CN112729572B - 一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，包括激光光源、隔离器、相位调制器、环形器、2×2耦合器、参考臂、信号臂、法拉第旋光镜、两个光电转换器、数据采集模块、数据处理模块和微振动台。该方法通过对激光光源进行矩形脉冲二元相位调制，利用环形器和2×2耦合器的特性，在光纤传感器的输出端产生多路移相信号，对其中两路输出信号进行互相关运算判断相位延时量，根据结果自动调整相位调制驱动电压使移相量为π/2，消除调制误差，然后根据多步移相算法，实现光纤传感器的相位解调。该方法可有效实现调制误差的自消除提高解调精度，对噪声及***误差抑制能力强，光路相对简单，硬件***要求低，解算速度快。

Description

一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法。
背景技术
随着光纤技术和光纤通信技术的提高，以光纤作为传光介质或者传感介质的光纤传感技术得到了蓬勃发展，在军事、国防、民用等多个领域得到了广泛的应用，为国家的安全稳定和经济发展提供了保障。光纤传感器的测量范围广泛，可用于压力、温度、振动、位移等物理量的测量。与传统电磁传感器相比，光纤传感器具有重量轻，抗电磁干扰能力强，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。其中，基于相位调制原理的干涉型光纤传感器几何结构灵活多样且灵敏度、分辨率等关键性能指标非常高，被广泛地应用于石油探测、周界安防、航空航天等领域。
对于干涉型光纤传感器而言，相位检测技术是其关键技术之一。相位检测技术是指如何从干涉光强信号中获取相位信息，从而得到外界环境参量的相关信息。目前检测方案主要有3×3耦合器多相检测法、PGC法、外差法以及矩形脉冲二元相位调制法。其中矩形脉冲二元相位调制法对激光光源进行高速矩形脉冲二元调制，利用非平衡干涉仪的特点，在干涉输出端产生三步移相干涉光强信号，后根据三步移相算法实现相位解调。该方法具有光路简单，硬件***要求低，解算速度快的特点，广泛适用于各种实际应用***。但是该方法采用三步移相算法对噪声及***误差的抗干扰能力相对较差，此外，相位调制幅度的误差会极大影响该测量方法的精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，通过实现调制误差自消除，解决传统矩形脉冲二元相位调制法易受调制幅度影响的缺点，同时通过采用多步移相算法提高对噪声及***误差的抵抗能力。
为解决上述问题，本发明提供了一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，应用于多步移相相位检测装置，其特征在于，所述多步移相相位检测装置包括激光光源(1)、隔离器(2)、相位调制器(3)、环形器(4)、2×2耦合器(5)、参考臂(6)、信号臂(7)、法拉第旋光镜(8)、第一光电转换器(9-1)、第二光电转换器(9-2)、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)、环形器(4)和2×2耦合器(5)通过光纤依次连接，所述参考臂(6)的长度l1小于所述信号臂(7)的长度l2，所述参考臂(6)和所述信号臂(7)均放置在微振动台(12)上，且末端均连接有法拉第旋光镜(8)，数据处理模块(11)与相位调制器(3)连接，所述环形器(4)的端口(4-3)通过光纤与所述第一光电转换器(9-1)连接，所述2×2耦合器(5)的端口(5-4)通过光纤与第二光电转换器(9-2)连接，数据采集模块(10)分别与第一光电转换器(9-1)、第二光电转换器(9-2)和数据处理模块(11)连接，所述方法包括如下步骤：
步骤1.打开所述激光光源(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，所述经相位调制的激光光束的激光复振幅E(t)为：
Figure BDA0002860262870000011
其中，A0为幅度，v表示光源中心频率，
Figure BDA0002860262870000012
为相位调制器(3)的矩形脉冲二元相位调制信号，
Figure BDA0002860262870000013
其中k为整数，T为矩形脉冲二元相位调制信号的周期，τp为矩形脉冲二元相位调制信号的脉冲宽度，满足τp≤T/3；
