉条纹干涉级次，大大简化了干涉级次判定过程，并综合利用包络峰值法和相位法恢复真实包络峰值位置，解调精度高；
3、本发明仅需将f-p传感器标定于一个传感通道的条件下，无需重复标定过程，就能够将f-p传感器在任意传感通道上使用并实现高精度解调。
附图说明
图1为空间扫描型低相干干涉光纤传感大气压力解调装置示意图；
图2为实际解调装置中采集的f-p压力传感器在100kpa压强下的一帧干涉信号及其包络；
图3为结合原始包络峰值位置和相对相位恢复绝对相位的过程示意图；
图4为选定传感通道4为标定通道时进行压力标定过程的原始包络峰值位置、真实包络峰值位置与扫描标定压力之间的关系曲线图；
图5为以偏振低相干干涉解调仪产生的扫描光程差为横坐标，以其他传感通道与标定通道4之间的位置补偿量为纵坐标的关系曲线图；
图6为四个传感通道原始包络峰值位置曲线图；
图7为四个传感通道干涉级次估计误差曲线图；
图8为四个传感通道恢复的真实包络峰值位置曲线图；
图9为将四个传感通道的真实包络峰值位置补偿到标定通道后进行压力解调的压力解调误差曲线图；
附图标记：1、宽带光源，2、耦合器，3、f-p传感器，4、多通道光纤阵列，5、偏振低相干干涉解调仪，6、起偏器，7、双折射光楔，8、检偏器，9、线阵ccd，10、信号处理单元；11、低相干干涉信号，12、低相干干涉信号包络；13、相对相位，14、绝对相位估计值，15、真实绝对相位，16、通道一，17、通道二，18、通道三，19、通道四；
图10为本发明的可实现传感器任意通道匹配的多通道低相干干涉解调方法整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。
本发明的可实现传感器任意通道匹配的多通道低相干干涉解调方法结合外界大气压力的测量。如图1所示，为空间扫描型低相干干涉光纤传感大气压力解调装置，工作过程说明如下：
宽带光源(led)1发出的光经过耦合器2到达f-p传感器3，f-p传感器3是感受外界大气压力的敏感元件，其f-p腔的两个反射面构成了传感干涉仪，传感干涉仪中f-p腔两个反射面之间的距离与大气压力成线性关系，被f-p传感器3调制过的光信号从耦合器2的出口导出，光信号通过多通道光纤阵列4导入偏振低相干干涉解调仪5，多通道光纤阵列4为单排一字点阵光纤结构，偏振低相干干涉解调仪由起偏器6、双折射光楔7和检偏器8组成，由于双折射光楔7的双折射效应，光信号通过双折射光楔7形成空间低相干干涉条纹并被线阵ccd9接收，信号处理单元10对线阵ccd9输出的干涉条纹信号进行处理。当双折射光楔7引起的光程差和f-p传感器3引起的光程差相匹配时，会在线阵ccd9相应的局部区域产生明显的低相干干涉条纹。
所需的大气压强通过高精度、高稳定压力源产生，该压力源可以达到0.02kpa的控制精度，线阵ccd的有效像元数为3000点，每帧数据由3000个离散数据点构成。每个ccd像元对应一个固定的偏振低相干干涉解调仪产生的光程差，用ccd像元的位置k来表示该光程差。对于标定通道4，起始有效像元对应的光程差为31.302μm，相邻两个ccd像元间隔的光程差为0.0125μm。
利用上述的空间扫描型低相干干涉光纤传感大气压力解调装置，通过腔长变化感受大气压力，使用起偏器、双折射光楔和检偏器构成的偏振低相干干涉解调仪，对f-p传感器调制的光信号进行解调，在零光程差的局部区域形成空间低相干干涉条纹。本发明的可实现传感器任意通道匹配的多通道低相干干涉解调方法，具体实施步骤如下：
第一步、对于任意解调通道下任一低相干干涉传感信号，求出其低精度的原始包络峰值位置，并结合相位特性恢复出高精度的真实包络峰值位置；
1.1、如图2所示，外界大气压强为100kpa时ccd输出的一帧低相干干涉信号，该帧低相干干涉信号包含3000个数据点。通过傅里叶变换法计算求出的低精度包络峰值位置kp对应的ccd像元为1602。
1.2、根据相位分布特性由低精度包络峰值位置kp计算出低精度绝对相位估计值
其中，q表示选定的离散傅里叶变换(dft)序号，其对应于某一单色波长，此处选择61；n表示dft离散序列总数，等于一帧低相干干涉信号数据点总数，数值为3000；
