CN115824277A - 一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***及方法，所述***包括激光器、光脉冲调制模块、第一放大器、第一传输光纤、第一隔离器、干涉仪、第二隔离器、第二传输光纤、第二放大器、探测器、数据采集卡、信号解调与分析模块、信号发生器，所述激光器、光脉冲调制模块、第一放大器放大器、第一传输光纤、第一隔离器、干涉仪、第二隔离器、第二传输光纤、第二放大器、探测器、数据采集卡、信号解调与分析模块依次串接，信号发生器分别连接到光脉冲调制模块、信号解调与分析模块。本发明能够避免因相位衰落导致的相位噪声波动，特别是在长距离、大规模等***应用中，相位衰落导致干涉后光信号功率、信噪比变化幅度大。

Description

一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***及方法

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***与方法。

背景技术

光纤传感技术是一种以光纤为媒介、进行外界物理量、化学量等参数感知、测量的技术，常见的光纤传感技术有干涉型传感技术、散射型传感技术。干涉型传感技术可利用法布里-泊罗(F-P)腔、迈克尔逊干涉仪(MI)、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、光纤光栅等结构感知外界物理、化学参数的变化。对于这类传感器，可结合特定的调制、解调算法进行外界物理、化学参数数据的采集。常见的解调方法有相位载波解调(PGC)、外差解调、3×3耦合器解调、频域正交解调技术等。

这些解调方法中，PGC解调法载波频率要求高、动态范围小；外差解调法易受移频延时模块和传输光纤的影响；3×3耦合器解调法占用硬件资源多。频域解调技术结合上述方法，通过调频构建时域上两路相位正交的信号光，解调出相位信息。该方法可实现的动态范围较大，受链路干扰小。但由于光脉冲的自干涉(零差)原理，干涉后的光信号会产生相位衰落现象。光信号功率的变化，伴随着信号信噪比的变化，这一现象对于有放大器的***特别明显，最终导致解调出来的相位噪声时域上波动大，噪声稳定性差。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***与方法，可以解决相位衰落现象对噪声变化的影响。

本发明上述技术问题的技术方案是：一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***，包括：包括激光器、光脉冲调制模块、第一放大器、第一传输光纤、第一隔离器、干涉仪、第二隔离器、第二传输光纤、第二放大器、探测器、数据采集卡、信号解调与分析模块、信号发生器，所述激光器、光脉冲调制模块、第一放大器放大器、第一传输光纤、第一隔离器、干涉仪、第二隔离器、第二传输光纤、第二放大器、探测器、数据采集卡、信号解调与分析模块依次串接，信号发生器分别连接到光脉冲调制模块、信号解调与分析模块。

进一步的，所述的光脉冲调制模块包括光开关、第一耦合器、第一延时光纤、第一移频器、第二耦合器、第二延时光纤、第二移频器、第三耦合器，激光器输出的光信号经光开关到第一耦合器，第一耦合器分成两路，一路经第一延时光纤到第二耦合器，另一路经第一移频器再到第二耦合器，第二耦合器的输出分成两路，一路经第二延时光纤到第三耦合器，另一路经第二移频器再到第三耦合器，第三耦合器输出光信号到端口。

