CN105865500A - 一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，属于光纤传感技术领域。该方法对干涉信号之间的相位差没有特定的要求，解调仪制作完成后，可用于不同光程差的干涉仪，且通过原始信号之间的相互运算去掉直流量的影响，彻底解决了光纤激光干涉型传感器测量动态信号所遇到的两个问题。即，将三束不同波长的光入射到光纤干涉型传感器，获得三路带有相位差的信号，达到移相的目的；再对三路信号进行处理，消除信号中直流分量a的影响，并获取所求信号的正切值，此后，经反正切运算及相位解包裹，最终获得所测信号。本发明能对任意光程差的干涉型光纤传感器进行解调，且属于被动解调法，其解调频率高，仅受电信号处理速度的限制。

Description

一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法
技术领域
本发明涉及一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，属于光纤传感技术领域。
背景技术
激光干涉解调技术可对Michelson、Mach-Zehnder、Fabry-Perot及外腔式Fabry-Perot(EFPI)等干涉仪进行解调。用来解调这些干涉仪动态信号常用的解调方案有相位载波(PGC)法、基于3×3光纤耦合器的零差解调法、正交工作点直接测量法、无源零差正交解调法等。
目前所知对光纤激光干涉型传感器测量动态信号(振动、声等)进行解调的比较好的方案是无源零差正交解调方案，它不受线性区间范围限制，不包含有源器件，测量频率高，适用范围广，通用性好，灵敏度高。以EFPI传感器为例，这一方法包括双F-P腔正交测量法[K.A.Murphy et al，Quadrature phase-shifted,extrinsic Fabry-Perotoptical fiber sensors，Optics Letters,1991,16(4):273-275]及双波长正交测量法[O.B.Wright,Stabilized dual-wavelengthfiber-optic interferometer for vibration measurement,OpticsLetter,1991，16(1):56-58]，在获得两个正交的信号后，利用DCM(differential cross multipler)算法或反正切算法最终获得所测信号。不过，利用双F-P腔来获取两路正交信号的方法在实践中制作传感器上有较大困难，而双波长正交测量法则更容易实现，因而双波长正交测量得到了广泛的应用。
经过多年的发展，无源零差正交解调法日臻成熟，但由于其对两个信号的正交的依赖，其使用一直受到两方面的限制：
(1)对于EFPI传感器而言，为了获取两路正交信号，无论是用双F-P腔来获取正交信号，还是双波长单F-P腔来获取正交信号，都要求腔长与输入激光的波长严格匹配，以保证两路干涉信号正交。因此，一旦解调仪制造完成，EFPI传感器的通用性及制作都有较大的困难。对于其他类型的光纤激光干涉型传感器而言，严格控制其光程差(OPD)也是困难的。
(2)无论是DCM算法或反正切算法，都需要在解调过程的一开始就设法去掉原始信号中的直流量。经常采用的方法有两种，其一就是用高通滤波器来去除直流量[O.B.Wright,Stabilized dual-wavelengthfiber-optic interferometer for vibration measurement,OpticsLetter,1991，16(1)，56-58]，但这种方法只有在振幅较大的情况下才适用，一旦相位调制幅度小于2π，该方法将无法正确解调；另外一种方法就是在使用解调仪之前测得直流量，然后做为预置参数输入到解调程序中，这种方法显然在实际使用中有诸多不便，每换一次传感器都需要重新校准，且有些情况下无法获得准确的直流量。
在2010年，我们提出了一种无源零差正交解调的相位补偿方法[江毅,郭桂荣.一种无源零差正交解调技术的相位补偿方法:中国专利,CN101713685A.2010-05-26]，对原始的两路干涉信号进行处理和计算，然后补偿两路干涉信号偏离90°的相位差，虽然部分克服了上述第一个传感器的制作及通用性受限的问题，但其在相位调制幅度小于2π时失效，仍然没有彻底解决上述两个问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有正交解调法的缺陷，提供一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法。该方法对干涉信号之间的相位差没有特定的要求，解调仪制作完成后，可用于不同光程差的干涉仪，且通过原始信号之间的相互运算去掉直流量的影响，彻底解决了光纤激光干涉型传感器测量动态信号所遇到的上述两个问题。
