本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體的，涉及一種基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，由于地震、礦難、輸油管道泄漏等自然災(zāi)害與安全事故的不斷發(fā)生，聲波與振動(dòng)信號(hào)傳感引起了越來(lái)越多的關(guān)注?；诠饫w技術(shù)的動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感器與傳統(tǒng)的電學(xué)式或機(jī)械式傳感器相比，具有體積小，重量輕，抗電磁干擾，耐腐蝕以及易于組網(wǎng)復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法也受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量在很多工程應(yīng)用場(chǎng)合有著重要的應(yīng)用，例如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、地震災(zāi)害預(yù)警、管道泄漏監(jiān)測(cè)、海洋勘探與水聲通信等。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波或振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)光纖動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法開(kāi)展了大量的研究。目前比較常見(jiàn)的方法有三種，包括強(qiáng)度解調(diào)、斜邊濾波解調(diào)與相位解調(diào)?；趶?qiáng)度解調(diào)的動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感通常基于動(dòng)態(tài)聲波或振動(dòng)信號(hào)對(duì)傳感器的光學(xué)損耗產(chǎn)生動(dòng)態(tài)調(diào)制，通過(guò)直接檢測(cè)光強(qiáng)度變化獲得動(dòng)態(tài)信號(hào)。這種方法與斜邊濾波和相位解調(diào)技術(shù)相比準(zhǔn)確度較低。斜邊濾波是基于動(dòng)態(tài)信號(hào)對(duì)傳感器光譜產(chǎn)生動(dòng)態(tài)調(diào)制，通過(guò)采用一個(gè)單波長(zhǎng)激光器，將波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)在光譜斜邊線(xiàn)性區(qū)中心處(Q點(diǎn))，將光譜的變化轉(zhuǎn)化為該波長(zhǎng)處光強(qiáng)度的變化。這種方法需要對(duì)光譜工作點(diǎn)(Q點(diǎn))進(jìn)行精確控制，且極易受到環(huán)境參數(shù)的干擾，例如溫度、壓力、濕度等。相位解調(diào)與前兩種方法相比穩(wěn)定度與精確度都更高，但常見(jiàn)的相位解調(diào)方法例如相位生成載波調(diào)制(PGC)或正交雙波長(zhǎng)解調(diào)方法都較復(fù)雜，PGC方法需要額外的頻率調(diào)制，正交雙波長(zhǎng)方法需要精確的波長(zhǎng)間隔控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法，旨在解決現(xiàn)有解調(diào)方法受到環(huán)境干擾的影響導(dǎo)致解調(diào)信號(hào)不準(zhǔn)確的技術(shù)問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法，采用寬帶光源作為光纖傳感器的輸入信號(hào)，包括以下步驟：

(1)對(duì)光纖傳感器輸出的光信號(hào)從起始波長(zhǎng)到終止波長(zhǎng)進(jìn)行掃描獲得光譜紋波；

(2)對(duì)光譜紋波進(jìn)行擬合獲得光纖傳感器的靜態(tài)光譜；

(3)將光譜紋波與靜態(tài)光譜進(jìn)行差分處理，獲得差值信號(hào)；

(4)根據(jù)掃描速度和起始波長(zhǎng)將差值信號(hào)從波長(zhǎng)域轉(zhuǎn)化為時(shí)間域，獲得時(shí)域的動(dòng)態(tài)信號(hào)。

采用寬帶光源作為光纖傳感器的輸入信號(hào)，當(dāng)對(duì)傳感器光譜進(jìn)行掃描時(shí)，不同的時(shí)間點(diǎn)掃描至不同的波長(zhǎng)，因此每個(gè)波長(zhǎng)上的光譜上包含有不同時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)信息，通過(guò)掃描得到的光譜紋波進(jìn)行擬合，得到光纖傳感器的靜態(tài)光譜，然后采用差分算法，將光譜波紋中非動(dòng)態(tài)信號(hào)減去，獲得差值信號(hào)，最后通過(guò)掃描速度和起始波長(zhǎng)與時(shí)間關(guān)系，將差值信號(hào)從波長(zhǎng)域轉(zhuǎn)化為時(shí)間域，獲得時(shí)間域動(dòng)態(tài)信號(hào)。

