一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法及系统

本发明涉及法珀腔传感器空气腔腔长解调的方法，尤其涉及一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法及系统。

背景技术：

1、波长解调的光纤法珀(f-p)腔传感器具有极高的灵敏度和精度，因此对实现传感器高准确度，高分辨率和大动态范围绝对测量的波长解调技术的研究占有极为重要的地位。最小均方误差是一种常用的解调方法，但这种方法有几个个比较严重的缺陷：(1)非线性导致：最小均方误差解调算法有一个假设前提，那就是传感器的响应是线性的，这现实并非总是如此，因此解调过程可能产生误差，导致压力测量不准确；(2)温度依赖性：最小均方误差解调算法对温度变化很敏感，温度的变化会影响蓝宝石的腔长和折射率，同样会在解调过程中引入误差；(3)动态范围有限：最小均方误差解调算法具有有限的动态范围，因此无法适用大范围压力下高精度的应用；(4)模式跳跃问题：最小均方误差解调算法测量过程中由于易受到信号干扰，比如环境温度变化、传感器响应结构的非线性变化、电磁噪声等，都会对解调结果产生严重影响，从而导致最小均方误差的结果发生模式跳跃，造成严重的测量误差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法，包括以下步骤：

3、s101，获取蓝宝石法珀腔压力传感器的传感器光谱信号，进入s102；

4、s102，对传感器光谱信号进行平滑滤波操作和三次样条插值操作，输出处理后的光谱信号，进入s103；

5、s103，对处理后的光谱信号进行傅里叶变换得到频域信号，在频域利用带通滤波器获取空气腔频域信号，再进行傅里叶逆变换得到空气腔光谱信号，进入s104；

6、s104，通过双峰法获取初始空气腔腔长，构造模板光谱信号，对模板光谱信号及空气腔光谱信号作归一化处理，进入s105；

7、s105，对归一化后的空气腔光谱信号和归一化后的模板光谱信号分别进行均方误差计算，获取均方误差的最小值和极小值位置，进入s106；

8、s106，判断是否要计算第一个有效空气腔腔长，是则进入s107，否则进入s108；

9、s107，将s105计算所得均方误差的最小值作为对比空气腔腔长，按s101至s105步骤再采集9个对比空气腔光谱信号，根据10个对比空气腔腔长的平均值输出第一个有效空气腔腔长，进入s109；

10、s108，判断是否发生模式跳跃，是则遍历当前时刻所有极小值位置对应的腔长，找到与上一时刻获取的有效空气腔腔长最接近的腔长作为有效空气腔腔长，进入s110；否则进入s109；

11、s109，输出s105计算所得均方误差的最小值作为有效空气腔腔长，进入s110；

12、s110，判断是否停止解调，是则结束，否则返回s101。

13、优选的，s104所述双峰法公式如下：

14、

15、其中，λ1和λ2为空气腔光谱两个相邻波峰位置对应的波长，l为双峰法公式计算得到的初始空气腔腔长。

16、优选的，s104所述构造模板光谱方法如下：以初始空气腔腔长为中心构造模板光谱，模板光谱公式如下：

17、

18、其中，im为模板光谱，r为蓝宝石晶片反射率，lm为模板腔长，λ为波长，i0为入射光强。

19、优选的，s104所述对空气腔光谱信号作归一化处理，具体如下：

20、

21、其中，iair(λ)为空气腔光谱信号，sup(λ)为空气腔光谱上包络信号，sdown(λ)为空气腔光谱下包络信号，iairnor(λ)为归一化后的空气腔光谱信号；

22、对模板光谱信号作归一化处理与上述方法一致，归一化后的模板光谱信号为imn。

23、优选的，s105所述均方误差计算方法如下：

24、

25、其中，mse(λ)为均方误差计算结果，n表示采样点个数，n表示模板光谱个数，imn(λ)表示归一化后的模板光谱，iairnor(λ)表示归一化后空气腔光谱。

26、优选的，所述s107输出有效空气腔腔长，具体为：统计10个对比空气腔腔长中小于平均值和大于平均值的腔长数量；如果小于平均值的腔长数量较多，则输出第一个小于平均值的对比空气腔腔长作为有效空气腔腔长，否则输出第一个大于平均值的对比空气腔腔长作为有效空气腔腔长。

27、优选的，s108所述判断是否发生模式跳跃的判定具体为：设定跳跃步长为200nm，最小均方误差值与上一时刻的空气腔腔长相差不能超过跳跃步长，如果超过则判定当前时刻获取的空气腔腔长发生模式跳跃。

