CN110332980A - 一种双路正交相位光纤声振动传感器解调装置及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双路正交相位光纤声振动传感器解调装置及解调方法，光源(1)发出的光信号通过光纤环形器(2)进入到光纤声振动传感器(3)，外界振动信号引起光纤声振动传感器(3)的膜片振动，并返回调制光信号，经光纤耦合器(4)分成两路；通过双路起偏器(5)进入双折射晶体(6)构造出两路具有正交相位的两路信号，经双路检偏器(7)进行检偏，用双路光电探测器(8)进行两路光信号的探测，采用数字采集卡(9)进行信号采集；处理后最终获得腔长变化信息。本发明实现了对光纤声振动传感器的有效解调，弥补了先前有关解调方法的不足；可实现对高频声信号的的解调，构造出具有稳定正交相位的两路信号，保证了测量结果的精确性。

Description

一种双路正交相位光纤声振动传感器解调装置及解调方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别是涉及基于双折射晶体和偏振技术的双路正交相位光纤声振动传感器解调装置及解调方法。

背景技术

光纤声振动传感器由光纤端面和膜片端面构成法布里-珀罗微谐振腔，声压作用在膜片上使膜片变形，导致法-珀腔长发生变化，从而实现对外界声信号的传感。传统的对光纤声振动传感器的解调装置和方法包括：1)利用单光源实现对光纤声振动传感器的强度解调法，不足之处在于该方法对光纤声振动传感器腔长的工作区间的要求苛刻，稳定性差；2)利用单光源和相位数字载波(PGC)方法对光纤声振动传感器的相位解调方法，不足之处在于该方法的解调速度易受限制，仅适用于低频信号的解调；3)利用双可调谐单色光源实现对光纤声振动传感器的解调，不足之处在于该方法利用两光源的中心波长值和光纤声振动传感器腔长运算关系实现正交相位，易受光源漂移和腔长移动导致相位关系不正交引起测量较大误差。

发明内容

本发明旨在提出一种双路正交相位光纤声振动传感器解调装置及解调方法，通过单光源、双折射晶体和偏振片构建两路正交相位信号，实现对光纤声振动传感器的解调，实现具有快速，稳定和大的动态测量范围的优点。

本发明的一种双路正交相位光纤声振动传感器解调装置，该装置从输入端到输出端依次为光纤声信号感应部分、双路起偏器5、双折射晶体6、双路检偏器7、双路光电探测器8、数字采集卡9和计算机10；其中：

所述光纤声信号感应部分由光源1、光纤环形器2、光纤声振动传感器3和光纤耦合器4构成，在光纤声信号感应部分：光源1发出的光信号通过光纤环形器2进入到光纤声振动传感器3，外界振动信号引起光纤声振动传感器3的膜片振动，并返回调制光信号，返回的调制光信号经光纤耦合器4分成两路；通过双路起偏器5进入双折射晶体 6构造出两路具有正交相位的两路信号，经双路检偏器7进行检偏，用双路光电探测器 8进行两路光信号的探测以及光信号转换为电信号，采用数字采集卡9进行信号采集；采用计算机10进行处理，最终获得腔长变化信息。

本发明的一种双路正交相位光纤声振动传感器解调方法，该方法具体包括以下过程：

步骤一：光源发出的光信号通过光纤环形器进入到光纤声振动传感器，外界振动信号引起光纤声振动传感器膜片振动，并调制光信号，返回光路***，返回的光信号经光纤耦合器分成两路，通过起偏器进入双折射晶体，设置两双折射晶体厚度不同使两路信号具有正交相位差，得到两路具有正交相位的信号；