進(jìn)一步，在步驟(4)之前，且在步驟(3)之后還包括以下步驟：

(a)獲得光譜紋波的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)；

(b)對(duì)所有極大值點(diǎn)進(jìn)行擬合得到上邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)，對(duì)所有極小值點(diǎn)進(jìn)行擬合得到下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)；

(c)將上邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)和下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)進(jìn)行差分處理，得到光纖傳感器光譜變化函數(shù)；

(d)將差值信號(hào)與光纖傳感器光譜變化函數(shù)進(jìn)行歸一化處理獲得去包絡(luò)后差值信號(hào)。

由于傳感器在不同波長(zhǎng)處對(duì)同樣幅值的動(dòng)態(tài)信號(hào)的響應(yīng)光強(qiáng)不同，導(dǎo)致解調(diào)出的動(dòng)態(tài)信號(hào)幅值包含有光纖傳感器光譜相應(yīng)函數(shù)信息，通過(guò)獲得光纖傳感器的光譜變化函數(shù)，并將差值信號(hào)與光纖傳感器光譜變化函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，獲得去包絡(luò)后差值信號(hào)能真實(shí)反映動(dòng)態(tài)信號(hào)的幅值。

進(jìn)一步地，步驟(d)根據(jù)公式λ₁≤λ_i≤λ_n進(jìn)行歸一化處理獲得去包絡(luò)后差值信號(hào)；

式中，ΔS(λ_i)為差值信號(hào)在第i個(gè)波長(zhǎng)處的光強(qiáng)，S_w(λ_i)為光纖傳感器光譜變化函數(shù)，ΔS_q(λ_i)為去包絡(luò)后差值信號(hào)在第i個(gè)波長(zhǎng)處的光強(qiáng)，λ₁為起始波長(zhǎng)，λ_n終止波長(zhǎng)，λ_i為第i個(gè)波長(zhǎng)。

進(jìn)一步地，根據(jù)公式ΔS(t_i)＝ΔS(λ_i),λ₁≤λ_i≤λ_n將差值信號(hào)從波長(zhǎng)域轉(zhuǎn)化為時(shí)間域，獲得時(shí)間域動(dòng)態(tài)信號(hào)；

式中，V為掃描速度，ΔS(t_i)為時(shí)間域的動(dòng)態(tài)信號(hào)在第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)t_i的振動(dòng)強(qiáng)度，ΔS(λ_i)為差值信號(hào)在第i個(gè)波長(zhǎng)λ_i的光強(qiáng)，λ₁為起始波長(zhǎng)，λ_n終止波長(zhǎng)，λ_i為第i個(gè)波長(zhǎng)。

進(jìn)一步地，對(duì)光譜波紋進(jìn)行擬合時(shí)根據(jù)光纖傳感器類(lèi)型確定擬合函數(shù)。

進(jìn)一步地，起始波長(zhǎng)和終止波長(zhǎng)、掃描速度與波長(zhǎng)分辨率根據(jù)動(dòng)態(tài)信號(hào)的頻率確定。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明提供的基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法，采用寬帶光作為光纖傳感器光源，基于對(duì)光纖傳感器輸出的光譜數(shù)據(jù)處理解調(diào)時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)，因此無(wú)需對(duì)光源進(jìn)行復(fù)雜的波長(zhǎng)控制，也無(wú)需額外的相位調(diào)制，簡(jiǎn)化光纖傳感裝置復(fù)雜度。

(2)本發(fā)明提供的基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法，基于光譜紋波與其自身擬合曲線(xiàn)做差分運(yùn)算來(lái)恢復(fù)時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)，因此所得到的時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)近乎沒(méi)有直流分量。