进一步的，所述的干涉仪为F-P腔、MI型干涉仪、MZI型干涉仪或光纤光栅干涉仪。

进一步的，所述干涉仪所产生的光程差为ΔL，该光程差与光脉冲调制模块产生的脉冲光频率满足如下关系

其中i＜4且为正整数，c为光速。

进一步的，所述第一放大器和第二放大器为掺铒光纤放大器、遥泵放大器、拉曼放大器或上述放大器的组合形式。

一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调方法，包括如下步骤：

步骤1，光脉冲调制模块将激光器产生的连续光调制成周期性脉冲序列，周期性脉冲序列包括4个光脉冲，其光场为：

其中A_i为第i个光脉冲慢变化光场的振幅，f_i为第i个光脉冲的频率，t为时间参量，

为第i个光脉冲的初相位；

步骤2，光脉冲序列经过干涉仪后，形成正交的干涉序列脉冲，表达为：

其中D_i为干涉信号的直流偏置，B_i为干涉信号的干涉度，

为外界信号引起的干涉脉冲相位变化；

步骤3，干涉光经光电探测器探测后，形成电信号，通过标定或其他方式，求解出上式中的D_i和B_i，获得归一化后的信号，表达为：

步骤4，获取归一化的信号后，由于相邻的干涉脉冲相位相差π/2，因此分别将相位相反的干涉信号作差，获得两项正交相位信号，其表达式为：

步骤5，根据正交相位信号，采用反正切获取相位信息：

本发明的有益效果是：

1、本发明通过对光信号进行调频，利用干涉仪臂差构建反相相位和正交相位的干涉信号，减少光信号连接支路和解调通道的占用，降低硬件资源的消耗。

2、本发明能够将利用光频差将干涉后的光信号锁定在固定相位处，反相相位信号做差抑制共模噪声，正交相位信号通过相位解调方法获取相位信息。

3、本发明能够避免因相位衰落导致的相位噪声波动。特别是在长距离、大规模等***应用中，相位衰落导致干涉后光信号功率、信噪比变化幅度大，本发明能够减少其对后续的相位幅度、相位噪声求解的影响。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的流程图。

图3是本发明中所述光脉冲调制模块输出的光脉冲序列示意图。

图4是本发明实施例1公开的光脉冲调制模块结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，图1为本发明的一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***的结构图，其包括激光器1、光脉冲调制模块2、放大器3、传输光纤4、隔离器5、干涉仪6、隔离器7、传输光纤8、放大器9、探测器10、数据采集卡11、信号解调与分析模块12、信号发生器13。激光器1产生的光经过光脉冲调制模块2，调制成具有一定光频差的脉冲光信号。光信号由光放大器3放大，通过传输光纤4和隔离器5传入干涉仪6中，再由隔离器7和传输光纤8输出至放大器9中，放大后的光信号输入至探测器10中。探测器10获取的光功率数据由数据采集卡11采集，并由信号解调与分析模块12处理获取探测器1探测到的相位信息。信号发生器13用于光脉冲调制模块2的同步和射频信号的产生。

如图4所示，图4为光脉冲调制模块的结构图。包括光开关14、耦合器15、延时光纤16、移频器17、耦合器18、延时光纤19、移频器20、耦合器21。该模块包括三个端口：光输入端口(端口1)、光输出端口(端口2)、射频端口(端口3)。

所述的移频器17可以通过光纤声光调制器或其他器件实现，其功能为对光脉冲产生特定光频差，其频率为Δν₁，延时光纤16长度为L₁，对应的延时为τ₁。

所述的移频器20其功能与移频器17一致，移频频率为Δν₂，延时光纤19长度为L₂，对应的延时为τ₂。所述移频器17和移频器20的频率、延时光纤16和延时光纤19的延时信息需满足如下关系中的一条：关系1)T/N_t>2τ₂＝4τ₁＝4τ₀>4τ₀，其中N_t为时分复用数，单时分时取1，f_i+1-f_i＝Δν₁，f_i+2-f_i＝Δν₂；关系2)T/N_t>2τ₁＝4τ₂＝4τ₀>4τ₀，其中N_t为时分复用数，单时分时取1，f_i+1-f_i＝Δν₂，f_i+2-f_i＝Δν₁。

所述的光脉冲调制模块2将激光器1所产生的连续信号光调制成周期性的、具有一定光频差的光脉冲序列，其脉冲序列周期为T，单个脉冲宽度为τ₀，同一周期相邻脉冲延时为τ_d，光频率为f_i，脉冲数目为4个，光脉冲序列示意图如图3所示。

本发明中的干涉仪6可以是F-P腔、MI型干涉仪、MZI型干涉仪、光纤光栅或其他形式结构的干涉仪。该干涉仪所产生的光程差为ΔL，该光程差与光脉冲调制模块产生的脉冲光频率信息需满足如下关系：