为达到上述目标，本发明的具体实现方案如下。
一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，具体步骤如下：
步骤一、在使用光纤干涉型传感器对动态信号进行测量时，将三束不同波长的激光通过波分复用器(WDM)或3×3耦合器合束后入射到光纤干涉型传感器中，干涉型传感器反射光通过一个2×2耦合器返回，再通过WDM分解为三路带有相位差的信号。三路带有相位差的信号经过光电转换成为三路电信号，三路电信号表示为： 其中a为直流分量，b为干涉条纹的对比度，为所测动态信号，δ1、δ2、δ3分别为信号f1、f2、f3与信号f1之间的相位差，其大小与激光器的波长λ1、λ2、λ3及干涉型传感器的光程差OPD有关，表示为： 由此，达到了移相的目的。
步骤二、对步骤一中的三路信号进行处理，消除信号中直流分量a的影响，并获取所求信号的正切值：
经恒等变换有，由此可得，式中，B＝cosδ1-cosδ3、C＝sinδ1-sinδ3、D＝2cosδ2-cosδ1-cosδ3、E＝2sinδ2-sinδ1-sinδ3，在相位差δ1、δ2和δ3一定时，B、C、D、E都为已知常量。对进行反正切运算，反正切运算得到的值在(-π/2,π/2)范围内，因此需对反正切后的结果进行相位解包裹，才能得到完整的信号
步骤二所述得到信号的方法为：对的分子(B-AD)和分母(C-AE)进行DCM解调亦可得到正确的信号
有益效果
本发明的一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，成功避免了原始信号中的直流分量对测量的干扰以及原始信号不正交带来的解调误差。经实验证明，本发明测量精度高、方法简洁，适用范围广，对干涉仪的光程差OPD无具体要求，且无论信号的相位调制幅度的大小，都可以正确解调信号，实用性强。
附图说明
图1为测量***结构框图
图2为应用本方法解调腔长为622μm的EFPI传感器加载10Hz正弦波的情况(采样频率为100KHz)：a图为三路原始信号，实线、粗虚线、细虚线分别为信号f1、f2、f3，横坐标为采样点数，纵坐标单位为伏；b图、c图和d图分别为信号f1和f2、信号f2和f3以及信号f1和f3之间的李萨茹图；e图为解调后的信号(峰峰值1005.3nm)，横坐标为采样点数，纵坐标单位为纳米；f图为解调后信号的频谱图，峰值为10Hz。
图3为应用本方法解调腔长为350μm的EFPI传感器加载1000Hz正弦波的情况(采样频率为100KHz)，此时信号的相位调制幅度不足2π：a图为三路原始信号，实线、粗虚线、细虚线分别为信号f1、f2、f3，横坐标为采样点数，纵坐标单位为伏；b图、c图和d图分别为信号f1和f2、信号f2和f3以及信号f1和f3之间的李萨茹图；e图为解调后的信号(峰峰值115.6nm)，横坐标为采样点数，纵坐标单位为纳米；f图为解调后信号的频谱图，峰值为1000Hz。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
将10Hz的正弦波加载到腔长为622um的EFPI传感器上，再使用本发明来解调EFPI传感器的动态信号。
步骤一、将三路不同波长的激光通过WDM入射到传感器中，将返回的光通过WDM分解为三路带有相位差的信号，三路带有相位差的信号经过光电转换成为三路电信号，三路电信号表示为： 其中a为直流分量，b为干涉条纹的对比度，为所测动态信号，δ1、δ2、δ3分别为信号f1、f2、f3与信号f1之间的相位差，其大小与激光器的波长λ1、λ2、λ3及干涉型传感器的光程差OPD有关，对于EFPI传感器来说，OPD＝2d(d为EFPI腔的腔长)，于是有：δ1＝0、
将这三路原始信号采集进入解调仪中进行处理(本实例中采样频率为100KHz)，如图2(a)所示。图2(b)、(c)、(d)分别为信号f1、f2，f2、f3及f1、f3之间的李萨茹图，可以看出信号间相位差并不是90度，相位关系随EFPI腔长的变化而变化。
