一种基于微波光子相位反演的FBG传感器阵列解调方法

本发明涉及光纤传感，尤其涉及一种基于微波光子相位反演的fbg传感器阵列解调方法。

背景技术：

1、光纤布拉格光栅（fiber bragg grating，fbg）因其具有结构紧凑、抗电磁干扰等优势，且能够实现对温度、应力和振动等多种物理参数的测量，已成为光纤传感技术领域中的核心元件。通过在单根光纤上级联多个光栅所构成的fbg阵列，能够有效实现长距离准分布式传感，已被广泛应用于桥梁、管道、电网等基础设施结构健康监测，以及自动化生产、航空航天、精密制造等领域工况状态监测。

2、传统的fbg传感器通常依赖光谱分析仪或可调谐激光器来直接追踪布拉格波长的漂移，但这类光学仪器不仅成本高昂，且难以兼顾高分辨率与高采样率。在fbg阵列的解调方案中，波分复用方案面临能量利用率低与节点容量受限的瓶颈。在此机制下，高反光栅的复用规模受限于光源总带宽；而弱反光栅虽然反射率低，但由于波分方案依赖波长差异区分位置，无法利用透射过去的剩余光能来增加复用容量。这不仅导致系统的能量利用效率低下，同时光源有限的总光谱带宽也限制了传感器的可复用数量上限，难以实现大规模传感组网。相比之下，基于时分复用的解调方案具有更强的复用能力，然而光时域反射技术的空间分辨率受限于探测光脉冲的宽度，由此导致现有技术存在着难以兼顾分辨率与信噪比的技术缺陷，即若要提升分辨率则需要缩短脉冲宽度，而脉宽的减小会导致回波能量下降，进而造成信噪比恶化。另外，为避免光纤链路中的回波串扰，系统需严格限制脉冲重复频率，现有的离散脉冲采样机制存在较长时域盲区，无法有效捕捉高频或瞬态微扰信号，难以实现对环境参量的全时连续动态感知。光频域反射技术虽然具备较高的空间分辨率，但其核心依赖昂贵的高相干线性扫频激光器，系统性能不可避免地受限于光源固有的扫频速率瓶颈与非线性误差。同时，基于全链路光波拍频的解调机制会产生庞大的数据量，加之繁冗的信号处理过程会大幅延长解调时间，难以满足高频动态参量的实时测量需求，制约了其对大规模光栅阵列的组网复用能力。

3、在实际应用中需要根据场景需求布设相应的波分或全同fbg阵列，而上述解调方案存在场景适用局限性。对于波分复用方案而言，其主要依赖布拉格波长的差异来区分空间位置，这导致其难以解调反射波长重叠的全同fbg阵列，限制了传感节点的复用数量与组网灵活性。而对于时分复用方案而言，在解调波分fbg阵列时，要求探测脉冲的光谱范围需完全覆盖所有波分fbg的反射波长，宽光谱的脉冲在光纤链路中传输时会因群速度色散效应而发生严重的展宽，这不仅会引起相邻光栅时域信号的重叠与串扰，导致解调难度增加且更易产生误差，还会降低系统的空间分辨率。基于波长-时间映射的微波光子传感技术，可以将fbg的波长偏移直接映射为光载微波信号的时域延迟变化，从而有效突破了传统解调方案的场景适用局限，无论面对波分还是全同fbg阵列，均能提供兼容且稳健的复用解调，满足了复杂场景的布设需求。常规的光载微波幅度响应解调法易受光源输出功率起伏以及光纤链路中各类环境噪声波动的影响，导致系统的抗干扰能力较差，且整体解调测量精度较低。

4、因此，亟需一种能够克服光源波动与环境噪声干扰、具备快速与高测量精度，且能广泛兼容波分与全同类型fbg阵列的传感解调方法。

技术实现思路

1、为了实现上述技术目标，本发明提供了一种基于微波光子相位反演的fbg传感器阵列解调方法，其详细技术方案如下：

2、一种基于微波光子相位反演的fbg传感器阵列解调方法，其包括如下步骤：

3、s1、采用宽谱光源输出宽光谱连续光信号；

4、s2、采用矢量网络分析仪输出扫频微波信号，并通过电光调制器将所述扫频微波信

5、号强度调制于所述宽光谱连续光信号上，生成光载微波信号；

6、s3、将所述光载微波信号经光环行器注入由n个fbg级联构成的fbg传感器阵列，其中n≥2，所述fbg传感器阵列中各个fbg的反射光信号携带由待测目标参量变化所引起的波长偏移信息；

7、s4、所述反射光信号经色散模块产生波长-时间映射延迟后，由光电探测器转换为微波信号，并输入所述矢量网络分析仪，获取包含所述fbg传感器阵列全部传感信息的系统宽带频率响应；

8、s5、对所述系统宽带频率响应依次执行逆傅里叶变换、时域门控截取以及傅里叶变换，具体为：先通过逆傅里叶变换获得时域响应，利用时域门控精准定位、分离并截取特定fbg的时域回波信号，再经傅里叶变换得到该fbg的局部微波相位响应；