步骤2.所述经相位调制的激光光束依次经过环形器(4)和2×2耦合器(5)，同时进入参考臂(6)和信号臂(7)，经法拉第旋光镜(8)反射后，在2×2耦合器(5)产生干涉光，部分干涉光经2×2耦合器(5)的端口(5-1)返回至环形器(4)，由环形器的端口(4-3)输出第一干涉光强信号I1(t)至第一光电转换器(9-1)，并由所述第一光电转换器(9-1)并转换为第一电信号输出至数据采集模块(10)；另一部分干涉光直接从2×2耦合器(5)的端口(5-4)输出第二干涉光强信号I2(t)至第二光电转换器(9-2)，并由第二光电转换器(9-2)转换为第二电信号输出至数据采集模块(10)，第一干涉光强信号I1(t)和第二干涉光强信号I2(t)如下式所示；
Figure BDA0002860262870000021
Figure BDA0002860262870000022
其中，A为直流项，B为振幅项；τ为经相位调制的激光光束在经过参考臂(6)和信号臂(7)产生的延时，满足τ＝2nΔl/c，其中n为光纤介质折射率，c为光在真空中传播速度，τ＝τp，k为整数；
步骤3.所述数据采集模块(10)采集所述第一电信号和所述第二电信号，通过分别标定第一干涉光强信号I1(t)和第二干涉光强信号I2(t)与矩形脉冲二元相位调制信号的延时，获得所述第一干涉光强信号I1(t)对应的三个多步移相信号I11(t),I12(t),I13(t)和所述第二干涉光强信号I2(t)对应的三个多步移相信号I21(t),I22(t),I23(t)，具体如下式所示：
Figure BDA0002860262870000023
Figure BDA0002860262870000024
步骤4.数据处理模块(11)通过对获取的I12(t)和I21(t)进行互相关运算，调整输出到相位调制器(3)的驱动电压以使得多步移相信号I12(t)和多步移相信号I21(t)之间的相位延时量为0，并将所述第一干涉光强信号I1(t)对应的三个多步移相信号I11(t),I12(t),I13(t)和所述第二干涉光强信号I2(t)对应的三个多步移相信号I21(t),I22(t),I23(t)组合为如下式所示的多步移相干涉光强信号Ia(t),Ib(t),Ic(t),Id(t),Ie(t)：
Figure BDA0002860262870000031
根据多步移相算法，解得调制误差θ(t)：
Figure BDA0002860262870000032
随后去除调制误差θ(t)的初始相，即可解调出连续的振动信号
Figure BDA0002860262870000033
进一步的，所述步骤1中，所述相位调制器(3)产生矩形脉冲二元相位调制信号包括：由数据处理模块(11)产生的矩形脉冲调制信号向相位调制器(3)提供调制量为π/2的相位调制，其中，所述相位调制一个周期内的脉冲宽度为τpns。
进一步的，所述参考臂(6)与所述信号臂(7)长度差为Δl且满足
Figure BDA0002860262870000034
进一步的，所述环形器(4)的端口(4-3)输出的第一干涉光强信号I1(t)的强度和2×2耦合器(5)的端口(5-4)输出第二干涉光强信号I2(t)的强度一致，且相对于矩形脉冲二元相位调制信号
Figure BDA0002860262870000035
的延时一致。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过调制误差的自消除，提高解调精度。(2)采用多步移相算法提高对噪声及***误差的抵抗能力，同时具有光路相对简单，硬件***要求低，解算速度快的特点。
附图说明
图1为本发明实施例中多步移相相位检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中数据处理模块产生的矩形脉冲调制信号和光电转换器接收的两组干涉光强信号，其中，(a)为矩形脉冲调制信号，(b)为第一干涉光强信号I1(t)对应的光强曲线，(c)为第二干涉光强信号I2(t)对应的光强曲线；
图3为本发明实施例中数据采集模块提取的多步移相信号，其中，(a)为从第一干涉光强信号I1(t)提取的三个多步移相信号，(b)为从第二干涉光强信号I2(t)提取的三个多步移相信号；
图4为本发明实施例中当相位调制量为π/2时，用于计算的两路移相信号I12(t)和I21(t)互相关运算结果；
图5为本发明实施例中解调出的振动相位信号
Figure BDA0002860262870000036
图6为本发明实施例中解调出的振动相位信号
Figure BDA0002860262870000037
对应的频谱图。