步骤二：两路光信号经光电探测器接收，光电转换成电信号，两路接收的光信号强度表示为：

其中，I₁表示第一路探测器接收到的强度，表示光纤声振动传感器相位随时间变化量，I₂表示第二路探测器接收到的强度，t表示时间；

利用差分算法得到相位信息的表达式如下：

其中，k₀＝2π/λ₀表示中心波束，λ₀表示光源中心波长，ΔL(t)表示光纤声振动传感器腔长随时间变化量；

步骤三：通过相位信息获得腔长变化。

本发明的有益效果及优点在于：

1)本发明基于双折射晶体和偏振技术，由***产生双路正交相位信号进行解调处理，实现了对光纤声振动传感器的有效解调，弥补了先前有关解调方法的不足；

2)实现对光纤声振动传感器的快速解调，因此可实现对高频声信号的的解调；

3)具有较高的稳定性，更加适用于复杂环境下的声信号探测，因此更具有实用性；

4)在解调装置中利用两块起偏器，两块双折射晶体，两块检偏器，构造出具有稳定正交相位的两路信号，保证了测量结果的精确性。

附图说明

图1为本发明的一种双路正交相位光纤声振动传感器解调装置结构示意图；

图2为外界频率信号为25KHz正弦信号下的解调结果示意图；其中(a)解调相位结果示意图；(b)对解调结果(a)做傅里叶变换，得频谱图。

附图标记：

1、光源，2、光纤环形器，3、光纤声振动传感器，4、光纤耦合器，5、双路起偏器，6、双折射晶体，7、双路检偏器，8、双路光电探测器，9、数字采集卡，10、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示，为本发明的双路正交相位光纤声振动传感器解调装置结构示意图，该装置从输入端到输出端依次为光纤声信号感应部分、双路起偏器5、双折射晶体6、双路检偏器7、双路光电探测器8、数字采集卡9和计算机10。所述光纤声信号感应部分由光源1、光纤环形器2、光纤声振动传感器3和光纤耦合器4构成，在光纤声信号感应部分：光源1发出的光信号通过光纤环形器2进入到光纤声振动传感器3，外界振动信号引起光纤声振动传感器3的膜片振动，并返回调制光信号，返回的调制光信号经光纤耦合器4分成两路；通过双路起偏器5进入双折射晶体6构造出两路具有正交相位的两路信号，经双路检偏器7进行检偏，用双路光电探测器8进行两路光信号的探测以及光信号转换为电信号，采用数字采集卡9进行信号采集，采用计算机或嵌入式计算***处理，对两路正交的信号采用DCM差分算法进行相位解调，最终获得腔长变化信息。

其中的双折射晶体设置成不同厚度，使两路信号具有正交相位差，因此得到两路光信号强度，表达式如下：

其中，I₁表示第一路探测器接收到的强度，表示光纤声振动传感器相位随时间变化量，I₂表示第二路探测器接收到的强度，t表示时间；

可见，两路光信号具有π/2的相位差，利用差分算法得到相位信息的表达式如下：

其中，k₀＝2ππ/₀表示中心波束，λ₀表示光源中心波长，ΔL(t)表示光纤声振动传感器腔长随时间变化量。由于解调得到的相位信号和腔长成正比关系，因此通过相位信息获得腔长变化信息。

所述光源用于提供传感检测宽带光源。

所述光纤环形器用于将宽带光源发出的光引入光纤声振动传感器，并将光纤声振动传感器返回的光传输出去。

所述光纤声振动传感器用于接收外界声波信息，将声波信息转化为光纤声振动传感器腔长信息变化，不同声压对应不同腔长。

所述光纤耦合器用于将由光纤声振动传感器返回的光分为两路，并传输出去。

偏振片分为起偏器和检偏器，所述起偏器用于对输入信号进行起偏。所述检偏器的作用是使振动方向相同的线片光在经检偏器后进行投影产生干涉。

所述双折射晶体用两块厚度不同的双折射晶体，使两路光信号通过厚度不同的双折射晶体产生具有正交相位两路信号。

所述光电探测器及处理单元：用来采集干涉条纹并进行运算处理，获得腔长信息。

如图2所示，外界频率信号为25KHz正弦信号下的解调结果示意图。使用频率为25KHz的外界振动正弦信号源，用本发明所提出的解调装置进行解调的解调结果。从图中可以看出，本发明准确地解调出外界信号，验证了本发明提出的基于双折射晶体和偏振技术的双路正交相位光纤声振动传感器解调装置的有效性。

Claims (2)

1.一种双路正交相位光纤声振动传感器解调装置，其特征在于，该装置从输入端到输出端依次为光纤声信号感应部分、双路起偏器(5)、双折射晶体(6)、双路检偏器(7)、双路光电探测器(8)、数字采集卡(9)和计算机(10)；其中：

所述光纤声信号感应部分由光源1)、光纤环形器2)、光纤声振动传感器3)和光纤耦合器(4)构成，在光纤声信号感应部分：光源(1)发出的光信号通过光纤环形器(2)进入到光纤声振动传感器(3)，外界振动信号引起光纤声振动传感器3)的膜片振动，并返回调制光信号，返回的调制光信号经光纤耦合器(4)分成两路；通过双路起偏器(5)进入双折射晶体(6)构造出两路具有正交相位的两路信号，经双路检偏器(7)进行检偏，用双路光电探测器(8)进行两路光信号的探测以及光信号转换为电信号，采用数字采集卡(9)进行信号采集，采用计算机(10)进行处理，最终获得腔长变化信息。

2.一种双路正交相位光纤声振动传感器解调方法，该方法具体包括以下过程：

步骤一：光源发出的光信号通过光纤环形器进入到光纤声振动传感器，外界振动信号引起光纤声振动传感器膜片振动，并调制光信号，返回光路***，返回的光信号经光纤耦合器分成两路，通过起偏器进入双折射晶体，设置两双折射晶体厚度不同使两路信号具有正交相位差，得到两路具有正交相位的信号；

步骤二：两路光信号经光电探测器接收，光电转换成电信号，两路接收的光信号强度表示为：

其中，I₁表示第一路探测器接收到的强度，表示光纤声振动传感器相位随时间变化量，I₂表示第二路探测器接收到的强度，t表示时间；

利用差分算法得到相位信息的表达式如下：

其中，k₀＝2π/λ₀表示中心波束，λ₀表示光源中心波长，ΔL(t)表示光纤声振动传感器腔长随时间变化量；

步骤三：通过相位信息获得腔长变化。