(3)本發(fā)明提供的基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法，基于光譜紋波與其自身擬合曲線(xiàn)做差分運(yùn)算來(lái)恢復(fù)時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)，可以消除環(huán)境因素的影響，例如溫度、濕度、壓力、折射率等。當(dāng)外界環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)，光譜發(fā)生漂移或強(qiáng)度變化，因此其自身擬合出的曲線(xiàn)也經(jīng)歷了相同的變化，通過(guò)二者差分可以消除環(huán)境因素干擾。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供的基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明提供的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法中光譜紋波、靜態(tài)光譜、上邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)和下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)的關(guān)系示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的實(shí)施例中驗(yàn)證基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法所用到的光纖聲波傳感裝置的示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中光纖聲波傳感裝置受到200Hz聲波作用時(shí)記錄的光譜紋波以及通過(guò)極值點(diǎn)擬合出的上下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)；

圖5時(shí)本發(fā)明實(shí)施例中光纖聲波傳感裝置受到200Hz聲波作用時(shí)從光譜紋波上尋找出的極值點(diǎn)；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中光纖聲波傳感裝置受到200Hz聲波作用時(shí)根據(jù)光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)算法恢復(fù)出的時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中光纖聲波傳感裝置分別處在不同環(huán)境參數(shù)下響應(yīng)200Hz聲波信號(hào)時(shí)的波形圖，其中，(a)為在不同環(huán)境參數(shù)下時(shí)響應(yīng)200Hz聲波信號(hào)時(shí)光譜紋波，(b)根據(jù)不同環(huán)境參數(shù)下響應(yīng)200Hz聲波信號(hào)時(shí)光譜紋波恢復(fù)出200Hz聲波時(shí)域信號(hào)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明提供的基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法的流程圖，步驟包括：

(1)對(duì)光纖傳感器輸出的光信號(hào)從起始波長(zhǎng)到終止波長(zhǎng)進(jìn)行掃描獲得光譜紋波。起始波長(zhǎng)與終止波長(zhǎng)、掃描速度以及掃描時(shí)頻率分辨率根據(jù)動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率確定。

(2)對(duì)光譜紋波進(jìn)行擬合獲得光纖傳感器的靜態(tài)光譜。光纖傳感器的類(lèi)型不同，光纖傳感器的靜態(tài)光譜所服從的函數(shù)也不同。例如，對(duì)長(zhǎng)周期光柵型傳感器可采用洛倫茲函數(shù)擬合，對(duì)光纖布拉格光柵型傳感器可采用高斯函數(shù)擬合，對(duì)干涉型傳感器可采用三角函數(shù)或高斯函數(shù)擬合。

(3)將光譜紋波與靜態(tài)光譜進(jìn)行差分處理，獲得差值信號(hào)。

差分處理是指獲取光譜波紋在第i個(gè)波長(zhǎng)λ_i處的光強(qiáng)，同時(shí)獲得靜態(tài)光譜在第i個(gè)波長(zhǎng)λ_i處的光強(qiáng)，將光譜波紋在第i個(gè)波長(zhǎng)λ_i處的光強(qiáng)與靜態(tài)光譜在第i個(gè)波長(zhǎng)λ_i處的光強(qiáng)相減，獲得動(dòng)態(tài)信號(hào)在第i個(gè)波長(zhǎng)λ_i處的振動(dòng)強(qiáng)度，1≤i≤n，λ₁≤λ_i≤λ_n，n為掃描次數(shù)，λ₁為起始波長(zhǎng)，λ_n終止波長(zhǎng)。

(4)根據(jù)掃描速度和起始波長(zhǎng)將去差值信號(hào)從波長(zhǎng)域轉(zhuǎn)化為時(shí)間域，獲得時(shí)域的動(dòng)態(tài)信號(hào)。

根據(jù)公式ΔS(t_i)＝ΔS(λ_i),λ₁≤λ_i≤λ_n將差值信號(hào)從波長(zhǎng)域轉(zhuǎn)化為時(shí)間域，獲得時(shí)間域動(dòng)態(tài)信號(hào)；

