CN110440899B - 一种共路双波长正交相位解调*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种共路双波长正交相位解调***，包括核心控制板、快速宽可调谐激光器、光纤环形器、双光束干涉式光纤传感器、光电探测器和计算机。所述核心控制板实现激光器输出波长驱动和光电探测器数据的同步采集和传输。所述宽可调谐激光器，可以实现纳秒量级的波长切换速度，两个正交波长依次输出，产生用于相位信号提取的两路正交信号。该发明可以解决现有双波长相位解调***的三个主要问题：双光路引起的功率不平衡和串扰，双波长和腔长度之间的制约，干涉条纹的直流分量的消除。该共路双波长正交相位解调***通过快速波长切换，在一个光路中实现任意腔长的高速相位解调，可广泛应用于高速振动传感、声传感等领域。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，利用快速宽可调谐激光器，在一个光路中实现双波长正交相位解调。
背景技术
声学或振动信号的高性能动态传感已得到广泛应用，如无损检测，过程控制和结构状态监测。光纤传感器由于其紧凑的结构，高灵敏度，抗电磁干扰，远程监测和多路复用能力等特性，是一种有很大潜力的高速动态传感器技术。干涉式光纤传感器通常基于四种基本结构：光纤Mach-Zehnder干涉仪，光纤迈克尔逊干涉仪，光纤Sagnac干涉仪和光纤法布里-珀罗干涉仪。其中非本征法布里-珀罗干涉传感传感器(EFPI)由于具有结构简单，体积小，稳定性高等优势得到了广泛的应用。从EFPI传感器的输出干涉光中提取目标动态信号的解调技术是当前研究的关键点之一。主流解调方案可以分类为强度解调和相位解调。使用最为广泛的是强度解调方法，输出波长固定在正交点(Q点)，以确保最大的灵敏度和线性度。然而，Q点可能会因为环境温度或背景压力变化产生大的漂移，从而使检测到的信号失真，一般需要反馈控制和复杂调的谐机制。而且强度解调法的动态范围很小。相位解调方法可以解决强度解调方法的缺点。白光干涉解调方法通常通过使用宽带光源和光谱分析仪(OSA)。通过互相关算法或快速傅立叶变换，可以从频谱中解调绝对腔长。通常具有高精度和大动态范围，但***成本高，测量速度慢，难以胜任高速动态信号的解调。而双波长正交相位解调技术因其高频响应，高灵敏度和大动态范围的特性被认为是最实用的解调方法之一。
大多数现有的双波长正交解调方法使用两个激光器或两个光电探测器，两个光路之间极易产生光功率的不平衡。不平衡源自环境温度或压力扰动，光源波动，两个光电探测器的不同响应度和不同背景噪声引起的光程差。为了获得两个正交信号，两个波长需要满足正交条件，从而限制EFPI腔的长度。近年来，已经报道了直流补偿或估算法来解决EFPI腔长度和两个工作波长之间的限制。两个固定波长用于询问具有任何腔长度的EFPI。但这种方法同时会引入额外的估计误差或灵敏度损失。到目前为止，仍然缺乏通用的高性能解调技术。
快速宽可调谐激光器，如Vernier调谐的分布式布拉格反射器(Vernier tuneddistributed Bragg reflector，VT-DBR)激光器最初是为电信应用而开发的。它们是最有前途的波长可调谐激光器之一，具有大波长调谐范围(>40nm)，高侧模抑制比(SMSR)(>40dB)，快速波长切换速度(<20ns)和高输出功率(>10dBm)。除了电信领域，它们还被用于光学相干断层扫描(OCT)和激光雷达应用。它们可以实现高速波长切换，线性扫描和窄线宽输出，这在很多光纤传感应用中非常有价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种高度灵活、通用的双光束干涉式光纤传感器的高速动态解调***。
本发明的技术方案：
一种共路双波长正交相位解调***，包括核心控制板1、快速宽可调谐激光器2、光纤环形器3、双光束干涉式光纤传感器4、光电探测器5和信号处理单元6；
所述的核心控制板1是计算机、单片机或FPGA核心板，内置控制激光波长对应的电流查找表；核心控制板1分别与快速宽可调谐激光器2、光电探测器5和信号处理单元6相连接，核心控制板1实现多路电流源电流同步控制和输出，从而控制快速宽可调谐激光器2的输出波长，并通过时钟同步，同时进行光电探测器5数据的采集、转换和传输至信号处理单元6中；
