基于BP神经网络的波长扫描光纤干涉仪多目标信号处理技术

　　0　引言

　　半导体激光干涉仪由于体积小、重量轻、抗电磁干扰,适用于危险环境等优点被广泛应用在距离测量领域.近年来,一些新的干涉技术,如白光干涉技术1、线性调制外差干涉技术1,2、多波长干涉技术1等,更是大大提高了测量的精度、灵敏度和动态范围,使光纤干涉仪传感器在单目标距离测量方面获得了巨大的成功.随着光波导器件(optical waveguide device)和集成光路(opticalintegrated circuit)的发展,这些器件的缺陷诊断识别问题对光纤干涉仪提出了新的要求——同时对多个目标进行距离检测3,4和高精度、高分辨力.

　　传统的方法中对多目标的检测是通过多路复用实现的,不同波长通过不同的探头对不同目标进行单目标测量.但在新的缺陷诊断识别问题中,被测对象客观上就是多目标的,因此用传统方法无法完成测量.同时多目标的情况与单目标有很大不同,检测的干涉信号是多个目标混叠的结果,许多在单目标中很成功的方法,如多波长干涉技术1、参考臂抵销技术2,在多目标检测中已失效.

　　对多目标同时检测需要首先分辨出每个目标,而后根据它们每个目标的独立信息来进行目标精确定位.采用FMCW的波长扫描光纤干涉仪可以利用不同目标在干涉回波中频率不同的特性进行目标分离,而后利用相位信息进行精确定位.能否分辨目标的频率成为最核心的问题,如果频率分辨出现错误,相位信息必然错误,定位也就是错误的.

　　在缺陷诊断问题中对目标分辨要求在1mm(对光波导器件)3甚至10μm(对光IC)4,由雷达检测理论可以知道,检测的空间分辨力在FFT分析下δx=c/2nB.其中c为真空中光速,n为折射率,B为光源最大频率扫描范围.因此这表明当n= 1 . 5时为达到1 mm的分辨力需要B=100GHz(0.8nm),而对于10μm的分辨需要B=10THz(80nm),这种扫描范围的要求是非常高的.同时为达到理想的检测又要求光源的功率要高,以保证足够的信噪比.这导致了光源价格非常昂贵.

　　为克服以上问题,我们提出的一种新的基于神经网络的信号处理技术可以在小于FFT要求的扫描带宽下和低的光源功率下达到同样的分辨要求.

　　1　原理与方法

　　1.1　波长扫描干涉仪原理与信号模型

　　图1是一种我们采用的波长扫描干涉法结构,设传输光纤均为单模光纤.

　　可调谐激光器(Tunable Laser)发出的光经过三个耦合器后分为四束,其中两束直接到光电检测器(PD)用于监视在波长扫描时光源光强的时变特性,在后端信号处理时进行补偿.另外两束中一束到一个参考目标,这里参考目标长度L是已知,参考目标的干涉信号3dB耦合器后到PD变为电信号;另一束经半透半反器(BS)后一路到目标,另一路到镜面,它们的反射光相干涉,再经一个PD转换为电信号.四个探测器的输出经放大滤波后到A/D进行数据采集送到DSP进行信号处理.单模光纤可以取很长,这样就可以实现远程测量,而通过调整反射镜的距离则可获得不同的测量起始点.