專利名稱：基于標(biāo)定算法和相移技術(shù)的快速、高精度低相干干涉解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于標(biāo)定算法和相移技術(shù)的快速、高精度低相干干涉解調(diào)方法，屬于光纖傳感領(lǐng)域，具體涉及了外界大氣壓力的測量，同時(shí)適用于改變光程差的位移，振動，溫度等物理量的低相干干涉解調(diào)測量。
背景技術(shù)：
低相干干涉技術(shù)具有很長的發(fā)展歷史，早在1665年Hook就曾提出低相干干涉條紋里的顏色信息對兩個(gè)反射面之間的厚度非常敏感，可以利用低相干干涉測量厚度。雖然 低相干干涉從光學(xué)基本原理上來講并不復(fù)雜，但是由于技術(shù)水平及制造工藝的限制，直到上個(gè)世紀(jì)90年代，才有比較成熟的商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于物體三維形貌檢測、薄膜厚度測量以及光纖傳感等領(lǐng)域。自1990年開始，低相干干涉技術(shù)得到廣泛關(guān)注并獲得了快速發(fā)展，人們針對低相干干涉技術(shù)的解調(diào)提出了很多解調(diào)算法來提高其解調(diào)速度和精度，從最初的通過提取條紋對比度的最大值或質(zhì)心來估測零光程差位置，到后來通過提取干涉包絡(luò)并利用包絡(luò)的峰值位置的平移來獲取干涉條紋的平移信息。也有研究人員從頻域?qū)崿F(xiàn)了干涉的解調(diào)，例如，在1995年Groot et al.提出了空間頻域算法(SFDA)，利用相位斜率進(jìn)行解調(diào)；在1996年Larkin首次將用于激光干涉的相移技術(shù)引入到低相干干涉中，從理論分析了其可行性，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)的模擬仿真；在2006年Sanit Kumar Debnath et al.提出了增強(qiáng)型的相位解調(diào)算法，通過提取出寬帶光源中的單色頻率成分并恢復(fù)出其絕對相位以實(shí)現(xiàn)解調(diào)。其中，條紋對比度或質(zhì)心算法比較簡單，運(yùn)算量小，但是很難實(shí)現(xiàn)高精度解調(diào)；如果干涉條紋的分布不發(fā)生變化，包絡(luò)法能夠獲得較高的解調(diào)精度，但是包絡(luò)的有效提取往往涉及到運(yùn)算量很大的數(shù)字變換技術(shù)(例如傅立葉變換、小波變換或希爾伯特變換等)，空間頻域算法或增強(qiáng)型相位算法也需要利用傅立葉變換得到相對相位，因此，他們的運(yùn)算量很大，很難實(shí)現(xiàn)高速解調(diào)；相比之下，相移法卻能夠利用較少的計(jì)算量實(shí)現(xiàn)較高的解調(diào)精度。人們提出了很多相移補(bǔ)償算法(比如五步、七步、八步法等)以適應(yīng)于低相干干涉，但是，僅僅利用相移技術(shù)得到的相對相位是不能實(shí)現(xiàn)解調(diào)的，還需要一個(gè)特定的波峰或波谷(一般為中心波峰或0級波峰)以恢復(fù)出絕對相位，目前，未見有報(bào)道簡單、穩(wěn)定、可靠的波峰確定方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有解調(diào)方法很難在運(yùn)算量較小的條件下，實(shí)現(xiàn)高精度解調(diào)的問題，提供一種基于標(biāo)定算法和相移技術(shù)的快速、高精度低相干干涉解調(diào)方法。該方法利用改進(jìn)型質(zhì)心的標(biāo)定算法來定位一個(gè)特定級次的波峰，然后通過相移法得到該波峰對應(yīng)的相對相位，并進(jìn)行線性擬合來精確地獲得其峰值位置，以實(shí)現(xiàn)低相干干涉的快速、高精度解調(diào)。