附图标记：激光光源1、隔离器2、相位调制器3、环形器4、2×2耦合器5、参考臂6、信号臂7、法拉第旋光镜8、第一光电转换器9-1、第二光电转换器9-2、数据采集模块10、数据处理模块11和微振动台12。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
请参照图1，本发明实施例提供的多步移相相位检测装置包括激光光源1、隔离器2、相位调制器3、环形器4、2×2耦合器5、参考臂6、信号臂7、法拉第旋光镜8、第一光电转换器9-1、第二光电转换器9-2、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、环形器4和2×2耦合器5通过光纤依次连接，参考臂6的长度l1小于信号臂7的长度l2，长度差为Δl，满足
Figure BDA0002860262870000041
参考臂6和信号臂7均放置在微振动台(12)上，且末端均连接有法拉第旋光镜8，数据处理模块11与相位调制器3连接，环形器4的端口4-3通过光纤与第一光电转换器9-1连接，2×2耦合器5的端口5-4通过光纤与第二光电转换器9-2连接，数据采集模块10分别与第一光电转换器9-1、第二光电转换器9-2和数据处理模块11连接。采用该装置，本发明提供了一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，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，经相位调制的激光光束的激光复振幅E(t)为：
Figure BDA0002860262870000042
其中，A0为幅度，v表示光源中心频率，
Figure BDA0002860262870000043
为相位调制器3的矩形脉冲二元相位调制信号，
Figure BDA0002860262870000044
其中k为整数，T为矩形脉冲二元相位调制信号的周期，τp为矩形脉冲二元相位调制信号的脉冲宽度，满足τp≤T/3。
在本发明实施例中，相位调制器3的驱动信号是由数据处理模块(11)产生的矩形脉冲调制信号向相位调制器(3)提供调制量为π/2的相位调制产生，其中，相位调制一个周期内的脉冲宽度为τpns。
步骤2.所述经相位调制的激光光束依次经过环形器4和2×2耦合器5，同时进入参考臂6和信号臂7，经法拉第旋光镜8反射后，在2×2耦合器5产生干涉光，部分干涉光经2×2耦合器5的端口5-1返回至环形器4，由环形器的端口4-3输出第一干涉光强信号I1(t)至第一光电转换器9-1，并由所述第一光电转换器9-1并转换为第一电信号输出至数据采集模块10；另一部分干涉光直接从2×2耦合器5的端口5-4输出第二干涉光强信号I2(t)至第二光电转换器9-2，并由第二光电转换器9-2转换为第二电信号输出至数据采集模块10；第一干涉光强信号I1(t)和第二干涉光强信号I2(t)如下式所示：
Figure BDA0002860262870000045
Figure BDA0002860262870000046
其中，A为直流项，B为振幅项；τ为经相位调制的激光光束在经过参考臂6和信号臂7产生的延时，满足τ＝2nΔl/c，其中n为光纤介质折射率，c为光在真空中传播速度，τ＝τp，k为整数；
步骤3、数据采集模块10采集第一电信号和第二电信号，通过分别标定第一干涉光强信号I1(t)和第二干涉光强信号I2(t)与矩形脉冲二元相位调制信号的延时，获得第一干涉光强信号I1(t)对应的三个多步移相信号I11(t),I12(t),I13(t)和第二干涉光强信号I2(t)对应的三个多步移相信号I21(t),I22(t),I23(t)，具体如下式所示：
Figure BDA0002860262870000051
Figure BDA0002860262870000052
步骤4、数据处理模块11接收数据采集模块10提取的多步移相信号I11(t),I12(t),I13(t)和I21(t),I22(t),I23(t)。数据处理模块11通过对I12(t)和I21(t)进行互相关运算，计算I12(t)和I21(t)之间的延时量τR。根据该延时量自动调整输出到相位调制器的驱动电压，最终使得τR＝0，即I12(t)和I21(t)之间的相位延时量为0，从而有效消除调制误差。最终，将第一干涉光强信号I1(t)对应的三个多步移相信号I11(t),I12(t),I13(t)和第二干涉光强信号I2(t)对应的三个多步移相信号I21(t),I22(t),I23(t)组合为多步移相干涉光强信号Ia(t),Ib(t),Ic(t),Id(t),Ie(t)，移相量分别(-3π/2，-π,-π/2,0,π/2)，具体可表示为：
Figure BDA0002860262870000053