步骤二、对步骤一中的三路信号进行处理，消除信号中直流分量a的影响，并获取所求信号的正切值：
因为δ1、δ2、δ3已求得，则有B＝cosδ1-cosδ3、C＝sinδ1-sinδ3、D＝2cosδ2-cosδ1-cosδ3、E＝2sinδ2-sinδ1-sinδ3。B、C、D、E都为已知常量。进而可知：进行恒等变换后，有：
对进行反正切运算，反正切运算得到的值在(-π/2,π/2)范围内，因此需对反正切后的结果进行相位解包裹，最终解调出了所测信号并对其进行傅里叶变换获得其频谱图，解调出信号的峰峰值为1005.3nm，频率为10Hz，图2(e)、(f)即为解调后的信号及其频谱图。
实施例2
将1000Hz的正弦波加载到腔长为350um的EFPI传感器上，用实施例1中的同一台解调仪来解调信号。
步骤一、将三路不同波长的激光通过WDM入射到传感器中，将返回的光通过WDM分解为三路带有相位差的信号，三路带有相位差的信号经过光电转换成为三路电信号，三路电信号表示为： 其中a为直流分量，b为干涉条纹的对比度，为所测动态信号，δ1、δ2、δ3分别为信号f1、f2、f3与信号f1之间的相位差，其大小与激光器的波长λ1、λ2、λ3及干涉型传感器的光程差OPD有关，对于EFPI传感器来说，OPD＝2d(d为EFPI腔的腔长)，于是有：δ1＝0、
将这三路原始信号采集进入解调仪中进行处理(本实例中采样频率为100KHz)，如图3(a)所示。图3(b)、(c)、(d)分别为信号f1、f2，f2、f3及f1、f3之间的李萨茹图，可以很明显看出，此时信号的振幅较小，相位调制幅度不足2π。
步骤二、对步骤一中的三路信号进行处理，消除信号中直流分量a的影响，并获取所求信号的正切值
因为δ1、δ2、δ3已求得，则有B＝cosδ1-cosδ3、C＝sinδ1-sinδ3、D＝2cosδ2-cosδ1-cosδ3、E＝2sinδ2-sinδ1-sinδ3。B、C、D、E都为已知常量。于是有：进行恒等变换后，有：
对进行反正切运算，反正切运算得到的值在(-π/2,π/2)范围内，因此需对反正切后的结果进行相位解包裹，最终解调出了所测信号并对其进行傅里叶变换获得其频谱图，解调出信号的峰峰值为115.6nm，频率为1KHz，图3(e)、(f)即为解调后的信号及其频谱图。可以看出，相位调制幅度不足2π的小振幅信号通过本发明提出的方案仍然能够准确解调出信号。
由这两个实例可以看出，本发明涉及的解调方法可适用于任意腔长的EFPI传感器，可以适应不同振幅的情况，不管相位调制幅度是否达到2π。对于其他类型的光纤干涉型传感器，本发明对其光程差及相位调制幅度是否达到2π均无要求，都可以准确解调出所测动态信号。成功解决了现有光纤激光干涉型传感器测量动态信号的解调方案所遇到的两个问题，精度高，方法简洁，适用范围广，实用性强。

Claims (2)

1.一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、在使用光纤干涉型传感器对动态信号进行测量时，将三束不同波长的激光通过波分复用器(WDM)或3×3耦合器合束后入射到光纤干涉型传感器中，干涉型传感器反射光通过一个2×2耦合器返回，再通过WDM分解为三路带有相位差的信号；三路带有相位差的信号经过光电转换成为三路电信号，三路电信号表示为：其中a为直流分量，b为干涉条纹的对比度，为所测动态信号，δ1、δ2、δ3分别为信号f1、f2、f3与信号f1之间的相位差，其大小与激光器的波长λ1、λ2、λ3及干涉型传感器的光程差OPD有关，表示为：δ1＝0、 由此，达到了移相的目的；
步骤二、对步骤一中的三路信号进行处理，消除信号中直流分量a的影响，并获取所求信号的正切值：
经恒等变换有，由此可得，式中，B＝cosδ1-cosδ3、C＝sinδ1-sinδ3、D＝2cosδ2-cosδ1-cosδ3、E＝2sinδ2-sinδ1-sinδ3，在相位差δ1、δ2和δ3一定时，B、C、D、E都为已知常量；对进行反正切运算，反正切运算得到的值在(-π/2,π/2)范围内，因此需对反正切后的结果进行相位解包裹，才能得到完整的信号
2.如权利要求1所述的一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，其特征在于：步骤二所述得到信号的方法为：对的分子(B-AD)和分母(C-AE)进行DCM解调亦可得到正确的信号
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