本發(fā)明提供的基于標(biāo)定算法和相移技術(shù)的快速、高精度低相干干涉解調(diào)方法，首先需要定位一個(gè)特定級次的波峰位置，然后準(zhǔn)確地獲取該波峰的峰值位置，通過獲取波峰峰值位置的平移以得到干涉條紋的整體平移信息，實(shí)現(xiàn)解調(diào)，具體實(shí)現(xiàn)步驟為第I、特定級次波峰位置的確定，波峰級次一般選擇為中心波峰或0級波峰，其他級次的波峰位置，分別通過在0級波峰位置的基準(zhǔn)上加上或減去相應(yīng)個(gè)波長距離得到第I. I、進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，建立干涉條紋的質(zhì)心位置和準(zhǔn)確的特定級次的波峰峰值位置的對應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，得到擬合表達(dá)式；第I. 2、解調(diào)時(shí)，將質(zhì)心帶入通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的擬合表達(dá)式，得到該特定級次波峰的估測位置X，估測位置X所在的波峰即為需要確定的特定級次的波峰；第2、已確定的特定級次波峰峰值位置的準(zhǔn)確獲取 第2. I、利用七步相移公式得到干涉條紋的相對相位0 (n)
.,、r3/(/ - / 4) + I (/; + 3m, 4) -Iin- 3m/4) - 3/{n + m;4).彡(")=arctan[—^^~^-!—----!—]
4/(/7)-2/(n - /77/2) — 2/(" + /77,/ 2)其中，I(n)為實(shí)際采集的光強(qiáng)，n為采集的序列號，m為一個(gè)波長\的干涉條紋對應(yīng)的采集點(diǎn)數(shù)；第2. 2、上面的相移公式得到的相位小(n) G (-JI/2，/2)，通過下面的公式進(jìn)行
相位展開得到例>),使展開后相位爐(《) e (-兀，丌、■
￠(12) - Ti ; if [K(ji) < 0 &￠{17) > 0]
<p(") 二(/>{//) ； if [ K (n) > 0]
#(") -I- K; If [A"(") < 0 & 0in) < 0]其中，K(n)為干涉條紋的對比度K(n)=I (n)-I (n+m)；第2. 3、對已經(jīng)確定的特定級次波峰對應(yīng)的相對相位進(jìn)行最小二乘線性擬合，
擬合直線縱坐標(biāo)為零的點(diǎn)為波峰峰值點(diǎn)，其橫坐標(biāo)即為波峰峰值點(diǎn)位置。其中，第I步中干涉條紋的質(zhì)心位置獲取方法是I)對采集的離散干涉信號提取對比度K(n)；2)對比度K(n)取絕對值得到K’ (n)，n同樣為采集序列號，即K' (n) = |K(n) | ；3)對K’ (n)設(shè)置一個(gè)閾值灸以提取出最有效的信息K’ (j)，j為K' (n)的幅值大
于設(shè)定閾值#對應(yīng)的采集序列號，其中A = 2/5XKmax，K' max為K' (n)的最大值；4)對提取出的干涉條紋運(yùn)用質(zhì)心公式得到質(zhì)心橫坐標(biāo))J =支['(./) °第1
步中準(zhǔn)確的特定級次波峰峰值位置的獲取方法是壓強(qiáng)以一定的壓強(qiáng)間隔單調(diào)增大時(shí)，干涉條紋會發(fā)生單調(diào)平移，利用遞歸比較的方法可以依次確定特定級次的波峰位置，其中一定的壓強(qiáng)間隔的需滿足壓強(qiáng)變化引起的波峰峰值位置的平移量不大于干涉條紋的波長入，才能保證遞歸比較法的有效性。然后再利用上述第2步中的方法準(zhǔn)確地獲取其峰值位置。
