[发明专利]白光干涉型光纤法珀传感器的少光谱采样点高速测量系统及方法

说明书

本发明涉及一种白光干涉型光纤法珀传感器的少光谱采样点高速测量系统及方法，属于光纤传感技术领域。该系统包括宽带光源、光环形器、波分复用器、光电探测组、高速并行采集子系统和解调计算子系统；该方法包括：S1：利用波分复用器、光电探测器组、高速采集子系统，将光纤法珀传感器输出的宽光谱分解为有限的N路窄光谱信号；S2：构造无噪声的N路理想干涉光谱信号，并与S1得到的实际信号的差构造概率密度函数。S3：求解使概率密度函数最大的估计量，得到腔长L的最大似然估计量。本发明分别从少采样点的光谱采集与数据处理方法及软件算法和硬件两方面入手，大幅度减少数据采集与处理的资源占用，从而突破其测量速度的瓶颈。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种白光干涉型光纤法珀传感器的少光谱采样点高速测量系统及方法。

背景技术

对汽轮机与水轮机、发电机与发动机、离心机与机床等旋转机械设备而言，其运动部件的微位移/间隙的高速动态在线监测，对于新产品研发以及运行安全保障，都具有重要意义。由于光纤传感器体积小、抗电磁干扰、传感器端不带电等优势，在这类微位移/间隙的高速动态在线监测中得到重视。而在各类光纤传感器中，白光干涉型光纤传感器因利用宽光谱携带更大信息量的特点，从而具有测量精度高、抗干扰能力强、动态范围大的优势，是微位移/间隙监测的理想手段之一。

白光干涉型光纤法珀传感器解调的关键，利用其宽光谱干涉信号求解光纤法珀的腔长L，这需要对包含几千个光谱数据的完整光谱进行采样与运算，这导致光谱的采样和信号的解调都面临数据量大、速度慢的问题。因此白光干涉型光纤法珀传感系统的整体测量速度难以超过1kHz。这极大地制约了这类传感器在高速动态微位移/间隙测量中的发展。

1、问题现状

显然，宽光谱干涉信号的大数据量光谱采样、大数据量信号解调计算是限制现有白光干涉型传感系统解调速度的两大核心难题，因此从光谱数据采样与解调计算两个角度寻求突破，就是突破白光干涉型光纤法珀传感器传感速度、实现高速动态测量的两大关键环节。

在光谱数据采样方面，最常规的方法是用光谱仪器来采集其光谱数据，而其中最典型的微型光谱仪是利用分光元件将各个波长的光束在空间上分离、再利用线阵探测器进行光谱采样。由于光电探测器阵列的输出是采用串行的逐像素采样输出模式，因此其采样速率是限制光谱仪的光谱采样速度的瓶颈；虽然近年来随着技术的发展，市场上出现了一系列帧速率超过1kHz的高速光谱仪，但很难再有提升空间，且其价格昂贵。另一类光谱采样方式，则是利用MEMS机械振动产生波长变化的高速扫频激光光谱仪，但其光谱采样速率受到MEMS振动频率的限制，在当前几十kHz级别的商用产品的基础上已经很难进一步提升，价格也很昂贵。

而在光谱信号的解调计算方面，基于快速傅里叶变换的解调算法依然是研究和应用的主流，在此基础上还发展出Bonneman频率估计、快速全相位法等方法，它们必须进行大数据量的计算才能达到预期的解调精度。

虽然从光谱的采样和数据的解调计算两个方面的研究能够在一定程度上提升现有白光干涉型光纤法珀传感解调系统的速度，但提升幅度有限，并不能根本解决高速高精度测量的需求。

2、问题根源

从数据的解调计算看，由于宽光谱具有上千个原始光谱数据，这就决定了解调计算需要处理的基本数据量是数千个。而为了保证解调计算的精度，算法通常还需要傅里叶变换补零、频谱差值、信号相位提取等过程，也就是还需要额外增加虚拟的光谱数据量，这样大的数据量就要求相应的运算硬件与软件，就是制约其解调速度的关键所在。

从以上问题分析中可以看出，在白光干涉型光纤传感器中，大数据量的原始宽光谱干涉数据、要求密集的光谱信号采样与处理计算，这既是保证其高精度解调的关键，也是限制其解调速度的关键。因此在不降低解调精度的前提下、降低光谱采样密集程度，通过稀疏光谱采样的解调算法方法，研究少光谱采样点的解调算法与技术实现，才可能从根本上突破白光干涉型光纤法珀测量系统的速度瓶颈。

发明内容