所述的光纤环形器3，分别与快速宽可调谐激光器2、双光束干涉式光纤传感器4和光电探测器5相连接；光纤环形器3用于光信号的传输，将来自快速宽可调谐激光器2的光信号引入双光束干涉式光纤传感器4，反射光信号再次经过光纤环形器3被光电探测器5探测；
所述的光电探测器5是具备光纤输入接口、直流耦合的高速光电探测器，将探测到的光强信号转换为模拟信号，经核心控制板1采集后传输给信号处理单元6进行信号解调；
所述的信号处理单元6可实现两个波长对应的正交信号的分离和相位解调。
所述的核心控制板1，根据接收的用户指令选择进行全光谱扫描模式或双波长切换模式。
所述的核心控制板1和计算机之间实现高速数据传输，以USB方式或以太网方式进行。
所述的快速宽可调谐激光器2所述的快速宽可调谐激光器2是VT-DBR激光器，输出波长由多路注入电流控制，实现纳秒量级的波长切换，谐波段覆盖C波段或L波段。
所述的信号处理单元6可实现两个波长对应的正交信号的分离和相位解调。
所述的信号处理单元6采用的相位解调方法可以但不局限于差分交叉相乘法(DCM)或者反正切法(Arctan)。
本发明的有益效果：本发明解决了当前双波长相位解调技术中的3个主要不足：基于双激光器或双光电探测器的双光路引起的功率不平衡和串扰，双工作波长和双光束干涉式传感器的腔长度之间的相互制约，难以消除干涉条纹的直流分量。完全在同一个光路中实现双波长正交相位解调，且可以解调任意腔长度，便于集成，极具成本优势。
附图说明
图1为共路双波长正交相位解调***示意图。
图2为应用该***全谱扫描获得的干涉光谱。
图3为时域上分离得到的两组正交信号。
图4为解调后的周期性相位变化曲线。
图5为解调后的相位曲线的频谱图。
图6为100次重复测量的相位峰-峰值波动曲线。
图7为3个不同腔长光纤传感器在8kHz声信号下解调后的频谱图。
图中：1核心控制板；2快速宽可调谐激光器；3光纤环形器；4双光束干涉式光纤传感器；5光电探测器；6信号处理单元。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式，但不应以此限制本发明的保护范围。
参见图1所示，一种共路双波长正交相位解调***，包括核心控制板1、快速宽可调谐激光器2、光纤环形器3、双光束干涉式光纤传感器4、光电探测器5和信号处理单元6，可以在同一个光路中实现双光束干涉式光纤传感器的高速相位解调。
所述的核心控制板1采用FPGA实现，信号处理单元6采用计算机实现；FPGA控制板实现快速宽可调谐激光器2输出波长驱动和光电探测器5数据的同步采集和传输。FPGA实现5路电流源电流同步控制和输出，从而控制快速宽可调谐激光器2的输出波长。
FPGA内置控制激光波长的电流查找表，通过时钟同步，同时进行光电探测器5数据的采集、转换和传输至计算机中；同步时钟设置为500kHz。
所述FPGA控制板，根据计算机发出的命令选择进行全光谱扫描模式或是双波长切换模式；波长切换频率为500kHz。
所述的FPGA控制板和计算机之间通过USB 2.0接口实现高速数据传输。
所述的快速宽可调谐激光器2，选用VT-DBR激光器，输出波长由5路注入电流控制，分别为左反射器电流，右反射器电流，相位区电流，增益电流和半导体光放大器(SOA)电流。通过左反射器电流、右反射器电流和相位区电流控制输出波长，通过SOA注入电流调整输出光功率，可以实现纳秒量级的波长切换。
所述的快速宽可调谐VT-DBR激光器，其调谐波段可覆盖C波段，具体为1527nm至1567nm。
所述的光纤环形器3，用于光信号的传输，来自快速宽可调谐VT-DBR激光器的光信号经过光纤环形器3后引入EFPI传感器，反射光信号再次经过光纤环形器3被光电探测器5探测。
所述的光电探测器5是具备光纤输入接口、直流耦合的1550波段高速光电探测器，将探测到的光强信号转换为模拟信号，经FPGA控制板采集后通过USB接口传输给计算机进行信号解调。
采用腔长为148.366μm的一个膜片式非本征法布里-珀罗干涉传感传感器(EFPI)进行该解调***解调性能的验证。在全光谱扫描模式下，可以获取EFPI传感器的干涉光谱。干涉条纹的直流组分，用A值表示，可以直接实际测得。
如图2所示为没有外界声信号条件下的干涉光谱图，根据干涉光谱可以计算EFPI传感器实际初始腔长，并选择的两个用于双波长正交相位解调的工作波长，分别为1541.579nm和1543.581nm。