本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點(diǎn)在于I、通過利用改進(jìn)型的質(zhì)心進(jìn)行標(biāo)定的方法能夠簡單、快速、準(zhǔn)確地定位一個(gè)特定級次的波峰峰值位置；2、利用相移法獲得相對相位，運(yùn)算量小、相位精度較高；3、通過對中心波峰對應(yīng)的相對相位進(jìn)行線性擬合能夠精確地獲取波峰的峰值位置，相對于多項(xiàng)式擬合和高斯擬合確定法，該方法具有很強(qiáng)的抗噪聲干擾能力和抗畸變能力，即使在信噪比很低的環(huán)境下或者波形嚴(yán)重畸變的條件下，也能較準(zhǔn)確地獲取波峰的峰值位置，提高峰值位置的定位精度；4、特定級次波峰位置的確定和峰值位置的準(zhǔn)確獲取的運(yùn)算量都非常小，能夠?qū)崿F(xiàn)低相干干涉的快速解調(diào)，相比于基于傅立葉變換技術(shù)的解調(diào)方法，該方法能夠提高大約25 倍的解調(diào)速度；5、不僅中心波峰或0級波峰能用于解調(diào)，其他土 I級波峰、土 I級波谷也同樣適用
于解調(diào)；


圖I為空間掃描型低相干干涉光纖傳感大氣壓力解調(diào)裝置示意圖；圖2為改進(jìn)型質(zhì)心算法解釋圖及結(jié)果，其中(a)為原始干涉條紋，(b)為干涉對比條紋，(C)干涉對比度的絕對值條紋；(d)為得到的壓強(qiáng)-質(zhì)心位置特性曲線；圖3為通過遞歸比較法獲得中心波峰峰值位置的方法解釋圖及結(jié)果，其中(a)為遞歸比較法解釋圖；(b)為得到的壓強(qiáng)-準(zhǔn)確的中心波峰峰值位置特性曲線；圖4為本發(fā)明方法用于確定中心波峰的可行性驗(yàn)證圖，其中(a)為局部放大的干涉條紋圖，(b)為實(shí)際得到的估測誤差曲線圖；圖5為相位展開說明圖及波峰峰值位置獲取的說明圖；圖6為利用本方法得到的壓強(qiáng)-0，土 I級波峰峰值位置特性曲線和利用0級波峰得到的解調(diào)誤差，其中(a)為壓強(qiáng)-波峰峰值位置特性曲線，(b)為0級波峰解調(diào)誤差曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例實(shí)驗(yàn)裝置附圖I為一種基于低相干干涉原理搭建的解調(diào)裝置，用于測量外界大氣壓力，本發(fā)明方法將結(jié)合大氣壓力的實(shí)際測量進(jìn)行說明，具體參見附圖2-附圖6。寬帶光源I發(fā)出的光，經(jīng)耦合器2入射到光纖法布里-珀羅(F-P)傳感器3，入射光在傳感器3中發(fā)生近似雙光束干涉，光程差為F-P腔長的兩倍，被傳感器3調(diào)制的光經(jīng)耦合器2出射，然后依次經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡4和雙折射光楔5，并最終入射到電荷耦合元件(XD6，當(dāng)雙折射光楔5引起的光程差和傳感器3引起的光程差相匹配時(shí)，在該局部區(qū)域產(chǎn)生明顯的低相干干涉條紋。實(shí)驗(yàn)中需要的大氣壓強(qiáng)通過高精度、高穩(wěn)定壓力源產(chǎn)生，該壓力源可以達(dá)到0. OlkPa的控制精度。具體解調(diào)方法
