[发明专利]基于单色频率绝对相位的低相干干涉解调方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单色频率绝对相位的低相干干涉解调方法，属于光纤传感领域。

背景技术

低相干干涉能够克服激光干涉中存在的相位模糊问题，测量范围不再局限于λ/4，理论上具有不限的测量范围，能够对很多绝对物理量进行高精度、大量程测量，使得低相干干涉技术在光纤传感领域得到了广泛的应用，例如静态物理量(温度、压力、位移和折射率)的测量，物体三维相貌检测和光学相干层析技术等。

定位低相干干涉条纹的包络峰值位置或中心波峰位置是通常采用的获得干涉条纹平移信息的方法，这些方法都是从干涉条纹中直接获取平移信息进行解调。除此之外，相位信息同样可以用于解调，空间频域算法(SFDA)、相移法和双波长算法等都是基于相位提出的解调方法。通常来讲，基于相位的解调方法比基于包络的解调方法对被测物理量的变化更敏感，能够获得更高的解调精度。然而直接利用相位斜率进行解调得到的精度往往不高，而单色频率的相位与被测物理量引起的位移直接相关，而且能够通过离散Fourier(或者相移算法)得到，但是离散Fourier变换后得到的相位混叠在(-π，π)区间内，存在2π或干涉级次的不确定性问题，因此必须首先确定干涉级次才能恢复绝对相位，所以绝对相位的恢复或干涉级次的确定是非常重要的问题。我们可以利用展开后相位的最小二乘拟合的截距来确定干涉级次，相对于直接相位斜率解调方法，该方法能够获得更高的解调精度。

发明内容

本发明的目的在于提高相位解调方法的精度，利用相位展开后的截距信息确定单色频率的干涉级次以恢复其绝对相位，实现低相干干涉的大量程、高精度测量，提供一种基于单色频率绝对相位的低相干干涉解调方法。

本发明的具体实施方法：

本发明中采用法布里-珀罗(F-P)传感器感受外界气体压力变化，F-P腔的两个面构成传感干涉仪，光楔作为光程差空间扫描元件构成接收干涉仪，在零光程差的局部区域形成干涉条纹，解调方法包括：

第1、该方法首先对接收的低相干干涉信号进行离散Fourier变换，得到幅频信息和混叠在(-π，π)内的相位信息，干涉信号的幅频特性曲线由两组对称的高斯载频分量组成；

第2、在正频域分量部分内，选择在一个干涉级次内压强-相对相位线性度最好的频率作为基准频率进行相位展开；

第3、以基准频率的相对相位作为参考相位进行相位展开，对频率-展开后相位进行最小二乘线性拟合得到拟合后直线截距，将截距除以2π，得到的整数部分即为基准频率的干涉级次；

第4、离散Fourier变换得到基准频率的相对相位，经过上述第1至第3步的运算过程得到基准频率的干涉级次，这样便恢复出基准频率的绝对相位，从而能得到F-P传感器的腔长变化信息，实现解调；

第3步所述的相位展开的具体方法是：相位随着频率的增大单调递减，这是相位展开的理论依据。如果基准频率选择为Ω_j，它的相对相位为作为相位展开的参考相位，通过下面的递归表达式进行相位展开：

其中，u()是阶跃函数。

本发明的理论依据是：

一般常见的宽带光源，其光源光谱都呈高斯分布或类高斯分布，因此低相干干涉的光强可以表示为：

I(x)＝γexp{[-α(x-x₀)]²}cos[β(x-x₀)]    (1)

其中，α、β、γ是与光路系统有关的常数，x₀是零光程差位置对应在光楔中的坐标。为了简化分析，我们定义：

f(x)＝γexp[-(αx)²]    (2)

(2)式的连续Fourier变换为F(jΩ)，F(jΩ)同样是高斯函数，Ω是频率。根据连续Fourier变换的时移和频移特性，(1)式的连续Fourier变换可以表示为：