28、本发明还提供一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的均方误差优化解调系统，用于实现上述任一种的用于蓝宝石法珀腔压力传感器的均方误差优化解调方法，其特征在于，包括：光源、光环形器、蓝宝石法珀腔压力传感器、光谱仪和上位机；所述光源通过光环形器照射蓝宝石法珀腔压力传感器，蓝宝石法珀腔压力传感器反射光由光环形器射出，进入光谱仪，光谱仪将光信号发送至上位机，上位机进行腔长解算并显示解算结果。

29、优选的，所述光源为超连续谱宽带光源，光源的光谱范围为1520nm-1570nm，中心波长为1545nm。

30、优选的，所述蓝宝石法珀腔压力传感器的芯体由蓝宝石光纤、基底腔、空气腔和感压膜片组成，蓝宝石光纤与基底腔垂直接触，基底腔厚度约600um，空气腔和感压膜片厚度约200um。

31、本发明具有如下有益效果：

32、1.鲁棒性强：具有一定的鲁棒性，能够在一定程度上抵抗噪声和干扰的影响，提高传感器的精度和稳定性。

33、2.精度高：通过对传感器信号进行均方误差估计，消除了模式跳跃影响，能够有效地减小信号处理误差和噪声干扰的影响，提高传感器的精度。

34、3.实时性好：具有较快的运算速度和较低的计算复杂度，能够实现对实时信号的处理，满足对传感器响应速度的要求。

35、4.可调参数少：仅设置少量可调参数，能够有效地简化传感器的调试和优化过程，降低了传感器制造成本和维护难度。

36、5.适应性强：能够自适应地调整其参数以适应不同的传感器工作条件和环境，提高了传感器的应用范围和灵活性。

37、以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不局限于实施例。

技术特征：

1.一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法，其特征在于，s104所述双峰法公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法，其特征在于，s104所述构造模板光谱方法如下：以初始空气腔腔长为中心构造模板光谱，模板光谱公式如下：

4.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法，其特征在于，s104所述对空气腔光谱信号作归一化处理，具体如下：

5.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法，其特征在于，s105所述均方误差计算方法如下：

6.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法，其特征在于，所述s107输出有效空气腔腔长，具体为：统计10个对比空气腔腔长中小于平均值和大于平均值的腔长数量；如果小于平均值的腔长数量较多，则输出第一个小于平均值的对比空气腔腔长作为有效空气腔腔长，否则输出第一个大于平均值的对比空气腔腔长作为有效空气腔腔长。

7.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法，其特征在于，s108所述判断是否发生模式跳跃的判定具体为：设定跳跃步长为200nm，最小均方误差值与上一时刻的空气腔腔长相差不能超过跳跃步长，如果超过则判定当前时刻获取的空气腔腔长发生模式跳跃。

8.一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的均方误差优化解调系统，用于实现权利要求1至7任一所述的用于蓝宝石法珀腔压力传感器的均方误差优化解调方法，其特征在于，包括：光源、光环形器、蓝宝石法珀腔压力传感器、光谱仪和上位机；所述光源通过光环形器照射蓝宝石法珀腔压力传感器，蓝宝石法珀腔压力传感器反射光由光环形器射出，进入光谱仪，光谱仪将光信号发送至上位机，上位机进行腔长解算并显示解算结果。

9.根据权利要求8所述的一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的均方误差优化解调系统，其特征在于，所述光源为超连续谱宽带光源，光源的光谱范围为1520nm-1570nm，中心波长为1545nm。

10.根据权利要求8所述的一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的均方误差优化解调系统，其特征在于，所述蓝宝石法珀腔压力传感器的芯体由蓝宝石光纤、基底腔、空气腔和感压膜片组成，蓝宝石光纤与基底腔垂直接触，基底腔厚度约600um，空气腔和感压膜片厚度约200um。

技术总结
本发明公开了一种用于蓝宝石法珀腔压力传感器的优化解调方法及系统，包括：S101，获取传感器光谱信号；S102，进行平滑滤波操作和三次样条插值操作；S103，进行傅里叶变换、带通滤波、傅里叶逆变换得到空气腔光谱信号；S104，获取初始空气腔腔长，构造模板光谱信号，作归一化处理；S105，进行均方误差计算，获取均方误差的最小值和极小值位置；S106，判断是否计算第一个有效空气腔腔长，是则进入S107，否则进入S108；S107，均方误差最小值作为对比空气腔腔长，根据10个信号的平均值输出第一个有效空气腔腔长，进入S109；S108，判断是否发生模式跳跃，是则将与上一时刻有效空气腔腔长最接近的腔长作为有效空气腔腔长，进入S110；否则进入S109；S109，均方误差最小值作为有效空气腔腔长；S110，判断是否停止解调。本发明消除模式跳跃影响，有效地减小信号处理误差和噪声干扰，提高精度。

技术研发人员：海振银,薛晨阳,苏智轩,梁睿,段博文,郭茂成
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15