一种光纤F-P传感器解调方法、设备、系统和存储介质

本发明涉及光纤传感器解调，尤其涉及一种光纤f-p传感器解调方法、设备、系统和存储介质。

背景技术：

1、光纤法帕传感器（fiber-optic fabry-perot sensor）是一种基于fabry-perot干涉原理的传感器，用于测量和监测物理量的变化。这种传感器利用光纤中的fabry-perot干涉现象，将光信号转换为相应的物理量信号。光纤法帕传感器由两个反射镜之间的光纤组成。反射镜可以是两个光纤末端的反射面，也可以是在光纤上蒸镀或焊接的金属或介质反射层。当光从一根光纤进入传感器，一部分光会被第一个反射镜反射回来，进而被第二个反射镜反射回来形成干涉。当外界物理量发生变化（例如温度、压力、形变等），导致传感器长度或折射率发生变化，干涉峰的位置或强度也会随之改变。通过测量干涉峰的移动或强度变化，可以推断出物理量的变化。

2、光纤法帕传感器的解调方法主要有两种：干涉峰位移解调和相位解调。干涉峰位移解调（interferometric peak displacement demodulation）：这种方法通过测量干涉峰的位置变化来获得物理量的信息。通常，通过光谱分析仪或光谱仪获取干涉光谱，并计算出干涉峰的位置。当外界物理量发生变化时，传感器的干涉峰位置会发生位移，通过对位移进行分析，可以确定物理量的变化。相位解调（phase demodulation）：这种方法通过测量干涉信号的相位变化来获得物理量的信息。一种常用的相位解调方法是通过施加参考信号，将传感器信号与参考信号进行比较，从而提取出干涉信号的相位信息。这可以使用光电探测器、锁相放大器等设备进行。相位解调方法具有高精度和较强的抗噪声能力。相位解调是一种更为精确的解调方法，它可以提供更高的分辨率和灵敏度。相位解调常用的技术包括相位步移法、正弦拟合法、fourier变换法等。

3、目前，在光纤f-p传感器中使用较为广泛的解调方法为傅里叶变换方法。此方法具有动态范围大，不受相位噪声影响的优点，但由于傅里叶变换方法中本身存在栅栏效应，遮挡有效信息点，频率分辨率被降低。bellevill首次提出使用互相关算法解决复合式光纤法珀传感器腔长研究，通过宽光谱范围的互相关运算，可分离出干涉光在不同腔体内的反射信息，并验证了在温度、压力不同条件下腔长的变化。在使用互相关算法中，模板函数与信号的特点匹配程度越高，互相关系数的极大值对应的腔长定位越准确。但是互相关算法寻峰可能在解调中易出现级次判断错误的问题，且要求光源为sled光源且需要进行一个完整周期内的运算才能进行互相关，如果没有完整周期的光谱信号，或光源范围较窄就无法更好的进行互相关算法。

4、公开号为cn113325574a的发明专利申请文件中公开了一种光纤法珀传感器双光源腔长匹配解调，其互相关计算所捕获的光谱中至少有1个完整的光谱周期，且要求的采样点数较多。公开号为cn106017522 a的发明专利申请文件中公开了一种光纤f-p传感器的快速高精度信号解调方法，该解调方法通过变步长爬山搜索算法，需要多个不同波长的激光器作为光源测量多个返回强度值且存在判错峰的问题。无针对解决解调系统使用相位法对非完整窄光源光谱进行解调得到腔长的方法及此情况下解调精度易受级次跳动影响的方案。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种基于希尔伯特变换的光纤f-p传感器解调方法及相对应的设备、系统和存储介质，该解调方法能够解决互相关相位解调带来的级次跳动问题、窄带光源无法进行精准的腔长解调问题，以及相位偏移和矫正问题。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种光纤f-p传感器解调方法，包括以下步骤，

4、s1：采集光纤f-p传感器反射光谱数据；

5、s2：对采集到的光谱数据进行高斯包络矫正，得到待处理光谱信号；

6、s3：对待处理光谱信号进行基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换；

7、s4：给定初始腔长，生成相对信号，并对相对信号进行基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换；

8、s5：基于步骤s3和步骤s4的希尔伯特变换结果，计算待处理光谱信号与相对信号的相位差系数；

9、s6：根据相位差系数计算绝对腔长值；

10、s7：使用步骤s6中得到的绝对腔长值更新步骤s4中的初始腔长，重复步骤s4-s6，完成传感器的解调。

11、进一步的，步骤s2的具体操作包括以下步骤，

12、s201：对光谱数据进行失真矫正，失真矫正变换公式为式中， b为信号偏置， k i为光源光谱的倒数， x i为离散光谱数据点， y i为经过光谱矫正后的离散数据点，其中 i为数据点位号；

13、s202：对失真矫正后的光谱数据去除高斯包络，得到待处理光谱信号。

14、进一步的，步骤s3的具体操作包括以下步骤，

15、s301：将高斯包络矫正后的待处理光谱信号 x1( t)进行希尔伯特变换，则：式中， h表示希尔伯特变换， x1( t) 为高斯包络矫正得到的待处理光谱信号，表示卷积时延，为积分换元简化运算；

16、s302：将希尔伯特变换积分代入辛普森公式中得单步积分公式

17、式中，，为各个积分离散点，  n表示积分离散点的个数， a表示积分上限为积分区间前一个数据点， b表示积分下限为积分区间后一个数据点， k表示复化公式中累加标志； y1( t)为 x1( t) 希尔伯特变换信号。

18、进一步的，步骤s4的具体操作包括以下步骤，

19、s401：令初始腔长为 d 0，则相对信号；

20、s402：利用步骤s3中基于复化辛普森积分下的希尔伯特变换对相对信号进行希尔伯特变换。

21、进一步的，步骤s5的具体操作包括以下步骤，

22、令，， y1和 y2分别为 x1和 x2希尔伯特变换后的函数，其中为相位信息，则式中，为计算所得包含相位差信息的sin相位系数，为计算所得包含相位差信息的cos相位系数。

23、进一步的，步骤s6的具体操作包括以下步骤，

24、s601：将相位差系数相除，得到查表地址 c；

25、s602：通过查arctan表得到绝对相位差；

26、s603：根据绝对相位差计算绝对腔长值。

27、进一步的，本发明还包括一种光纤f-p传感器解调设备，所述设备包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如前所述的解调方法。

28、进一步的，本发明还包括一种光纤f-p传感器解调系统，包括f-p传感器、光源、光谱仪和上位机，光谱仪采集f-p传感器的光谱数据，通过调节电路传输至上位机进行解调，所述上位机中包含如前所述的解调设备。

29、进一步的，本发明还包括一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行如前所述的光纤f-p传感器解调方法。

30、本发明的有益效果是：

31、1、本发明采用基于希尔伯特变换的f-p腔长解调方法，比起互相关算法解决了寻找与检验腔长匹配的最大互相关值易出现的级次判定问题，以及相位偏移和矫正问题，节约了排序算法占用的逻辑资源。

32、2、本发明采用的腔长解调方法不要求光源光谱范围，且使用相位分辨率解调，相比频率分辨率解算更精确，解决了窄带光源无法进行精准的腔长解调问题。

33、3、本发明使用复化辛普森法则，此数值积分方法用于希尔伯特变换过程中的积分环节，比起矩形计算可以更好的拟合曲线，通过此算法可以在不提高采样频率的情况下提高腔长值的精确性。

34、4、本发明不要求完整周期内的光谱采集，使用动态腔长查表，使查表数据与待处理信号始终处于相位差计算范围内，解调信号包含相位信息用于解算腔长。