CN107179097A - 基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法及装置 - Google Patents
基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法及装置，包括激光光源、隔离器、相位调制器、2x2耦合器、参考臂、信号臂、法拉第旋光镜、信号发生器、光电转换器、数据采集模块、数据处理模块和微振动台，利用对激光光源的高速脉冲相位调制，在光纤传感器的输出端实现多路移相信号的产生，配合多路移相算法的解调方法，实现光纤传感器的振动相位解调。该调制解调方法光路简单，解调电路简单，实时性高，精度高，动态范围广，抗环境干扰能力强。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法及装置。
背景技术
随着人类对能源不断增长的需求，石油与天然气等资源日益紧缺，油气田开采关键技术的研究越来越引起人们的重视，地震检波器是地球物理勘探中的核心装置，它能把***引起的地面机械运动转换成电信号，在石油勘探中起着重要的作用，当前传统的地震检波器存在动态范围小，灵敏度低，抗干扰能力差等缺点，这在一定程度上制约了高分辨率地震勘探技术的发展。与传统检波器相比，光纤传感器具有重量轻，抗电磁干扰，灵敏度高，安全可靠，耐腐蚀，可进行分布式测量，易于组网等诸多优点，已经被应用在油井温度与压力测量，输油管道监测，测井技术，地震波监测等方面，在石油勘探方面显示出了巨大优势。
相位检测技术是光纤传感器的关键技术之一。人类相继使用了多种检测方法。其中相位产生载波(PGC)法是目前运用最广的解调方法之一。PGC载波法不需要在干涉仪中加任何器件，***可以实现全光，也便于复用，这是大规模光纤水听器***采用的一种重要方案。但该方法电路处理复杂，会带来相关电路噪音，相位调制但因为边带信号的频谱一般都是无限宽的，所以在做滤波处理的时候也对被测信号的频谱的边缘部分进行了过滤为了精确的测量信号，就必须增加载波的频率和改善低通滤波器的性能。此外，相位调制幅度的变化等外界因素的扰动也会影响该测量方法的精度。同时，由于激光光源的调制频率的限制，同时确保PGC调制深度达到2.4弧度，它一般要求干涉大光程差。以这种方式，即使较小的源频率抖动可以产生一个大的相位噪声的干涉仪。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法及装置，解决了传统相位检测技术易受干扰，硬件***要求高，解算速度慢的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法，方法步骤如下：
步骤1、打开激光光源和微振动台，激光光源发出的光依次经过隔离器和相位调制器，形成经相位调制的激光光束。
步骤2、经过相位调制的激光光束经过耦合器，同时进入其参考臂和信号臂，参考臂和信号臂设置在微振动台上，设参考臂长为L1，信号臂长为L2，且L1<L2，信号臂和参考臂末端分别与法拉第旋光镜连接，经法拉第旋光镜反射后，返回耦合器，经耦合器产生干涉信号，并从耦合器的输出端输出至光电转换器，光电转换器接收干涉信号，设光通过参考臂的时间为t1，光通过信号臂的时间为t2，时间差Δt＝t2-t1，则干涉光强I(t)如下式
设振动信号的振动周期为TS，脉冲调制信号的周期T＜＜TS，所以认为在0<t<T这个时段内，振动信号在时域内保持不变；k为整数，T表示脉冲信号的周期，τ为一个周期内调制的脉冲宽度为τns；令合相位其中为初始相，为漂移相，表示振动信号相。
步骤3、光电转换器将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块采集光强电信号，并将其送入数据处理模块，数据处理模块通过标定相位调制信号和接收信号的延时，来获取三路移相的光强信号I1，I2，I3，于是有
根据三步移相算法，解得
步骤4、去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相
一种基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法的装置，包括激光光源、隔离器、相位调制器和耦合器、法拉第旋光镜、信号发生器、光电转换器、数据采集模块、数据处理模块和微振动台，其中激光光源、隔离器、相位调制器和耦合器通过光纤依次连接，耦合器的参考臂和信号臂分别与法拉第旋光镜连接，参考臂和信号臂均设置在微振动台上，信号发生器与相位调制器连接，耦合器的输出端通过光纤与光电转换器连接，数据采集模块分别与光电转换器和数据处理模块连接。
所述激光光源发出的光依次经过隔离器和相位调制器，信号发生器产生高速脉冲信号，向相位调制器提供π/2的相位调制，形成经相位调制的激光光束；经过相位调制的激光光束经过耦合器，同时进入其参考臂和信号臂，经法拉第旋光镜反射后，返回耦合器，经耦合器产生干涉信号，并从耦合器的输出端输出至光电转换器，光电转换器将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块采集光强电信号，并将其送入数据处理模块，解调出连续的振动信号相
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用高速脉冲信号对激光光源进行相位内调制，利用耦合器的参考臂和信号臂长度差的特性，在输出端实现多路移相信号的产生，有利于快速解算相位信息。
