基于位置相关色散特性的快速低相干干涉解调方法

摘要

基于位置相关色散特性的快速低相干干涉解调方法，属于光纤传感领域，具体涉及大气压力的测量，也适用于三维形貌检测以及光学相干断层扫描技术等测量领域。本方法基于低相干干涉技术，使用法布里-珀罗（F-P）传感器作为传感干涉仪，通过腔长变化感受大气压力，使用起偏器、双折射光楔和检偏器构成的解调干涉仪，对F-P传感器调制的光信号进行解调，在零光程差的局部区域形成空间低相干干涉条纹。该方法采用低精度的质心法得到包络峰值位置，根据系统位置相关色散特性及相移法计算得到准确的中心波长干涉条纹中心条纹的峰值位置，以及该中心条纹的级次，从而恢复出准确的中心波长干涉条纹的零级条纹峰值位置，进而实现距离的快速高精度解调。

主权项

一种基于位置相关色散特性的快速低相干干涉解调方法，其特征在于该方法包括：第1、确定低相干干涉条纹包络峰值位置，并解调出包络峰值位置对应的低精度距离；第1.1、通过质心法确定低精度的低相干干涉条纹包络峰值位置s′_m：$s_m^{\prime }=\frac{\Sigma [s\times |I\left(s\right)\left|\right]}{\Sigma \left|I\left(s\right)\right|}$其中，s为低相干干涉信号对应的位置信息，I(s)为s处的低相干干涉信号强度；第1.2、根据上面的包络峰值位置s′_m计算低精度距离h_m：h_m＝(1+αk₀/n₀)s′_m/2其中，k₀＝2π/λ₀是光源光谱的中心波数，λ₀为光源光谱的中心波长，n₀是中心波长对应的折射率，α是光源光谱范围内位置相关色散引起的折射率变化率，是一种色散特征属性；第2、根据位置相关色散特性判定中心波长干涉条纹的中心条纹级次m：m＝int[s′_mαk₀/(n₀λ₀)]；第3、根据位置相关色散特性确定中心波长干涉条纹的中心条纹峰值位置；第3.1、确定低相干干涉条纹中心条纹峰值位置s′_cm：s′_cm＝(1+αk₀/n₀)s′_m‑[m+ΔΦ(s′_m)/(2π)]λ₀其中，$\Delta \Phi \left(s_m^{\prime }\right)=\frac{arctan[{\mathrm{\alpha \Delta k}}^2{s}_m^{\prime }/\left(4n_{0}ln2\right)]}{2},$Δk为光源光谱波数半峰全宽；第3.2、以s′_cm为初始位置，利用五步相移公式得到低相干干涉条纹中心条纹对应的相对相位的正切函数tan[φ(s)]：$tan\left[\phi \left(s\right)\right]=\frac{2[I(s-{\lambda }_0/4)-I(s+{\lambda }_0/4)]}{2I\left(s\right)-I(s+{\lambda }_0/2)-I(s-{\lambda }_0/2)}$其中，φ(s)∈(‑π,π)为低相干干涉条纹中心条纹对应的相对相位，可以通过对tan[φ(s)]进行四象限反正切运算获得；第3.3、对已经确定的低相干干涉条纹中心条纹对应的相对相位φ(s)进行最小二乘线性拟合，拟合直线纵坐标为零的点所对应的横坐标值即为准确的低相干干涉条纹的中心条纹峰值位置s′_c；第3.4、根据位置相关色散特性及已获得的s′_c，计算得到准确的中心波长干涉条纹中心条纹的峰值位置s_c：$s_c=s_c^{\prime }+\frac{arctan[{\mathrm{\alpha k}}^2{s}_c^{\prime }/\left(4n_{0}ln2\right)]}{2k_0}-\frac{{\eta }_s{\left[\Delta k(1+{\mathrm{\alpha k}}_0/n_0)(s_c^{\prime }-s_m^{\prime })\right]}^2}{16(1+{\eta }_s^2)k_{0}ln2}$其中，η_s＝αΔk²s′_c/(4n₀ln2)；第4、利用准确的中心波长干涉条纹的中心条纹峰值位置s_c和级次m，恢复出准确的中心波长干涉条纹的零级条纹峰值位置s₀：s₀＝s_c+mλ₀从而确定准确的距离信息s₀/2，实现距离的高精度解调。