其中i<4且为正整数。

本发明中的放大器3和放大器9可为掺铒光纤放大器、遥泵放大器、拉曼放大器或上述放大器的组合形式。

本发明中的信号解调与分析模块12具备信号时钟同步、调制信号产生、电信号滤波与放大、相位信息解调等功能。

本发明中的的多脉冲频域正交解调***不仅可应用于单个传感器***，也可应用于时分复用、波分复用的光纤传感器阵列***。对于光纤传感器阵列***，所述的激光器应由多个波长激光器和波分复用器替代；所述的放大器3由错峰模块和放大器替代，错峰模块用于调整各波长通道之间的脉冲延时；所述的干涉仪由干涉型传感器阵列替代。

本发明的一种光纤传感多脉冲频域正交解调方法，其流程如图2所示，包括如下步骤：

步骤1，光脉冲调制模块将激光器产生的连续光调制成周期性脉冲序列，该序列包括4个光脉冲，其光场可以表达为：

步骤2，光脉冲序列经过干涉仪后，形成正交的干涉序列脉冲，表达为：

步骤3，干涉光经光电探测器探测后，形成电信号。通过标定或其他方式，求解出上式中的D_i和B_i，获得归一化后的信号，表达为：

步骤4，获取归一化的信号后，分别将相位相反的干涉信号作差，获得两项正交相位信号，其表达式为：

步骤5，根据正交相位信号，采用反正切获取相位信息：

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***，其特征在于，包括激光器、光脉冲调制模块、第一放大器、第一传输光纤、第一隔离器、干涉仪、第二隔离器、第二传输光纤、第二放大器、探测器、数据采集卡、信号解调与分析模块、信号发生器，所述激光器、光脉冲调制模块、第一放大器放大器、第一传输光纤、第一隔离器、干涉仪、第二隔离器、第二传输光纤、第二放大器、探测器、数据采集卡、信号解调与分析模块依次串接，信号发生器分别连接到光脉冲调制模块、信号解调与分析模块。

2.根据权利要求1所述的一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***，其特征在于，光脉冲调制模块将激光器产生的连续光调制成周期性脉冲序列，周期性脉冲序列包括4个光脉冲，其光场为：

其中A_i为第i个光脉冲慢变化光场的振幅，f_i为第i个光脉冲的频率，t为时间参量，

为第i个光脉冲的初相位。

3.根据权利要求1所述的一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***，其特征在于，所述的光脉冲调制模块包括光开关、第一耦合器、第一延时光纤、第一移频器、第二耦合器、第二延时光纤、第二移频器、第三耦合器，激光器输出的光信号经光开关到第一耦合器，第一耦合器分成两路，一路经第一延时光纤到第二耦合器，另一路经第一移频器再到第二耦合器，第二耦合器的输出分成两路，一路经第二延时光纤到第三耦合器，另一路经第二移频器再到第三耦合器，第三耦合器输出光信号到端口。

4.根据权利要求1所述的一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***，其特征在于，所述的干涉仪为F-P腔、MI型干涉仪、MZI型干涉仪或光纤光栅干涉仪。

5.根据权利要求1所述的一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***，其特征在于，所述干涉仪所产生的光程差为ΔL，该光程差与光脉冲调制模块产生的脉冲光频率满足如下关系：

其中i<4且为正整数，k为整数，f_i为光频率，c为光速。

6.根据权利要求1所述的一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调***，其特征在于，所述第一放大器和第二放大器为掺铒光纤放大器、遥泵放大器、拉曼放大器或上述放大器的组合形式。

7.一种相位噪声衰落抑制的多脉冲频域正交解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，光脉冲调制模块将激光器产生的连续光调制成周期性脉冲序列，周期性脉冲序列包括4个光脉冲，其光场为：

步骤2，光脉冲序列经过干涉仪后，形成正交的干涉序列脉冲，表达为：

其中D_i为干涉信号的直流偏置，B_i为干涉信号的干涉度，

为外界信号引起的干涉脉冲相位变化；

步骤3，干涉光经光电探测器探测后，形成电信号，通过标定或其他方式，求解出上式中的D_i和B_i，获得归一化后的信号，表达为：

步骤4，获取归一化的信号后，分别将相位相反的干涉信号作差，获得两项正交相位信号，其表达式为：

步骤5，根据正交相位信号，采用反正切获取相位信息：

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