(2)结构简单，精度高，信噪比高，抗环境干扰能力强，不需要进行低通滤波，提高了算法的实时性。
附图说明
图1为本发明的基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法的装置结构示意图。
图2为本发明实施例中参考臂、信号臂和光电转换器的信号图，其中(a)为参考臂的相位和时间关系图，(b)为信号臂的相位和时间关系图，(c)为光电转换器的光强和时间关系图。
图3为本发明实施例中采集的三组移相干涉信号光强与时间关系图，其中(a)为I1的移相干涉信号光强与时间关系图，(b)为I2的移相干涉信号光强与时间关系图，(c)为I3的移相干涉信号光强与时间关系图。
图4为本发明实施例中解调出的振动信号相信息。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法，方法步骤如下：
步骤1、打开激光光源1和微振动台12，激光光源1发出的光依次经过隔离器2和相位调制器3，形成经相位调制的激光光束。
激光光源(1)输出经过相位调制后，可以表示为
式中E0表示激光光源1的功率振幅，v0表示激光光源1的中心频率，t表示传播时间，表示经高速脉冲调制的相位，产生π/2的相位调制，其一个周期内调制的脉冲宽度为τns。
步骤2、经过相位调制的激光光束经过耦合器4，同时进入其参考臂6和信号臂5，分别形成参考光和信号光，参考臂6和信号臂5设置在微振动台12上，设参考臂6长为L1，信号臂5长为L2，且L1<L2，信号臂5和参考臂6末端分别与法拉第旋光镜7连接，参考光和信号光分别经法拉第旋光镜7反射后，返回耦合器4，经耦合器4产生干涉信号，并从耦合器4的输出端输出至光电转换器9，光电转换器9接收干涉信号，设光通过参考臂6的时间为t1，光通过信号臂5的时间为t2，则有时间差Δt
其中n表示介质折射率，C表示激光在真空中的传播速度。
光电转换器9接收到的干涉光强I(t1，Δt)可以表示为
其中A，B均为常数，且有B＝KA，K<1，K为干涉条纹可见度，为初始相，为漂移相，表示振动信号相，为调制相。
是由高速脉冲信号产生的π/2相位调制，其具体表达式为
其中0<τ<T，k为整数，T表示脉冲信号的周期。
当有外界振动时，振动引起的等效的光纤长度的变化与信号臂6和参考臂5的初始长度差相比可以忽略，即Δt的变化可以忽略，控制脉冲信号的占空比，使得τ＝Δt，令合相位则干涉光强I(t)可等效为下式
设振动信号的振动周期为TS，脉冲调制信号的周期T<<TS，所以认为在0<t<T这个时段内，振动信号在时域内保持不变。
步骤3、光电转换器9将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块10采集光强电信号，并将其送入数据处理模块10，数据处理模块10通过标定相位调制信号和接收信号的延时，来获取三路移相的干涉光强信号I1，I2，I3，于是有
根据三步移相算法，解得
步骤4、去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相
结合图1，一种基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法的装置，包括激光光源1、隔离器2、相位调制器3和耦合器4、法拉第旋光镜7、信号发生器8、光电转换器9、数据采集模块10、数据处理模块11和微振动台12，其中激光光源1、隔离器2、相位调制器3和耦合器4通过光纤依次连接，耦合器4的参考臂6和信号臂5分别与法拉第旋光镜7连接，参考臂6和信号臂5均设置在微振动台12上，信号发生器8与相位调制器3连接，耦合器4的输出端通过光纤与光电转换器9连接，数据采集模块10分别与光电转换器9和数据处理模块11连接。
所述激光光源1发出的光依次经过隔离器2和相位调制器3，信号发生器8产生高速脉冲信号，向相位调制器3提供π/2的相位调制，形成经相位调制的激光光束；经过相位调制的激光光束经过耦合器4，同时进入其参考臂6和信号臂5，经法拉第旋光镜7反射后，返回耦合器4，经耦合器4产生干涉信号，并从耦合器4的输出端输出至光电转换器9，光电转换器9将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块10采集光强电信号，并将其送入数据处理模块11，解调出连续的振动信号相
所述耦合器4采用2x2耦合器，其参考臂6长度小于信号臂5长度。
所述数据处理模块11通过三步移相算法，得到合相位θ，并去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相
实施例1
实验测试了某光纤迈克尔逊传感器在100Hz下的振动信息，参考臂6和信号臂5的长度差为2.8m，采样时间为0.02s，调制方波的频率为1MHz，一个周期内调制的脉冲宽度为28ns，其测量装置如图1所示，其测量步骤为：
步骤1、打开微振动台12，微振动台在100Hz下进行正弦式的规律振动。打开激光光源1，激光光源1发出的光依次经过隔离器2和相位调制器3，信号发生器8产生频率为1MHz的高速脉冲信号，向相位调制器3提供π/2的相位调制，形成经相位调制的激光光束；
步骤2、经过相位调制的激光光束经过耦合器4，同时进入其参考臂6和信号臂5，分别形成参考光和信号光，经法拉第旋光镜7反射后，经耦合器4产生干涉信号，光电转换器9接收干涉信号