图3为时域上分离得到的两组正交信号，分别对应λ1和λ2，所施加的外部声信号频率为15kHz，通过信号发生器连接扬声器产生该固定频率的声信号。可以发现两组正交信号的相位差为π/2。
图4为根据图3中的正交信号，通过反正切算法获得的相位变化曲线。
相位解调的原理为：
1)λ1和λ2对应的光强信号可以表示为：
2)其中A为全谱扫描时测量得到的干涉条纹直流组分，B为干涉条纹对比度，在计算中可以约去，相位值通过反正切计算：
3)其中是初始相位，在计算中被视为常数，动态信号引起的相位变化可以通过计算/>获得。
该相位变化信号的频谱图如图5所示，可以发现，解调获取的声信号频率值为15kHz，与驱动信号一致，且信噪比高达75dB。
为了验证该共路双波长解调***的解调稳定性，在同样的声信号下，重复进行100次测量，测量的相位曲线峰-峰值变化趋势呈现在图6中，峰-峰值数据的相对标准偏差为0.49％，显示了该解调***的稳定性。
本发明所述的共路双波长正交相位解调***，能够解调不同腔长的EFPI传感器，为了验证其解调性能，选用腔长分别为127.954μm，148.366μm和497.300μm的3个EFPI声传感器，外部声信号为8kHz，其相位解调后的频谱图如图7所示，3个EFPI传感器经过该***解调后均能正确恢复声信号频率，且测得的结果高度一致。
Claims (8)
1.一种共路双波长正交相位解调***，其特征在于，所述的共路双波长正交相位解调***包括核心控制板(1)、快速宽可调谐激光器(2)、光纤环形器(3)、双光束干涉式光纤传感器(4)、光电探测器(5)和信号处理单元(6)；
所述的核心控制板(1)是计算机、单片机或FPGA核心板，内置控制激光波长对应的电流查找表；核心控制板(1)分别与快速宽可调谐激光器(2)、光电探测器(5)和信号处理单元(6)相连接，核心控制板(1)实现多路电流源电流同步控制和输出，从而控制快速宽可调谐激光器(2)的输出波长，并通过时钟同步，同时进行光电探测器(5)数据的采集、转换和传输至信号处理单元(6)中；
所述的光纤环形器(3)，分别与快速宽可调谐激光器(2)、双光束干涉式光纤传感器(4)和光电探测器(5)相连接；光纤环形器(3)用于光信号的传输，将来自快速宽可调谐激光器(2)的光信号引入双光束干涉式光纤传感器(4)，反射光信号再次经过光纤环形器(3)被光电探测器(5)探测；
所述的光电探测器(5)是具备光纤输入接口、直流耦合的高速光电探测器，将探测到的光强信号转换为模拟信号，经核心控制板(1)采集后传输给信号处理单元(6)进行信号解调；
所述的信号处理单元(6)可实现两个波长对应的正交信号的分离和相位解调。
2.根据权利要求1所述的共路双波长正交相位解调***，其特征在于，所述的核心控制板(1)，根据接收的用户指令选择进行全光谱扫描模式或双波长切换模式。
3.根据权利要求1或2所述的共路双波长正交相位解调***，其特征在于，所述核心控制板(1)和计算机之间实现高速数据传输，以USB方式或以太网方式进行。
4.根据权利要求1或2所述的共路双波长正交相位解调***，其特征在于，所述的快速宽可调谐激光器(2)是VT-DBR激光器，输出波长由多路注入电流控制，实现纳秒量级的波长切换，谐波段覆盖C波段或L波段。
5.根据权利要求3所述的共路双波长正交相位解调***，其特征在于，所述的快速宽可调谐激光器(2)是VT-DBR激光器，输出波长由多路注入电流控制，实现纳秒量级的波长切换，谐波段覆盖C波段或L波段。
6.根据权利要求1、2或5所述的共路双波长正交相位解调***，其特征在于，所述的信号处理单元(6)采用的相位解调方法为差分交叉相乘法DCM或反正切法。
7.根据权利要求3所述的共路双波长正交相位解调***，其特征在于，所述的信号处理单元(6)采用的相位解调方法为差分交叉相乘法DCM或反正切法。
8.根据权利要求4所述的共路双波长正交相位解调***，其特征在于，所述的信号处理单元(6)采用的相位解调方法为差分交叉相乘法DCM或反正切法。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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