式中，V為掃描速度，ΔS(t_i)為時(shí)間域的動(dòng)態(tài)信號(hào)在第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)t_i的強(qiáng)度，ΔS(λ_i)為差值信號(hào)在第i個(gè)波長(zhǎng)λ_i的光強(qiáng)。

本發(fā)明提供的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法中，采用普通的寬帶光源，通過(guò)對(duì)光纖傳感器輸出光譜進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，得到光纖傳感器在響應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生光譜波紋，對(duì)該光譜紋波進(jìn)行擬合獲得光纖傳感器的靜態(tài)光譜，將光譜與光纖傳感器的靜態(tài)光譜做差分處理，并通過(guò)掃描速度和起始波長(zhǎng)將差值信號(hào)換算時(shí)間域動(dòng)態(tài)信號(hào)。這種解調(diào)方法本身不需要對(duì)光源精確的波長(zhǎng)控制或額外的調(diào)制器，且由于對(duì)時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)的恢復(fù)是基于傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)的光譜紋波與光譜紋波自身擬合曲線(xiàn)做差分，因此可以消除掉環(huán)境參數(shù)抖動(dòng)的干擾，包括溫度、濕度、壓力、折射率等。同時(shí)使得獲得時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)無(wú)直流分量。

當(dāng)光纖傳感器響應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，傳感器的光譜會(huì)由于動(dòng)態(tài)信號(hào)的擾動(dòng)而隨時(shí)間變化。換言之，響應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)傳感器的光譜紋波是波長(zhǎng)和時(shí)間的函數(shù)：

S(λ,t)＝S₀(λ)+ΔS(λ,t)

S(λ,t)為光纖傳感器響應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)輸出光譜紋波，S₀(λ)為光纖傳感器靜態(tài)光譜函數(shù)，ΔS(λ,t)為差值信號(hào)，由于差值信號(hào)是響應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)而出現(xiàn)的，能夠反映動(dòng)態(tài)信號(hào)信息。

常見(jiàn)的應(yīng)用于檢測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)的光纖傳感器，其光譜的變化(波長(zhǎng)漂移或強(qiáng)度變化)與動(dòng)態(tài)信號(hào)的強(qiáng)度成正比，因此，若動(dòng)態(tài)信號(hào)是單頻正弦信號(hào)，則通過(guò)掃描獲得光譜紋波可以表示為：

ΔS_w(λ)表示受到動(dòng)態(tài)信號(hào)擾動(dòng)時(shí)光譜變化函數(shù)，從上式中可以看出，當(dāng)單頻動(dòng)態(tài)信號(hào)作用于傳感器時(shí)，掃描一周會(huì)形成周期性的紋波，紋波波長(zhǎng)周期由動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率與掃描速度決定。

掃描速度一定時(shí)，紋波波長(zhǎng)周期間隔與動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率成反比；當(dāng)動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率一定時(shí)，紋波波長(zhǎng)周期間隔與掃描速度成正比。當(dāng)掃描速度一定時(shí)，在一定的掃描波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描時(shí)間相同，因此動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率越高，在一個(gè)掃描周期被記錄在光譜上的信號(hào)周期越多，因此紋波波長(zhǎng)周期間隔越?。划?dāng)動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率一定時(shí)，掃描速度越快，在一定的掃描波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描時(shí)間越短，被記錄在光譜上的信號(hào)周期越少，因此紋波波長(zhǎng)周期間隔更大。

由于光譜是在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)勻速掃描獲得的，因此可通過(guò)掃描速度將時(shí)間用波長(zhǎng)表示，即

式中，λ₁≤λ≤λ_n，λ₁為掃描光譜紋波時(shí)起始波長(zhǎng)，λ_n掃描光譜紋波時(shí)起始波長(zhǎng)，V為掃描速度。

代入光譜紋波函數(shù)中，光譜紋波函數(shù)為：

因此，可以?huà)呙璜@得光纖傳感器在響應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)輸出的光譜紋波進(jìn)行解調(diào)獲得時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)。