步骤3、数据采集模块10采集由光电转换器9产生的光强电信号，并将其送入数据处理模块11，数据处理模块11通过标定相位调制信号和接收信号的延时，来获取三路移相的干涉光强信号。
步骤4、去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相
结合图2～图4，本实施例通过一系列的措施实现了对相位振动信号的测量。最终求得的相位与微振动台作正弦振动时产生的相位一致，表明该方法简单实用，测量精度高，抗干扰能力强，实时性高。
Claims (7)
1.一种基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1、打开激光光源(1)和微振动台(12)，激光光源(1)发出的光依次经过隔离器(2)和相位调制器(3)，形成经相位调制的激光光束；
步骤2、经过相位调制的激光光束经过耦合器(4)，同时进入其参考臂(6)和信号臂(5)，参考臂(6)和信号臂(5)设置在微振动台(12)上，设参考臂(6)长为L1，信号臂(5)长为L2，且L1<L2，信号臂(5)和参考臂(6)末端分别与法拉第旋光镜(7)连接，经法拉第旋光镜(7)反射后，返回耦合器(4)，经耦合器(4)产生干涉信号，并从耦合器(4)的输出端输出至光电转换器(9)，光电转换器(9)接收干涉信号，设光通过参考臂(6)的时间为t1，光通过信号臂(5)的时间为t2，时间差Δt＝t2-t1，则干涉光强I(t)如下式
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设振动信号的振动周期为TS，脉冲调制信号的周期T＜＜TS，所以认为在0<t<T这个时段内，振动信号在时域内保持不变；k为整数，T表示脉冲信号的周期，τ为一个周期内调制的脉冲宽度为τns；令合相位其中为初始相，为漂移相，表示振动信号相；
步骤3、光电转换器(9)将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块(10)采集光强电信号，并将其送入数据处理模块(11)，数据处理模块(11)通过标定相位调制信号和接收信号的延时，来获取三路移相的光强信号I1，I2，I3，于是有
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根据三步移相算法，解得
步骤4、去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相
2.根据权利要求1所述的基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法，其特征在于：所述步骤1中，由信号发生器(8)产生高速脉冲信号，向相位调制器(3)提供π/2的相位调制，一个周期内调制的脉冲宽度为τns。
3.根据权利要求1所述的基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法，其特征在于：所述步骤2中，参考臂(6)和信号臂(5)的长度差为ΔL，且满足其中n为光纤介质折射率，c为光在真空中传播速度。
4.根据权利要求1所述的基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法，其特征在于：所述耦合器(4)采用2x2耦合器。
5.一种基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法的装置，其特征在于：包括激光光源(1)、隔离器(2)、相位调制器(3)和耦合器(4)、法拉第旋光镜(7)、信号发生器(8)、光电转换器(9)、数据采集模块(10)、数据处理模块(11)和微振动台(12)，其中激光光源(1)、隔离器(2)、相位调制器(3)和耦合器(4)通过光纤依次连接，耦合器(4)的参考臂(6)和信号臂(5)分别与法拉第旋光镜(7)连接，参考臂(6)和信号臂(5)均设置在微振动台(12)上，信号发生器(8)与相位调制器(3)连接，耦合器(4)的输出端通过光纤与光电转换器(9)连接，数据采集模块(10)分别与光电转换器(9)和数据处理模块(11)连接；
所述激光光源(1)发出的光依次经过隔离器(2)和相位调制器(3)，信号发生器(8)产生高速脉冲信号，向相位调制器(3)提供π/2的相位调制，形成经相位调制的激光光束；经过相位调制的激光光束经过耦合器(4)，同时进入其参考臂(6)和信号臂(5)，经法拉第旋光镜(7)反射后，返回耦合器(4)，经耦合器(4)产生干涉信号，并从耦合器(4)的输出端输出至光电转换器(9)，光电转换器(9)将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块(10)采集光强电信号，并将其送入数据处理模块(11)，解调出连续的振动信号相
6.根据权利要求5所述的基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法的装置，其特征在于：所述耦合器(4)采用2x2耦合器，其参考臂(6)长度小于信号臂(5)长度。
7.根据权利要求5所述的基于移相信号调制的光纤干涉型传感调制解调方法的装置，其特征在于：所述数据处理模块(11)通过三步移相算法，得到合相位θ，并去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相
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