CN110646020B - 一种光纤干涉装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤干涉装置及方法，包括调制器，调制器与激光器连接，激光器通过第一耦合器与传感臂及参考臂的一端连接，传感臂和参考臂的另一端通过第二耦合器与探测器连接，所述传感臂连接有探头，探测器与信号调理模块连接，信号调理模块与相位解调模块连接，相位解调模块包括处理模块，所述处理模块分别与第一存储器、第二存储器及第三存储器连接，第所述第三存储器与相位解缠模块连接，相位解缠模块与处理模块连接，相位解缠模块用于对第三存储器内的信号相位数据进行相位解缠，并将相位解缠后的数据传输给处理模块，本发明的光纤干涉装置测量稳定性好，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及干涉光纤传感器技术领域，具体涉及一种光纤干涉装置及方法。
背景技术
环境物理量作用到光纤干涉传感器的传感光纤上，会引起干涉信号的相位变化。通过检测光信号相位变化引起的强度变化，就能够获得被测物理量的相关信息。光纤干涉传感器作为一种重要的高灵敏度、高精度测量传感器，应用范围越来越广泛。
为了避免光源和探测器低频噪声对光纤干涉信号的影响，通常使用调制技术将被测物理量调制到高频的边带，然后再利用解调技术讲被测相位信息从干涉信号中解调出来。反正切解调方法作为一种经典解调方法，在光纤干涉传感器中应用非常普遍。
反正切经典解调方法包括混频、低通滤波和反正切和边界解缠4个步骤。第一步，将干涉信号与调制信号的基频和2倍频信号分别混频，得到G路和H路两路混频输出信号；第二步，G路和H路两路混频输出信号经过截止频率远低于调制信号的低通滤波器，滤除高频噪声，分别得到低通滤波输出的LG路和LH路；第三步，将LG路信号除以LH路信号，并进行反正切角度计算，得到从-180°到+180°之间的相位数据；第四步，将原始相位数据，按照序列顺序，在每一个相位跳变边沿，进行相位加加360°或者减360°运算，实现相位解缠，得到能够反映被测物理量的真实相位信息。
现有的反正切相位解缠光纤干涉装置及方法，按照原始数据序列顺序，依次检索边沿跳变，进行解缠操作，存在阈值选择困难、抗噪声干扰能力差等缺点，降低了光纤干涉传感器的测量精度。
发明人发现，光纤干涉传感器的最显著优点是灵敏度高，不可避免的带来易受环境噪声影响的缺点。在测量环境振动、温度、压力、电流、磁场、液体成分等物理量时，光纤干涉相位信息不仅反映了被测物理量的变化，还受到环境噪声的影响，存在相位噪声波动较大的问题。噪声引起的相位波动随机出现在任意相位点，当该波动点位于-180°或者+180°等相位边沿时，会出现相位振荡。在使用经典反正切解调方法时，相位解缠的阈值选择是一个难点。阈值选择过小，无法抑制噪声在相位边沿跳变造成的影响，使得解缠后的相位信息受噪声影响较为显著；阈值选择过大，会带来冗余的相位解缠操作，使测量数据相比被测物理量的变化更加平坦，相当于额外引入了低通滤波器，降低了测量带宽。相位噪声问题作为光纤干涉传感器的固有问题，始终未能得到良好解决，特别是在反正切相位解调的光纤干涉传感器中，负面效果更为明显。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种光纤干涉装置，测量的稳定性和测量精度高。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种光纤干涉装置，包括调制器，调制器与激光器连接，激光器通过第一耦合器与传感臂及参考臂的一端连接，传感臂和参考臂的另一端通过第二耦合器与探测器连接，所述传感臂连接有探头，所述探测器与信号调理模块连接，信号调理模块与相位解调模块连接，相位解调模块包括处理模块，所述处理模块分别与第一存储器、第二存储器及第三存储器连接，所述第一存储器用于存储处理模块输出的信号相位数据，所述第二存储器用于存储处理模块计算得到的信号分组用特征值信息，第三存储器用于存储分组后的信号相位数据，所述第三存储器与相位解缠模块连接，相位解缠模块与处理模块连接，相位解缠模块用于对第三存储器内的信号相位数据进行相位解缠，并将相位解缠后的数据传输给处理模块。
进一步的，所述探头包括底座，所述底座与多个支撑柱的底端固定连接，所述支撑柱的顶端固定有安装板，所述安装板上连接有感应膜片，所述感应膜片与传感臂固定连接。