1.3、根据低精度绝对相位估计值
其中，φ表示低相干干涉条纹dft过程获得的相对相位，round()函数返回距离括号中参数最近的整数；
1.4、根据相对相位恢复干涉条纹的条纹级次n及相对相位φ恢复出低相干干涉条纹的绝对相位
如图3所示，为结合原始包络峰值位置和相对相位恢复绝对相位的过程示意图。绝对相位恢复过程包括：通过低精度的原始包络峰值位置kp估计的绝对相位估计值
1.5、根据已恢复的绝对相位
此处恢复的真实包络峰值位置kd＝1605.84。
第二步、选定标定通道对f-p传感器进行标定，建立f-p传感器低相干干涉条纹包络峰值位置和外界压力的对应关系；
2.1、选择标定传感通道s，在该通道下通过压力控制系统对f-p传感器的外界压力进行扫描，采集每一扫描压力下的低相干干涉条纹信号，按第一步的方式恢复出每一信号对应的真实包络峰值位置，得到一个与扫描压力数组对应的真实包络峰值位置数组；如图4所示为选定传感通道4为标定通道时进行压力标定过程的原始包络峰值位置、真实包络峰值位置与扫描标定压力之间的关系曲线图，其中标定压力在100-200kpa范围内以5kpa的步长增加对应的原始包络峰值位置kp及恢复后的真实包络峰值位置kd。
2.2、以真实包络峰值位置kd的数组为横轴，扫描压力数组为纵轴进行4次多项式拟合，建立f-p传感器低相干干涉条纹包络峰值位置和外界压力的对应关系；
第三步、通过光路计算建立偏振低相干干涉解调仪产生的扫描光程差(opd)与干涉条纹包络峰值位置的关系，并进一步导出扫描光程差(opd)与不同传感通道包络峰值位置补偿量的关系；
3.1、基于偏振低相干干涉解调仪的系统参数，通过光路计算分析不同传感通道包络峰值位置k与偏振低相干干涉解调仪产生的扫描光程差opd之间的关系：
opd＝fko(k,m)
其中，函数fko()表征了上述关系，m表示传感通道的通道序号。
3.2、基于偏振低相干干涉解调仪的系统参数，通过光路计算分析偏振低相干干涉解调仪产生的扫描光程差opd与不同传感通道包络峰值位置之间的关系，并进一步导出偏振低相干干涉解调仪产生的扫描光程差opd与不同传感通道间包络峰值位置补偿量δk的关系；
δk＝fod(opd,s,m)
其中，函数fod()表征了上述关系，s表示标定传感通道的通道序号。如图5所示，以偏振低相干干涉解调仪产生的扫描光程差为横坐标，以其他传感通道与标定通道4之间的位置补偿量为纵坐标的关系曲线图，光程差以0.1μm的间隔从30μm增加到70μm时标定通道4与其他传感通道之间的位置偏移量的仿真结果；
第四步、恢复真实包络峰值位置的过程和通道间包络峰值位置的补偿过程，将任意解调通道的原始包络峰值位置kp补偿到标定通道，并用补偿后的包络峰值位置进行压力值解调。
4.1、对于任意传感通道的原始包络峰值位置kp，根据第一步恢复出其真实包络峰值位置kd；
4.2、根据3.1中的关系式opd＝fko(k,m)，利用kd计算出该位置对应的解调仪扫描光程差opd，然后根据3.2求出位置偏移量δk，将δk补偿到标定通道下。
kr＝kd+δk
其中kr为补偿后的包络峰值位置。
4.3、利用标定通道下的包络峰值位置kr和外界压力的对应关系，即可解调出对应传感通道的测量压力值，实现任意通道下f-p传感器的高精度解调。
为了更全面地验证该方法的可行性，以4通道偏振低相干干涉解调仪为例，以通道4为标定通道，实验压力以0.5kpa的间隔从100kpa单调增长到200kpa。对每个传感通道每个实验压力下的干涉信号进行处理。图6、图7、图8分别为四个通道原始包络峰值、估计干涉级次误差、恢复的真实包络峰值位置曲线图，可以看出在整个测量范围(100kpa-200kpa)内，干涉级次估计误差小于0.15，其小于最大有效估计误差0.5，恢复的真实包络峰值位置线性度非常好，且没有发生干涉级次误判导致的阶跃性错误，而因此本发明方法对于恢复真实包络峰值位置具有很强的可靠性。图9为各传感通道进行位置补偿后的压力解调误差，可以很清楚地看出，本发明方法的解调误差在任意通道上均能保持在0.14kpa以内，实现了多通道下f-p传感器的高精度解调。
本发明的解调方法通过实验进行了验证，参见图4至图9。