第I、特定級次波峰位置的確定，這里我們以中心波峰的確定為例進(jìn)行說明，其他級次的波峰也同樣可以通過下面的方法得到第I. I、進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，建立質(zhì)心和準(zhǔn)確的中心波峰峰值位置的對應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，得到擬合表達(dá)式。在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，控制壓強(qiáng)以2kPa為間隔從80kPa單調(diào)遞增到220kPa，壓強(qiáng)改變時(shí)間間隔為5分鐘。其中，利用改進(jìn)型質(zhì)心算法獲得質(zhì)心位置的具體方法為首先對采集的干涉信號利用公式!^!!)=〗^!)-〗^!+!!!/^)提取對比度，I(Il)為光強(qiáng)，Hl為一個(gè)波長對應(yīng)的采集點(diǎn)數(shù)，實(shí)際采集的干涉條紋的波長為52采集點(diǎn)即m=52，圖2(a)所示為180akPa下采集的原始干涉信號，圖2(b)為提取的對比度條紋。然后對提取的對比度取絕對值并設(shè)置閾值，閾值 k = 2/51足(》)|腿=2/5X0.24 = 0.096 ,圖2 (c)為對比度的絕對值和閾值設(shè)置示意圖，閾值以
上的對比度是提取的最有效的條紋，通過閾值提取的有效條紋對應(yīng)的采集點(diǎn)數(shù)為j，然后對
T J^K'(J)
提取的這部分條紋運(yùn)用質(zhì)心公式得到質(zhì)心橫坐標(biāo)./ =Y^K { /_)，在每個(gè)設(shè)定壓強(qiáng)下都可以
經(jīng)過上述步驟得到質(zhì)心橫坐標(biāo)，圖2(d)為經(jīng)過上面的方法得到的壓強(qiáng)-質(zhì)心位置曲線。準(zhǔn)確的中心波峰峰值位置獲取方法是大氣壓強(qiáng)以2kPa的壓強(qiáng)間隔單調(diào)增大時(shí)，干涉條紋會發(fā)生單調(diào)平移，利用遞歸比較的方法可以依次確定中心波峰位置在本解調(diào)裝置中，隨著壓強(qiáng)的單調(diào)遞增，干涉條紋在CXD中會單調(diào)左移，那么以起始壓強(qiáng)SOkPa下干涉條紋的中心波峰或0級波峰位置為基準(zhǔn)位置(其中準(zhǔn)確的中心波峰的峰值位置通過后面將要提到的對該中心波峰的相對相位進(jìn)行線性擬合的方法得到)，壓強(qiáng)增大到82kPa時(shí)，由于2kPa的壓強(qiáng)間隔引起的干涉條紋的平移量小于干涉波長\，因此可以直接確定大于基準(zhǔn)位置的波峰位置即為82kPa下的中心波峰，同樣利用對相對相位進(jìn)行線性擬合的方法準(zhǔn)確確定其峰值位置，重新定義82kPa下確定的準(zhǔn)確的中心波峰峰值位置為基準(zhǔn)位置，當(dāng)壓強(qiáng)繼續(xù)以2kPa間隔單調(diào)增大時(shí)，以上述同樣的方法繼續(xù)準(zhǔn)確地確定中心波峰位置，如此循環(huán)往復(fù)，便能順序確定各個(gè)壓強(qiáng)下的準(zhǔn)確的中心波峰峰值位置，便得到圖3(b)壓強(qiáng)-中心波峰峰值位置曲線。如此，便通過中間變量壓強(qiáng)，建立了質(zhì)心和準(zhǔn)確的中心波峰峰值的對應(yīng)關(guān)系，為了提高運(yùn)算效率和擬合效果，先對質(zhì)心位置除以100然后再與準(zhǔn)確的中心波峰峰值位置進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，得到表達(dá)式y(tǒng)=_120. 45551+106. 84972x-0. 14573x2+0. 00278x3。第2、已確定的特定級次波峰峰值位置的準(zhǔn)確獲取(解調(diào))解調(diào)時(shí)，將質(zhì)心帶入通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的擬合表達(dá)式，得到該中心波峰的估測位置，估測位置所在的波峰即為所需要確定的中心波峰。第I步，中心波峰峰值位置的準(zhǔn)確獲取，具體步驟為首先利用七步相移公式得到干涉條紋的相對相位0 (n)
