专利名称：基于π/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及干涉型光传感器的正交解调装置，尤其涉及一种基于π/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置。
背景技术：
随着现代科学技术的迅猛发展，人类社会正从高度工业化向信息化转变，传感器作为人们获得信息的一种重要方式，已经越来越多地受到了人们的关注，成为现代科学技术发展的前锋。光纤传感器具有抗电磁干扰，体积小，重量轻，空间分辨率高等优点，它易于设计成各种形状，易于实现光纤传输和远距离遥测，易于构成传感网络实现对多点多参量的测量。干涉型光纤传感器与强度型光纤传感器相比结构复杂，但其灵敏度很高，因而成为光纤传感器研究的一个重要组成部分。干涉型光纤传感器是利用被测对象对光纤的作用，导致光经过光纤时相位发生变化来达到检测的目的。目前，既有将多个干涉型光纤传感器组合成系统阵列的实际应用，也有综合光纤技术构成的智能型、功能型的传感系统，但从实际应用产品来看，主要集中在光纤加速度计和光纤水听等。光纤加速度计是车辆、船舶等抗冲击、抗振动测量，地震检测系统中常用的重要传感器，其基本原理是在惯性空间设置质量为M的质量块，以感知被测器件作加速度运动时产生的惯性力和位移，测量出惯性力或位移即可测量出相应的加速度。干涉型光纤加速度计是通过外界物理场来调制光纤干涉仪的干涉臂中所传光波的相位，而干涉仪把相位变化转化为光强变化，可以利用光电转换技术和相位检测技术解调出外界待测的物理信号。光纤加速度计是一种抗干扰能力强、灵敏度高、动态范围广的新型传感器件，80年代刚一问世就受到大家的重视。光纤水听器按原理分为强度型、干涉型和光纤光栅型。其中相位干涉型光纤水听器是根据相干光的干涉原理制成的，因而不仅灵敏度高，而且动态范围大。目前普遍认为， 相位干涉型光纤水听器是最有发展前途的水听器。由于水下电磁波和光波都不能远距离传播，声波自水下器件发展以来就是主要的信息载体，但目前传统的压电式水听器在灵敏度和信息传输等方面都难以满足新的要求。光纤水听器具有探测灵敏度高、抗干扰能力强、足够大的动态范围、全天候实时探测识别、系统湿端重量轻和结构的任意性，这些技术特点使得光纤水听器足以适应各种信号传感的需要。现有干涉型光传感器的信号解调技术主要为PGC解调法、3X3耦合器解调法及外
差解调法等。PGC解调的原理是采用不平衡干涉仪，通过对光源频率进行高频调制，从而在干涉仪中引入检测信号带宽外某一频率的大幅度相位调制信号，使所检测信号成为这些大幅度载波的边带，分别用载波自身和二倍频的载波进行相关检测以及微分-交叉相乘的方式分离光纤干涉仪的交流传感信号和低频随机相位漂移，再通过高通滤波器得到稳定的传感信号输出。但是这种方法有两个缺陷，一是对光源调频的同时会有伴生调幅现象，导致解调信号失真；二是二倍频的载波是由载波自身相乘得到的，相位与自身不同步，也会带来解调的失真。3X3耦合器解调原理是，马赫曾德尔干涉两臂信号经过3X3耦合器合成以后，可得依次相位相差120°的三路干涉信号，因而不会同时出现信号消隐现象。解调算法只需要对这三路信号进行相加、相减、相乘、微分、积分、滤波等操作，最后就可得到所需的传感信号。这种方法能使用简单设备实现信号解调，但它也存在着缺陷，首先3X3耦合器由于制造工艺等原理三路输出光信号大小不可能完全相等，此外对三路干涉信号进行探测的光电探测器响应度也不可能完全一样，而这些不平衡性将会对最后解调结果产生影响，造成信号失真。另外3X3耦合器解调法需要对3路信号进行处理，处理算法相对复杂，影响最终结果完整性。外差解调法不需要使用调制光源，通常在干涉仪参考臂中加入外差调制器，使参考臂产生频移，从而使两臂形成频差，这样干涉后就可以得到被光电探测器响应的外差信号。由光电探测输出的外差信号分成相同的两路，分别与外差调制信号及外差调制信号经移相电路后的信号混频，再经低通滤波、微分等解调电路进行传感信号的解调。外差解调法的优点是避免伴生调幅干扰，缺点是需要用精密的外差调制信号移相电路，相位一旦固定就不可随着外差调制信号的变化而调节，且存在固有的电子相位漂移以及噪声干扰严重等问题。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于π/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置。能够有效的消除伴生调幅影响，消除相位幅度不平衡因素， 减少元器件的使用，减少非线性等因素影响，实现精确可调的90°相差正交解调。