本發(fā)明提供的基于光譜擬合與差分算法的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法，包括：

(1)對(duì)光纖傳感器輸出的光信號(hào)從起始波長(zhǎng)到終止波長(zhǎng)進(jìn)行掃描獲得光譜紋波。

(2)對(duì)光譜紋波進(jìn)行擬合獲得光纖傳感器的靜態(tài)光譜。

(3)將光譜紋波與靜態(tài)光譜進(jìn)行差分處理，獲得差值信號(hào)。

(4)對(duì)差值信號(hào)進(jìn)行去包絡(luò)處理，包括子步驟(a)至子步驟(d)：

(a)獲得光譜紋波的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)。

根據(jù)極大值搜尋公式

[S(λ_i-1)-S(λ_i)]·[S(λ_i)-S(λ_i+1)]<0,S(λ_i-1)-S(λ_i)<0

獲得光譜紋波的極大值點(diǎn)。

根據(jù)極大值搜尋公式

[S(λ_i-1)-S(λ_i)]·[S(λ_i)-S(λ_i+1)]<0,S(λ_i-1)-S(λ_i)>0

獲得光譜紋波的極小值點(diǎn)。

式中，S(λ_i)為在光譜紋波中第i個(gè)波長(zhǎng)λ_i處的光強(qiáng)。

(b)對(duì)所有極大值點(diǎn)擬合得到上邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)，對(duì)所有極小值點(diǎn)擬合得到下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)。

(c)將上邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)和下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)進(jìn)行差分處理，得到光纖傳感器光譜變化函數(shù)。

差分處理與步驟(3)中處理方式相同，將相同波長(zhǎng)處的上邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)的光強(qiáng)和下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)的光強(qiáng)進(jìn)行相減，獲得光纖傳感器在該波長(zhǎng)處的光強(qiáng)。

(d)將差值信號(hào)與光纖傳感器光譜變化函數(shù)進(jìn)行歸一化處理獲得去包絡(luò)后差值信號(hào)。

根據(jù)公式λ₁≤λ_i≤λ_n進(jìn)行歸一化處理獲得去包絡(luò)后差值信號(hào)；

式中，ΔS(λ_i)為差值信號(hào)在第i個(gè)波長(zhǎng)處的光強(qiáng)，S_w(λ_i)為光纖傳感器光譜變化函數(shù)，ΔS_q(λ_i)為去包絡(luò)后差值信號(hào)第i個(gè)波長(zhǎng)處的光強(qiáng)。

(5)根據(jù)掃描速度和起始波長(zhǎng)將去包絡(luò)后差值信號(hào)從波長(zhǎng)域轉(zhuǎn)化為時(shí)間域，獲得去包絡(luò)時(shí)間域的動(dòng)態(tài)信號(hào)。

根據(jù)公式ΔS_q(t_i)＝ΔS_q(λ_i),λ₁≤λ_i≤λ_n將去包絡(luò)差值信號(hào)從波長(zhǎng)域轉(zhuǎn)化為時(shí)間域，獲得時(shí)間域動(dòng)態(tài)信號(hào)；

式中，V為掃描速度，ΔS_q(t_i)為去包絡(luò)后時(shí)間域的動(dòng)態(tài)信號(hào)在第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)t_i的振動(dòng)強(qiáng)度，ΔS_q(λ_i)為去包絡(luò)后差值信號(hào)在第i個(gè)波長(zhǎng)λ_i的光強(qiáng)。

為了更清楚的描述本發(fā)明提供的光纖傳感動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)方法，如圖2給出了光譜紋波、靜態(tài)光譜、上邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)和下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)的關(guān)系示意圖。