进一步的，所述信号调理模块包括两个混频器，两个混频器与探测器连接，探测器能够将光信号转换为电信号传输给探测器，探测器与处理模块连接，能够将转换的电信号传输给处理模块，两个混频器均与调制器连接，调制器能够分别向两个混频器输出1倍频信号和2倍频信号。
进一步的，两个所述混频器与处理模块之间均设置有低通滤波器。
本发明还公开了一种光纤干涉装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：进入相位解调模块的干涉信号进行反正切处理，得到原始相位的数据序列P1、P2、P3……Pi……PN-2、PN-1、PN，其中，N为数据序列点数，Pi表示第i个数据的相位值。
步骤2：以(2m+1)个依次相邻的数据为一组，将原始相位数据序列分隔为(N-2m)组数据，计算每组数据的均方根值Ti，得到多组均方根值依次记为T1+m、T2+m……Ti-1、Ti、Ti+1……TN-m-1、TN-m。
步骤3：计算相邻两个均方根值的梯度值Di：Di＝Ti-Ti+1，得到梯度值序列D1+m、D2+m……Di-1、Di、Di+1……DN-m-2、DN-m-1。
步骤4：对原始相位的数据序列P1+m、P2+m……Pi-1、Pi、Pi+1……PN-m-1、PN-m依次进行分组，如果Pi+1和Pi对应的Di+1和Di同时落入第一设定范围或第二设定范围，则Pi+1和Pi归为同一组，如果Pi+1和Pi对应的Di+1和Di分别落入第一设定范围和第二设定范围，则Pi+1和Pi归为不同组。
步骤5：根据步骤4得到的多个数据组，按照数据组数据数量由多至少的顺序，依次对各个数据组进行相位解缠。
步骤6：进行组间循环相位解缠，选取数据最多的数据组为第一基准数据组，第一基准数据组与相邻两个数据组中数据较多的数据组进行组间相位解缠，形成第二基准数据组，采用相同的方法依次进行组间相位解缠，直至所有相位数据完成相位解缠。
进一步的，所述步骤2中，均方根值Ti的计算方法为：
其中，Pr表示第r个原始相位的数据值。
进一步的，所述步骤1中，反正切处理采用四象限反正切处理。
进一步的，所述步骤4中，第一设定范围为-180°到180°之间，第二设定范围为小于-180°和大于180°。
本发明的有益效果：
1.本发明的光纤干涉装置，相位解调模块处理模块通过第一存储器、第二存储器、第三存储器，第三存储器与相位解缠模块连接，相位解缠模块能够第三存储器内分组后的相位数据进行相位解缠，而不是直接对处理模块中的相位数据进行相位解缠，解决了传统光纤干涉装置阈值选择困难、抗噪声干扰能力差等缺点，提高了光纤干涉传感器的测量精度。
2.本发明的光纤干涉装置，利用原始数据的梯度值作为分组依据，并未改变原始数据，避免了传统滤波方法造成的原始数据失真，提高了测量精度。
3.本发明的光纤干涉装置，按照数据组数据数量由多至少的顺序，依次对各个数据组进行相位解缠，选取数据最多的数据组为第一基准数据组，第一基准数据组与相邻两个数据组中数据较多的数据组进行组间相位解缠，形成第二基准数据组，采用相同的方法依次进行组间相位解缠，直至所有相位数据完成相位解缠，对不存在相位边沿跳变的序列数据进行相位解缠，加强了平滑数据序列对解缠结果的影响，弱化了阈值选择的重要性，抑制了相位噪声引起的振荡对最终测量结果的负面效果，提高了测量稳定性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1整体结构示意图；
图2为本发明实施例1相位解调模块示意图；
图3为本发明实施例1探头结构示意图；
图4为本发明实施例2工作原理示意图；
其中，1.调制器，2.激光器，3.第一耦合器，4.传感臂，5.参考臂，6.第二耦合器，7.探测器，8.第一混频器，9.第二混频器，10.第一低通滤波器，11.第二低通滤波器，12.相位解调模块，12-1.处理模块，12-2.第一存储器，12-3.第二存储器，12-4.第三存储器，12-5.相位解缠模块，13.底座，14.支撑柱，15.安装板，16.感应膜片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有的反正切光纤干涉传感器中，相位噪声的问题负面效果明显，针对上述问题，本申请提出了一种光纤干涉装置。