本发明采用的技术方案是激光器输出光信号经1X2耦合器分光后分成两路，一路接传感头得到传感信号输出，另一路接接相位调制器得到参考光路输出，传感信号输出和参考光路输出经2 X 1光合路器后得到传感光路与参考光路的干涉光信号，干涉光信号输入到光电探测器得到干涉电信号，再经过低噪声放大器放大后由数字信号处理器在输入到相位调制器的方波信号外触发下实现干涉电信号的数据采样。所述的数字信号处理器包括奇偶分组模块、两个微分模块、两个相乘模块、减法模块、积分模块和低通滤波模块；从低噪声放大器(输入的信号经奇偶分组模块由方波信号触发下，得到两组η/2相差的正交信号，再将这两组正交信号分别输入到第一微分模块和第二微分模块输出再与微分前数据交叉进入第一相乘模块和第二相乘模块实现交叉相乘， 第一相乘模块和第二相乘模块输出进入减法模块中进行相减处理，再经积分模块中处理后，通过低通滤波模块滤除相对低频的随机相位变化，得到所需解调的传感信号，最后实现了整个解调过程。所述的相位调制器经幅度为二分之一半波电压方波调制后，光相位变化幅度为 31 /2。所述的相位调制器调制方波信号频率f要大于传感信号最高频率10倍以上。所述的相位调制器的相位调制速率在IOMHz以上。
所述的激光器为窄线宽激光器，所述的传感头上的相位敏感器件为光纤振动传感器、光纤水听器、光纤陀螺仪或相位敏感式电流电压传感器等。所述的光电探测器的接收带宽要大于10倍调制方波信号频率f。所述的数字信号处理器的采样频率设置为2Nf，N为整数。与背景技术相比，本发明有益效果是本发明可以通过输入峰-峰值为二分之一半波电压的数字方波调相信号，瞬时改变干涉信号的相位，使得相邻采样点之间具有η /2相位差，并且由于相位调制器调制相位变化远快于传感信号变化及随机相位偏移变化，相邻两组信号可以看作同一时刻采样信号，由此得到的两组η /2相差的干涉信号通过数字解调算法最后可实现正交解调处理，消除随机相位变化对解调结果带来的影响。与PGC解调装置比较，此装置能够消除伴生调幅影响，减少了混频器及低通滤波器使用，从而减少了有源器件非线性影响，提高了输出信噪比。与3 X 3解调装置比较，此装置不存在3 X 3耦合器各路探测信号不平衡多造成的影响， 且可以减少光电探测器使用数量及简化后续解调算法运算步骤，使解调信号得以改善。与外差解调装置比较，此装置同样无需使用混频器、滤波器，减少非线性；且可以用相位调制器代替移相器件实现相位精密调制，调相幅度可以通过改变相位调制器方波幅度进行变化。
图1是本π /2相位调制解调装置原理图。图2是DSP内部数据处理流程图。图3是数字信号处理器解调结果波形图。图中101、激光器，102、1Χ2耦合器，103、相位调制器，104、传感头，105、2Χ1光合路器，106、光电探测器，107、低噪声放大器，108、数字信号处理器，201、奇偶分组模块， 202、微分模块，203、微分模块，204、相乘模块，205、相乘模块，206、减法模块，207、积分模块，208、低通滤玻模块。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1所示，激光器101输出光信号经1X2耦合器102分光后分成两路，一路接传感头104得到传感信号输出，另一路接接相位调制器103得到参考光路输出，传感信号输出和参考光路输出经2Χ 1光合路器105后得到传感光路与参考光路的干涉光信号，干涉光信号输入到光电探测器106得到干涉电信号，再经过低噪声放大器107放大后由数字信号处理器108在输入到相位调制器103的方波信号外触发下实现干涉电信号的数据采样。如图2所示，所述的数字信号处理器108包括奇偶分组模块201、两个微分模块 202，203、两个相乘模块204，205、减法模块206、积分模块207和低通滤波模块208 ；从低噪声放大器107输入的信号经奇偶分组模块201由方波信号触发下，得到两组π/2相差的正交信号，再将这两组正交信号分别输入到第一微分模块202和第二微分模块203输出再与微分前数据交叉进入第一相乘模块204和第二相乘模块205实现交叉相乘，第一相乘模块 204和第二相乘模块205输出进入减法模块206中进行相减处理，再经积分模块207中处理后，通过低通滤波模块208滤除相对低频的随机相位变化，得到所需解调的传感信号，最后实现了整个解调过程。所述的相位调制器103经幅度为二分之一半波电压方波调制后，光相位变化幅度为 π/2。所述的相位调制器103调制方波信号频率f要大于传感信号最高频率10倍以上所述的相位调制器103的相位调制速率在IOMHz以上。所述的激光器为窄线宽激光器，能有效减少相位噪声对解调结果的影响，提高输出信噪比。所述的传感头104上的相位敏感器件为光纤振动传感器、光纤水听器、光纤陀螺仪或相位敏感式电流电压传感器。所述的光电探测器106的接收带宽要大于10倍调制方波信号频率f，以保证可检测得到方波信号的高次谐波量。所述的数字信号处理器108的采样频率设置为2Nf，N为整数。并调整采样延时， 使得采样点位于相位调制方波信号高低电平的中间点时刻位置。假设激光器101经1 X 2耦合器102耦合输出到信号臂及参考臂中光强分别为E1, F ·假设制传感信号为4. 5KHz正弦信号s (t) = Acos (2 π X 4500 X t)假设π /2调相信号频率f为IOOKHz有