根据多步移相算法，解得：
Figure BDA0002860262870000054
随后去除θ(t)的初始相，即可解调出连续的振动信号
Figure BDA0002860262870000055
2×2耦合器5的端口5-4与光电转换器9之间的光纤长度和耦合效率经适当调整，使得第一干涉光强信号I1(t)和第二干涉光强信号I2(t)强度一致，且相对于矩形脉冲二元相位调制信号产生的延时一致。
实施例1
实验测试了某标准传感器在200Hz的振动信息，参考臂6和信号臂7的长度差为2.8m，高速矩形脉冲的频率为1MHz，一个周期内调制的脉冲宽度为28ns，其采用如图1所示的多步移相相位检测装置，其测量步骤为：
步骤1、打开微振动台12，微振动台12在200Hz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，数据处理模块11产生频率为1MHz的矩形脉冲调制信号，向相位调制器3提供调制量为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环形器4和2×2耦合器5，同时进入参考臂6和信号臂7，分别形成参考光和信号光，经法拉第旋光镜8反射后，返回2×2耦合器5，在2×2耦合器5产生干涉光。随后，一部分干涉光经2×2耦合器5的端口5-1返回至环形器4，由环形器的端口4-3输出至第一光电转换器9-1，另一部分光直接从2×2耦合器5的端口5-4输出至第二光电转换器9-2，第一光电转换器9-1和第二光电转换器9-2将分别将接受到的第一干涉光强信号I1(t)和第二干涉光强信号I2(t)转换为电信号输出至数据采集模块10。矩形脉冲调制信号和光电转换器接收的两组干涉光强信号关系如图2所示，其中，(a)为矩形脉冲调制信号，(b)为第一干涉光强信号I1(t)对应的光强曲线，(c)为第二干涉光强信号I2(t)对应的光强曲线。
步骤3、数据采集模块10采集第一光电转换器9-1和第二光电转换器9-2输出的电信号，通过分别标定第一干涉光强信号I1(t)和第二干涉光强信号I2(t)与矩形脉冲二元相位调制信号的延时，获得对应的多步移相信号，并将其传输至数据处理模块11，数据处理模块11通过对I12(t)和I21(t)进行互相关运算，计算I12(t)和I21(t)之间的延时量τR。根据该延时量自动调整输出到相位调制器的驱动电压，最终使得τR＝0，即I12(t)和I21(t)之间的相位延时量为0，有效消除调制误差。从I1(t)和I2(t)中提取的多步移相信号如图3所示，其中，(a)为从第一干涉光强信号I1(t)提取的三个多步移相信号，(b)为从第二干涉光强信号I2(t)提取的三个多步移相信号。当相位调制量为π/2时，用于计算的两路移相信号I12(t)和I21(t)互相关运算结果如图4所示，此时满足τR＝0。
步骤4、数据处理模块11根据移相量为(-3π/2，-π,-π/2,0,π/2)的多步移相干涉光强信号，采用多步移相算法解调得到相位信号，随后去除初始相，即可解调出连续的振动信号
Figure BDA0002860262870000061
其结果如图5所示，同时其对应的频谱图如图6所示，其结果与条件一致。
结合图2～图6，本实施例通过一系列步骤实现了对振动相位信号的测量。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，表明该方法可有效实现调制误差自消除提高解调精度，对噪声及***误差抑制能力强，同时具有光路相对简单，硬件***要求低，解算速度快的特点。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，应用于多步移相相位检测装置，其特征在于，所述多步移相相位检测装置包括激光光源(1)、隔离器(2)、相位调制器(3)、环形器(4)、2×2耦合器(5)、参考臂(6)、信号臂(7)、法拉第旋光镜(8)、第一光电转换器(9-1)、第二光电转换器(9-2)、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)、环形器(4)和2×2耦合器(5)通过光纤依次连接，所述参考臂(6)的长度l1小于所述信号臂(7)的长度l2，所述参考臂(6)和所述信号臂(7)均放置在微振动台(12)上，且末端均连接有法拉第旋光镜(8)，数据处理模块(11)与相位调制器(3)连接，所述环形器(4)的端口(4-3)通过光纤与所述第一光电转换器(9-1)连接，所述2×2耦合器(5)的端口(5-4)通过光纤与第二光电转换器(9-2)连接，数据采集模块(10)分别与第一光电转换器(9-1)、第二光电转换器(9-2)和数据处理模块(11)连接，所述方法包括如下步骤：