本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-3所示，一种光纤干涉装置，包括调制器1，所述调制器与激光器连接，能够向激光器2发送调制信号，控制激光器产生调制的光波信号，所述激光器与第一耦合器3连接，所述第一耦合器与传感臂4和参考臂5的一端连接，传感臂和参考臂的另一端与第二耦合器6连接，激光器输出的光波信号通过第一耦合器后分为两路，分别经过传感臂和参考臂进行传输，传感臂为传感光纤，固定连接有探头，能够通过探头感受被测物理量的变化，发生长度或折射率的改变，参考臂的光纤不感受被测物理量的变化，其长度和折射率保持不变，所述探头包括底座13，所述底座用于将探头进行固定，所述底座与多个支撑柱14的底端固定连接，所述支撑柱的顶端固定有安装板15，所述安装板固定有感应膜片16，所述感应膜片与传感臂固定，能够感应被测物理量的变化。
所述第二耦合器与探测器7连接，第二耦合器接受传感臂和参考臂的光波信号，并发生光波的干涉现象，输出干涉信号给探测器，所述探测器与信号调理模块连接，将干涉信号转化为电信号并输出给信号调理模块。
所述信号调理模块包括与探测器连接的第一混频器8及第二混频器9，所述第一混频器通过第一低通滤波器10与相位解调模块连接，所述第二混频器通过第二低通滤波器11与相位解调模块12连接。
所述第一混频器和第二混频器均与调制器连接，调制器能够向第一混频器输出用于相位解调的1倍频信号，向第二混频器输出用于相位解调的2倍频信号。
本实施例中，调制器输出给激光器的信号频率为f1，输出的1倍频信号频率为f2，f2等于f1,2倍频信号频率为f3，f3等于2倍的f2。
第二耦合器输出的干涉光信号给探测器。探测器将光纤干涉信号转换为电信号输出给信号调理模块。信号调理模块对干涉电信号进行处理，输出2路信号给相位解调模块。相位解调模块使用特征提取的反正切相位解缠方法，得到能够反映被测物理量的真实相位信息。
所述相位解调模块包括处理模块12-1，所述处理模块采用现有的处理器即可，所述处理模块与第一低通滤波器和第二低通滤波器连接，能够接受两路光波的电信号，并进行反正切处理，得到干涉光信号的原始相位序列，并能够计算原始相位序列数据的特征值，所述处理模块分别与第一存储器12-2、第二存储器12-3和第三存储器12-4连接，处理模块能够将计算得到的原始相位序列数据存储在第一存储器中，将计算得到的原始相位序列数据的特征值存储在第二存储器中，处理模块能够利用特征值对原始相位序列数据进行分组并存储在第三存储器中，所述第三存储器与相位解缠模块12-5连接，相位解缠模块能够对第三存储器中分组后的数据进行相位解缠，相位解缠模块与处理模块连接，能够将解缠后的数据传送给处理模块。所述第一存储器、第二存储器及第三存储器采用现有的存储器即可，所述相位解缠模块采用现有的加法器或乘法器即可。
实施例2：
本实施例公开了一种使用特征提取反正切相位解缠的光纤干涉装置的工作方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1：进入相位解调模块的干涉信号进行四象限反正切处理，得到原始相位的数据序列P1、P2、P3……Pi……PN-2、PN-1、PN，其中，N为数据序列点数，Pi表示第i个数据的相位数据值。
步骤2：以(2m+1)个依次相邻的数据为一组，将原始相位数据序列分隔为(N-2m)组数据，即分组为(P1、P2…P2m+1)，(P2、P3…P2m+2)…，计算每组数据的均方根值Ti，得到多组均方根值依次记为T1+m、T2+m……Ti-1、Ti、Ti+1……TN-m-1、TN-m。
其中，
Pr表示第r个原始相位数据，r的取值范围以i为中心，从i-m到i+m
步骤3：计算相邻两个均方根值的梯度值Di：Di＝Ti-Ti+1，得到梯度值序列D1+m、D2+m……Di-1、Di、Di+1……DN-m-2、DN-m-1。
步骤4：采用步骤3得到的梯度值作为分组用的特征值，去掉原始相位数据序列头部和尾部的m个数据，对原始相位的数据序列P1+m、P2+m……Pi-1、Pi、Pi+1……PN-m-1、PN-m依次进行分组，如果Pi+1和Pi对应的Di+1和Di同时落入第一设定范围(-180°-180°之间)或同时落在第二设定范围(小于-180°、大于180°的范围)内，则Pi+1和Pi归为同一组，如果Pi+1和Pi对应的Di+1和Di分别落入180°-180°之间及小于-180°、大于180°的范围内，则Pi+1和Pi归为不同组。