若動(dòng)態(tài)信號(hào)是單頻正弦信號(hào)，則通過(guò)掃描獲得光譜紋波可以表示為：

通過(guò)對(duì)光譜紋波擬合的方式得到靜態(tài)光譜曲線(xiàn)S₀(λ)，將紋波光譜與靜態(tài)光譜做差，并通過(guò)掃描速度將波長(zhǎng)換算為時(shí)間，可以得到時(shí)域信號(hào)為ΔS_w(λ)cos(ωt)。由于光譜變化函數(shù)△S(λ)在不同的波長(zhǎng)處函數(shù)值不同，會(huì)導(dǎo)致恢復(fù)出的時(shí)域信號(hào)被一個(gè)大包絡(luò)調(diào)制。通過(guò)找出光譜紋波的極值點(diǎn)，并將極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)分別擬合，得到光譜紋波的上下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)，將上下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)做差可以得到光譜變化函數(shù)在不同波長(zhǎng)處的函數(shù)值。因此將差值信號(hào)與光譜變化函數(shù)在對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處進(jìn)行除法運(yùn)算，可以將大包絡(luò)消除，得到最終的時(shí)域信號(hào)。

采用寬帶光源作為光纖傳感器的輸入信號(hào)，當(dāng)對(duì)傳感器光譜進(jìn)行掃描時(shí)，不同的時(shí)間點(diǎn)掃描至不同的波長(zhǎng)，因此每個(gè)波長(zhǎng)上的光譜上包含有不同時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)信息，通過(guò)掃描得到的光譜紋波進(jìn)行擬合，得到光纖傳感器的靜態(tài)光譜，然后采用差分算法，將光譜波紋中非動(dòng)態(tài)信號(hào)減去，獲得差值信號(hào)，由于傳感器在不同波長(zhǎng)處對(duì)同樣幅值的動(dòng)態(tài)信號(hào)的響應(yīng)光強(qiáng)不同，導(dǎo)致解調(diào)出的動(dòng)態(tài)信號(hào)幅值包含有光纖傳感器光譜相應(yīng)函數(shù)信息，通過(guò)獲得光纖傳感器的光譜變化函數(shù)，并將差值信號(hào)與光纖傳感器光譜變化函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，獲得去包絡(luò)后差值信號(hào)能真實(shí)反映動(dòng)態(tài)信號(hào)的幅值。

以下結(jié)合實(shí)施例提供的基于長(zhǎng)周期光柵的聲波傳感器，進(jìn)一步闡述本發(fā)明；本發(fā)明實(shí)施例的光纖聲波傳感裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括寬帶光源1、PET膜片2、長(zhǎng)周期光柵3、光譜儀4、光譜數(shù)據(jù)處理5、揚(yáng)聲器6、信號(hào)發(fā)生器7；寬帶光源1與長(zhǎng)周期光柵3相連，長(zhǎng)周期光柵3被拉直固定在PET膜片2上；長(zhǎng)周期光柵3的輸出端與光譜儀4相連接；光譜儀4記錄的傳感器光譜數(shù)據(jù)由光譜數(shù)據(jù)處理5按照本發(fā)明所述解調(diào)算法進(jìn)行處理；揚(yáng)聲器6固定在距離PET膜片2距離一定的固定位置上，并與信號(hào)發(fā)生器7相連接。

具體地，實(shí)施例中，長(zhǎng)周期光柵3與寬帶光源1以及光譜儀4之間利用FC/APC光纖接頭通過(guò)法蘭盤(pán)對(duì)接。

長(zhǎng)周期光柵3被固定在起聲學(xué)換能作用的PET膜片2上，并保持拉直狀態(tài)；當(dāng)聲波作用于PET膜片2時(shí)會(huì)引起薄膜的振動(dòng)，從而對(duì)固定于薄膜上的長(zhǎng)周期光柵3的曲率產(chǎn)生周期性的調(diào)制。

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)上述光纖聲波傳感及解調(diào)方法的原理進(jìn)行闡述。

寬帶光源1發(fā)出的光進(jìn)入到固定在PET膜片2上的長(zhǎng)周期光柵3，當(dāng)光信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)周期光柵3時(shí)，由于有纖芯模耦合到包層模，導(dǎo)致在長(zhǎng)周期光柵的諧振波長(zhǎng)處出現(xiàn)損耗峰；由長(zhǎng)周期光柵3出射的光信號(hào)進(jìn)入光譜儀4，并由光譜儀4記錄下長(zhǎng)周期光柵3的光譜數(shù)據(jù)。信號(hào)發(fā)生器7可產(chǎn)生單頻正弦信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器6產(chǎn)生單頻正弦聲波。