步骤1.打开所述激光光源(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，所述经相位调制的激光光束的激光复振幅E(t)为：
Figure FDA0002860262860000011
其中，A0为幅度，v表示光源中心频率，
Figure FDA0002860262860000012
为相位调制器(3)的矩形脉冲二元相位调制信号，
Figure FDA0002860262860000013
其中k为整数，T为矩形脉冲二元相位调制信号的周期，τp为矩形脉冲二元相位调制信号的脉冲宽度，满足τp≤T/3；
步骤2.所述经相位调制的激光光束依次经过环形器(4)和2×2耦合器(5)，同时进入参考臂(6)和信号臂(7)，经法拉第旋光镜(8)反射后，在2×2耦合器(5)产生干涉光，部分干涉光经2×2耦合器(5)的端口(5-1)返回至环形器(4)，由环形器的端口(4-3)输出第一干涉光强信号I1(t)至第一光电转换器(9-1)，并由所述第一光电转换器(9-1)并转换为第一电信号输出至数据采集模块(10)；另一部分干涉光直接从2×2耦合器(5)的端口(5-4)输出第二干涉光强信号I2(t)至第二光电转换器(9-2)，并由第二光电转换器(9-2)转换为第二电信号输出至数据采集模块(10)，第一干涉光强信号I1(t)和第二干涉光强信号I2(t)如下式所示：
Figure FDA0002860262860000014
Figure FDA0002860262860000015
其中，A为直流项，B为振幅项；τ为经相位调制的激光光束在经过参考臂(6)和信号臂(7)产生的延时，满足τ＝2nΔl/c，其中n为光纤介质折射率，c为光在真空中传播速度，τ＝τp，k为整数；
步骤3.所述数据采集模块(10)采集所述第一电信号和所述第二电信号，通过分别标定第一干涉光强信号I1(t)和第二干涉光强信号I2(t)与矩形脉冲二元相位调制信号的延时，获得所述第一干涉光强信号I1(t)对应的三个多步移相信号I11(t),I12(t),I13(t)和所述第二干涉光强信号I2(t)对应的三个多步移相信号I21(t),I22(t),I23(t)，具体如下式所示：
Figure FDA0002860262860000021
Figure FDA0002860262860000022
步骤4.数据处理模块(11)通过对获取的I12(t)和I21(t)进行互相关运算，调整输出到相位调制器(3)的驱动电压以使得多步移相信号I12(t)和多步移相信号I21(t)之间的相位延时量为0，并将所述第一干涉光强信号I1(t)对应的三个多步移相信号I11(t),I12(t),I13(t)和所述第二干涉光强信号I2(t)对应的三个多步移相信号I21(t),I22(t),I23(t)组合为如下式所示的多步移相干涉光强信号Ia(t),Ib(t),Ic(t),Id(t),Ie(t)：
Figure FDA0002860262860000023
根据多步移相算法，解得：
Figure FDA0002860262860000024
随后去除θ(t)的初始相，即可解调出连续的振动信号
Figure FDA0002860262860000025
2.根据权利要求1所述的具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，其特征在于：所述步骤1中，所述相位调制器(3)产生矩形脉冲二元相位调制信号包括：由数据处理模块(11)产生的矩形脉冲调制信号向相位调制器(3)提供调制量为π/2的相位调制，其中，所述相位调制一个周期内的脉冲宽度为τpns。
3.根据权利要求1所述的具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，其特征在于：所述参考臂(6)与所述信号臂(7)长度差为Δl且满足
Figure FDA0002860262860000026
4.根据权利要求1所述的具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，其特征在于：所述环形器(4)的端口(4-3)输出的第一干涉光强信号I1(t)的强度和2×2耦合器(5)的端口(5-4)输出第二干涉光强信号I2(t)的强度一致，且相对于矩形脉冲二元相位调制信号
Figure FDA0002860262860000027
的延时一致。
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