步骤5：根据步骤4得到的多个数据组，按照数据组数据数量由多至少的顺序，依次对各个数据组进行相位解缠。
步骤6：进行组间循环相位解缠，选取数据最多的数据组为第一基准数据组，第一基准数据组与相邻两个数据组中数据较多的数据组合并为一个数据组，然后对合并的数据组进行组间相位解缠，形成第二基准数据组，采用相同的方法依次进行组间相位解缠，直至所有相位数据完成相位解缠，得到能够反映物理量变化的真实相位数据R1+m、R2+m……Ri-1、Ri、Ri+1……RN-m-1、RN-m。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种光纤干涉装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：进入相位解调模块的干涉信号进行反正切处理，得到原始相位的数据序列P1、P2、P3……Pi……PN-2、PN-1、PN，其中，N为数据序列点数，Pi表示第i个数据的相位值；
步骤2：以（2m+1）个依次相邻的数据为一组，将原始相位数据序列分隔为（N-2m）组数据，计算每组数据的均方根值Ti，得到多组均方根值依次记为T1+m、T2+m……Ti-1、Ti、Ti+1……TN-m-1、TN-m；
步骤3：计算相邻两个均方根值的梯度值Di：Di=Ti-Ti+1，得到梯度值序列D1+m、D2+m……Di-1、Di、Di+1……DN-m-2、DN-m-1；
步骤4：对原始相位的数据序列P1+m、P2+m……Pi-1、Pi、Pi+1……PN-m-1、PN-m依次进行分组，如果Pi+1和Pi对应的Di+1和Di同时落入第一设定范围或第二设定范围，则Pi+1和Pi归为同一组，如果Pi+1和Pi对应的Di+1和Di分别落入第一设定范围和第二设定范围，则Pi+1和Pi归为不同组；
步骤5：根据步骤4得到的多个数据组，按照数据组数据数量由多至少的顺序，依次对各个数据组进行相位解缠；
步骤6：进行组间循环相位解缠，选取数据最多的数据组为第一基准数据组，第一基准数据组与相邻两个数据组中数据较多的数据组进行组间相位解缠，形成第二基准数据组，采用相同的方法依次进行组间相位解缠，直至所有相位数据完成相位解缠；
所述的光纤干涉装置的工作方法采用了一种光纤干涉装置，包括调制器，调制器与激光器连接，激光器通过第一耦合器与传感臂及参考臂的一端连接，传感臂和参考臂的另一端通过第二耦合器与探测器连接，所述传感臂连接有探头，所述探测器与信号调理模块连接，信号调理模块与相位解调模块连接，相位解调模块包括处理模块，所述处理模块分别与第一存储器、第二存储器及第三存储器连接，所述第一存储器用于存储处理模块输出的信号相位数据，所述第二存储器用于存储处理模块计算得到的信号分组用特征值信息，第三存储器用于存储分组后的信号相位数据，所述第三存储器与相位解缠模块连接，相位解缠模块与处理模块连接，相位解缠模块用于对第三存储器内的信号相位数据进行相位解缠，并将相位解缠后的数据传输给处理模块。
2.如权利要求1所述的一种光纤干涉装置的工作方法，其特征在于，所述探头包括底座，所述底座与多个支撑柱的底端固定连接，所述支撑柱的顶端固定有安装板，所述安装板上连接有感应膜片，所述感应膜片与传感臂固定连接。
3.如权利要求1所述的光纤干涉装置的工作方法，其特征在于，所述信号调理模块包括两个混频器，两个混频器与探测器连接，探测器能够将光信号转换为电信号传输给信号调理模块，信号调理模块与处理模块连接，能够将转换的电信号传输给处理模块，两个混频器均与调制器连接，调制器能够分别向两个混频器输出1倍频信号和2倍频信号。
4.如权利要求3所述的光纤干涉装置的工作方法，其特征在于，两个所述混频器与处理模块之间均设置有低通滤波器。
5.如权利要求1所述的工作方法，其特征在于，所述步骤2中，均方根值Ti的计算方法为： 
其中，Pr表示第r个原始相位的数据值。
6.如权利要求1所述的工作方法，其特征在于，所述步骤1中，反正切处理采用四象限反正切处理。
7.如权利要求1所述的工作方法，其特征在于，所述步骤4中，第一设定范围为-180°到180°之间，第二设定范围为小于-180°和大于180°。
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