权利要求
1.一种基于η/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置，其特征在于激光器 (101)输出光信号经1X2耦合器(10 分光后分成两路，一路接传感头(104)得到传感信号输出，另一路接接相位调制器(10 得到参考光路输出，传感信号输出和参考光路输出经2X1光合路器(10 后得到传感光路与参考光路的干涉光信号，干涉光信号输入到光电探测器(106)得到干涉电信号，再经过低噪声放大器(107)放大后由数字信号处理器(108) 在输入到相位调制器(103)的方波信号外触发下实现干涉电信号的数据采样。
2.根据权利要求1所述的一种基于η/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置， 其特征在于所述的数字信号处理器(108)包括奇偶分组模块001)、两个微分模块(202， 203)、两个相乘模块(204，205)、减法模块(206)、积分模块(207)和低通滤波模块(208)； 从低噪声放大器(107)输入的信号经奇偶分组模块O01)由方波信号触发下，得到两组 η/2相差的正交信号，再将这两组正交信号分别输入到第一微分模块(20 和第二微分模块(20 输出再与微分前数据交叉进入第一相乘模块(204)和第二相乘模块(20 实现交叉相乘，第一相乘模块(204)和第二相乘模块(20 输出进入减法模块O06)中进行相减处理，再经积分模块(207)中处理后，通过低通滤波模块(208)滤除相对低频的随机相位变化，得到所需解调的传感信号，最后实现了整个解调过程。
3.根据权利要求1所述的一种基于η/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置， 其特征在于所述的相位调制器(10 经幅度为二分之一半波电压方波调制后，光相位变化幅度为π/2。
4.根据权利要求1所述的一种基于η/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置， 其特征在于所述的相位调制器(10 调制方波信号频率f要大于传感信号最高频率10倍以上。
5.根据权利要求1所述的一种基于η/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置， 其特征在于所述的相位调制器(103)的相位调制速率在IOMHz以上。
6.根据权利要求1所述的一种基于η/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置， 其特征在于所述的激光器为窄线宽激光器，所述的传感头(104)上的相位敏感器件为光纤振动传感器、光纤水听器、光纤陀螺仪或相位敏感式电流电压传感器。
7.根据权利要求1所述的一种基于η/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置， 其特征在于所述的光电探测器(106)的接收带宽要大于10倍调制方波信号频率f。
8.根据权利要求1所述的一种基于η/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置， 其特征在于所述的数字信号处理器(108)的采样频率设置为2Nf，N为整数。
全文摘要
本发明公开了一种基于π/2相位调制的干涉型光传感器正交解调装置。该装置结构为激光器输出光经1×2耦合器后分成信号传感光路与参考光路；信号传感光路上经传感头的相位敏感器件得到传感信号输出；参考光路经π/2相位调制器得到参考信号输出；传感信号输出与参考信号输出经2×1光合路器干涉合路后，依次经过光电探测器、低噪声放大器后由数字信号处理器采样；采集的数据按照奇偶位置分成两路后由数字正交解调得到所需解调的传感信号。本发明具有相位解调结构简单、处理算法简洁有效、并能有效消除器件非线性影响等优点。
文档编号G01P15/093GK102353393SQ201110182619
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月1日 优先权日2011年7月1日
发明者区坚海, 池灏, 章献民, 郑史烈, 郑鑫, 金晓峰 申请人:浙江大学