「■w "、r3/(/ -13) + /0/ + 39) -Un - 39) - 3I(n + 13)n) = arctan[—-----------
'4/(")-2/(;卜 26)-2/(" + 26)圖4(a)所示為利用上面的七步相移公式得到的局部相對相位0 (n)和對比度條紋K (η)。第2步，通過下面的公式進(jìn)行相位展開得到，使展開后相位舛《) e i-π,π)
φ{(diào)η) - π; if [K {η) > O & φ{(diào)η) > O]
(ρ{η) = ^ Φ{η) ; if [K(//) > O]
φ( /) + π; if [ん(、")< O & φ{(diào)η) < O]圖4(b)所示為利用上面的相位展開公式得到的中心波峰對比度條紋和相應(yīng)的展開后的相對相位爐(》)，可以看出中心波峰對應(yīng)的相對相位呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢，這與理論是相符的。第3步，對得到的中心波峰的相對相位進(jìn)行線性擬合，擬合直線為零的點(diǎn)就對應(yīng) 著中心波峰的峰值位置，具體見圖4(b)，這樣便準(zhǔn)確地獲得了中心波峰的峰值位置。圖5所示為本發(fā)明專利中提出的標(biāo)定算法的可行性驗(yàn)證圖，其中圖5(a)為實(shí)際采集的干涉條紋的局部方法圖，可以看出，干涉條紋的波長λ大約為52個(gè)CCD像素間隔，如果通過擬合表達(dá)式估測的中心波峰位置和實(shí)際的中心波峰峰值位置相差小于U2，也就是26個(gè)CCD像素，或者估測的中心波峰位置落在圖5(a)中的陰影區(qū)域，那么我們就可以準(zhǔn)確地定位中心波峰峰值位置。圖5(b)為實(shí)際得到的估測誤差曲線，其中最大估測誤差大約為11個(gè)CXD像素間隔，遠(yuǎn)小于26個(gè)像素間隔，因此能夠準(zhǔn)確地定位中心波峰。在解調(diào)實(shí)驗(yàn)中，控制壓強(qiáng)以2kPa為間隔從79kPa單調(diào)遞增到219kPa，壓強(qiáng)改變時(shí)間間隔為5分鐘。+1級和-I級波峰位置分別可以通過中心波峰也就是O級波峰估測位置加上λ和減去λ得到。也就是說，只要O級波峰能夠準(zhǔn)確定位，其他級次的波峰或波谷都可以通過O級波峰的估測位置相應(yīng)地得到。同樣我們也可以利用相位線性擬合的方法準(zhǔn)確地得到他們的峰值點(diǎn)。圖6所示為采用本發(fā)明方法得到的壓強(qiáng)-O級和±1級波峰峰值位置關(guān)系曲線和利用O級波峰進(jìn)行解調(diào)得到的解調(diào)誤差，從圖6(a)可以看出，三條曲線都保持很好的線性度，而且沒有出現(xiàn)波峰的誤判現(xiàn)象(如果存在波峰誤判，在曲線中會有跳躍點(diǎn)出現(xiàn)，跳躍間隔大約為一個(gè)波長也就是52個(gè)CCD像素間隔)，從圖6(b)可以看出最大解調(diào)誤差僅為O. 05kPa，換算成F-P傳感器的腔長的話，大約為2nm，解調(diào)精度很高。從計(jì)算量上分析，利用傅立葉變換提取包絡(luò)進(jìn)行的解調(diào)方法大約需要40350次的加法運(yùn)算、19500次的乘法運(yùn)算和512次的開放運(yùn)算(只處理ー幀干涉信號中最有效的512個(gè)離散點(diǎn)的干涉條紋)。本發(fā)明方法處理同樣處理512點(diǎn)的干渉信號，只需要大約3900次的加法運(yùn)算和770次的乘法運(yùn)算。由于乘法運(yùn)算消耗的計(jì)算時(shí)間較長，因此從乘法運(yùn)算量上分析，本發(fā)明方法的運(yùn)算量能夠節(jié)約大約25倍，能夠?qū)崿F(xiàn)快速解調(diào)的要求。
權(quán)利要求