當(dāng)外界聲波作用于該傳感器時(shí)會(huì)導(dǎo)致聲學(xué)換能薄膜的振動(dòng)，薄膜振動(dòng)會(huì)對(duì)固定于薄膜上的長(zhǎng)周期光柵的曲率產(chǎn)生周期性的動(dòng)態(tài)調(diào)制，且調(diào)制頻率與聲頻相同，進(jìn)而導(dǎo)致其損耗峰處光強(qiáng)度發(fā)生變化。當(dāng)光譜儀通過(guò)掃描方式記錄長(zhǎng)周期光柵在響應(yīng)聲波信號(hào)時(shí)的光譜時(shí)，由于不同波長(zhǎng)處的信號(hào)是在不同的時(shí)間點(diǎn)記錄下的，而在不同的時(shí)間點(diǎn)由于聲波對(duì)長(zhǎng)周期光柵的動(dòng)態(tài)曲率調(diào)制導(dǎo)致其光譜處在不同位置，因此一周期掃描之后形成的光譜會(huì)顯示出周期性的紋波。通過(guò)對(duì)光譜紋波進(jìn)行洛倫茲擬合得到長(zhǎng)周期光柵的靜態(tài)光譜，并將光譜紋波與長(zhǎng)周期光柵的靜態(tài)光譜做差分運(yùn)算，獲得差值信號(hào)，通過(guò)掃描速度和起始波長(zhǎng)將波長(zhǎng)換算為時(shí)間，可以得到解調(diào)出的時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)。

由于長(zhǎng)周期光柵的光譜在響應(yīng)相同強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)信號(hào)變化時(shí)，不同的波長(zhǎng)處強(qiáng)度變化量不同，因此對(duì)同一聲波信號(hào)的響應(yīng)會(huì)在不同的時(shí)間有不同的幅值，即解調(diào)信號(hào)被一個(gè)包絡(luò)調(diào)制。通過(guò)對(duì)光譜紋波的極值進(jìn)行搜尋，并將極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)分別進(jìn)行洛倫茲擬合得到光譜的上邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)與下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)，將兩條邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)在相同波長(zhǎng)處做差分，可得到在由于光譜變化在波長(zhǎng)上的不一致性產(chǎn)生的包絡(luò)，即獲得光譜變化函數(shù)，通過(guò)將差值信號(hào)與光譜變化函數(shù)進(jìn)行除法運(yùn)算可以消除掉加載在解調(diào)時(shí)域動(dòng)態(tài)信號(hào)上的包絡(luò)。

由于本方法基于紋波光譜與其自身擬合曲線(xiàn)的差分算法，當(dāng)環(huán)境變化導(dǎo)致長(zhǎng)周期光柵的靜態(tài)光譜發(fā)生變化時(shí)，在響應(yīng)動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的帶有紋波的光譜與其自身擬合出的曲線(xiàn)經(jīng)歷了相同的光譜變化，因此差分運(yùn)算可以消除諸如溫度、濕度等環(huán)境干擾。

本發(fā)明實(shí)施例中，當(dāng)200Hz正弦聲波信號(hào)作用于傳感器時(shí)，光譜儀記錄下的光譜紋波及擬合出的上下邊緣包絡(luò)曲線(xiàn)如圖4所示；通過(guò)極大值搜尋公式和極小值搜尋公式找出的極大值與極小值如圖5所示；通過(guò)差分算法與掃描速度解調(diào)出的時(shí)域信號(hào)(去除包絡(luò)前與去除包絡(luò)后)如圖6所示；當(dāng)傳感器外界環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，響應(yīng)相同的200Hz聲波信號(hào)時(shí)所記錄的光譜紋波及根據(jù)本發(fā)明所述算法解調(diào)出的時(shí)域信號(hào)如圖7所示。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。