9、s6、基于反演的局部微波相移计算出各fbg的波长漂移量，实现fbg传感器阵列的多节点准分布式解调。

10、在一些实施例中，步骤s4中，所述系统宽带频率响应h(ω)表示为：

11、，

12、其中，ω为所述矢量网络分析仪输出的微波信号的角频率，n为所述fbg传感器阵列中级联的fbg总数，ai为第i个fbg的反射幅度；τi为第i个fbg在探测系统中的总群时延。

13、在一些实施例中，步骤s5中，对所述系统宽带频率响应执行逆傅里叶变换后，系统的时域响应hb(t)表现为n个sinc脉冲信号的叠加：

14、，

15、其中，b为所述矢量网络分析仪的扫频带宽。

16、在一些实施例中，步骤s5中，所述时域门控截取具体为：针对特定待解调的第i个fbg，在其复数时域响应信号上施加一个以τi为中心的实值窗函数wi(t)，分离并截取对应于该特定fbg的局部时域回波信号hg,i(t)：

17、，

18、对截取后的局部时域回波信号hg,i(t)执行傅里叶变换，重建该特定fbg的局部复数频率响应，并提取其局部微波相位响应。

19、在一些实施例中，步骤s6中，所述局部微波相位的偏移量δφ(ω)与波长漂移量δλi的关系为：

20、，

21、其中，d(λi)为所述色散模块在对应布拉格波长处的色散系数；通过量化特定fbg局部频率响应中的微波相位偏移量即可计算得到波长漂移量。

22、在一些实施例中，所述fbg传感器阵列为波分fbg阵列、全同fbg阵列或波分/全同混合配置fbg阵列中的任意一种；

23、当所述fbg传感器阵列为波分fbg阵列时，各fbg具有不同布拉格波长，依靠所述色散模块的群速度色散特性使各fbg的sinc脉冲在时域上相互错开以实现时域门控截取；

24、当所述fbg传感器阵列为全同fbg阵列时，各fbg具有相同布拉格波长，依靠各fbg之间的物理空间间隔所形成的本征往返光程差使各fbg的sinc脉冲在时域上独立分离以实现时域门控截取；

25、对于所述波分/全同混合配置fbg阵列，波分fbg之间依靠色散延迟区分，全同fbg之间依靠物理空间间隔区分，波分fbg与全同fbg之间依据各自的延迟机制在时域上整体分离。

26、在一些实施例中，本发明的fbg传感器阵列解调方法还包括动态振动参量的同步测量步骤：

27、当特定fbg受到外部高频动态振动微扰时，在对系统频率响应执行逆傅里叶变换后得到的时域响应中，于主反射脉冲峰的两侧对称生成由振动诱导的边带信号；所述边带信号与主反射脉冲峰之间的时域延迟差与振动频率呈线性映射关系，基于该时域延迟差计算出外部动态微扰的振动频率；

28、对所述特定fbg执行频域局部微波相位提取，通过消除微波相位对射频频率的依赖性获取时域频率无关相移，基于所述频率无关相移的波动幅值反演出振动幅度。

29、在一些实施例中，所述时域延迟差对振动频率的响应斜率s满足：

30、,

31、其中，ts为系统单次扫频时间，np为频率响应测量的采样点数，if为所述矢量网络分析仪的中频带宽，b为扫频带宽；

32、系统所能支持的最大可测振动频率fv,max为：

33、，

34、其中，τadjacent为相邻fbg之间的本征时域延迟。

35、在一些实施例中，所述宽谱光源为工作于c波段的放大自发辐射光源，其波长范围为1530 nm至1565 nm；所述矢量网络分析仪的频谱测量区间为0~6 ghz，中频带宽为1 khz，扫频点数为5001点；所述色散模块为色散补偿光纤或啁啾光纤光栅，其群速度色散量设置为使相邻fbg的反射信号在时域上可分辨；所述电光调制器和光电探测器的带宽覆盖所述矢量网络分析仪的扫频范围。

36、在一些实施例中，所述待测目标参量为温度、应力、压力、折射率、位移或加速度中的任意一种或多种；所述fbg传感器阵列中的光纤传感元件为光纤布拉格光栅或倾斜光纤布拉格光栅。

37、本发明的技术效果如下：

38、1、采用宽谱连续光配合扫频微波连续调制，以连续扫频替代离散脉冲采样，从根本上消除了时域盲区，实现了对外部环境参量的全时连续感知。

39、2、通过“逆傅里叶变换→时域门控截取→傅里叶变换→局部微波相位提取”的信号处理链，将波长漂移测量从时域峰值追踪转变为微波相位偏移量化，无需插值运算，且相位测量对噪声的敏感度低于时域峰值追踪，实现了快速且高精度的波长漂移测量。

40、3、采用微波相位响应而非幅度响应作为解调依据，局部微波相移对光源功率起伏和链路强度噪声天然免疫，从根本上克服了幅度解调法的抗干扰缺陷。

41、4、通过色散波长-时间映射配合时域门控截取，在同一信号处理框架下同时支持波分阵列与全同阵列的解调，无需切换系统配置，突破了传统方案的场景适用局限性。