1.一種基于標(biāo)定算法和相移技術(shù)的快速、高精度低相干干涉解調(diào)方法，其特征在于該方法首先需要定位一個(gè)特定級次的波峰位置，然后準(zhǔn)確地獲取該波峰的峰值位置，通過獲取波峰峰值位置的平移以得到干涉條紋的整體平移信息，實(shí)現(xiàn)解調(diào)，具體實(shí)現(xiàn)步驟為 第I、特定級次波峰位置的確定，波峰級次一般選擇為中心波峰或O級波峰，其他級次的波峰位置，分別通過在O級波峰位置的基準(zhǔn)上加上或減去相應(yīng)個(gè)波長距離得到 第1.1、進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，建立干涉條紋的質(zhì)心位置和準(zhǔn)確的特定級次的波峰峰值位置的對應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，得到擬合表達(dá)式； 第I. 2、解調(diào)時(shí)，將質(zhì)心帶入通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的擬合表達(dá)式，得到該特定級次波峰的估測位置，估測位置所在的波峰即為需要確定的特定級次的波峰； 第2、已確定的特定級次波峰峰值位置的準(zhǔn)確獲取 第2. I、利用七步相移公式得到干涉條紋的相對相位0 (n)
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的方法，其特征在于第I步中干涉條紋的質(zhì)心位置的獲取方法是 1)對采集的離散干涉信號提取對比度K(n)； 2)對比度K(n)取絕對值得到K’(n)，n同樣為采集序列號，S卩K’(n) = |K(n)； 3)對K’(n)設(shè)置一個(gè)閾值&以提取出最有效的信息K’(j)，j為K' (n)的幅值大于設(shè)定閾值&對應(yīng)的采集序列號，其中
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的方法，其特征在于第I步中準(zhǔn)確的特定級次波峰峰值位置的獲取方法是壓強(qiáng)以一定的壓強(qiáng)間隔單調(diào)增大時(shí)，干涉條紋會發(fā)生單調(diào)平移，利用遞歸比較的方法可以依次確定特定級次的波峰位置，其中一定的壓強(qiáng)間隔的需滿足壓強(qiáng)變化引起的波峰峰值位置的平移量不大于干涉條紋的波長X，才能保證遞歸比較法的有效性。然后再利用權(quán)利要求書I第2步所述的方法準(zhǔn)確地獲取其峰值位 置。
全文摘要
基于標(biāo)定算法和相移技術(shù)的快速、高精度低相干干涉解調(diào)方法，屬于光纖傳感領(lǐng)域，具體涉及大氣壓力的測量，測量方法基于低相干干涉技術(shù)，將外界大氣壓力的變化轉(zhuǎn)換為法布里-珀羅傳感器的腔長信息，當(dāng)腔長引起的光程差和干涉儀掃描的光程差相匹配時(shí)在該局部區(qū)域形成明顯的低相干干涉條紋。該方法首先利用改進(jìn)型質(zhì)心的標(biāo)定算法快速地確定一個(gè)特定級次的波峰位置，然后利用對相移技術(shù)得到的該波峰對應(yīng)的相對相位進(jìn)行線性擬合的方法準(zhǔn)確地獲取其峰值位置。波峰的定位和峰值位置的準(zhǔn)確獲取所需要的計(jì)算量都很小，且能夠保持很高的解調(diào)精度，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)低相干干涉的快速、高精度解調(diào)。
文檔編號G02F2/00GK102680010SQ201210137690
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月7日
發(fā)明者劉琨, 劉鐵根, 吳凡, 孟祥娥, 尹金德, 張以謨, 江俊峰, 王雙, 王少華, 秦尊琪 申請人:天津大學(xué)