本发明属于光纤传感设备技术领域，具体属于干涉型光纤传感系统中的参数检测设备，主要是一种相位生成载波光纤传感系统信号解调系数的测量设备及测量方法。
背景技术：
由于光纤声学传感器所具有的独特优越性，它在监测领域的应用越来越广，其中，应用在水声领域的光纤传感器称为光纤水声传感器及其阵列。光纤声学传感器是一种新型的传感器，相对于传统的压电声学传感器，光纤声学传感器具有探测灵敏度高、响应频带宽、耐恶劣环境、结构轻巧、抗电磁干扰和易于大规模成阵等特点，是现代声学传感器的一个重要发展方向。所以，多国纷纷投入大量人力和财力进行有关光纤声学感器的研究和试验，已经开展工程应用。
相位调制型光纤传感器是光纤传感器的一种，也称作干涉型光纤传感器，其利用光纤中光波相位变化来进行探测，是目前工程实用化程度最高的。对于干涉型光纤传感器，最先要解决的是利用光纤水听器信号解调技术如相位生成载波调制解调技术获得光纤水听器感受到的信号，这样才具备应用的基本条件。
干涉型光纤传感系统相位生成载波解调技术这是一种无源解调技术，实际上是使系统工作点在一个很大的范围内变化，系统虽然不能维持在相位响应的最高灵敏区域，也不会停留在低灵敏区域。
干涉型光纤传感系统相位生成载波解调原理是通过在干涉仪中引入检测信号带宽外的高频大幅度相位调制信号，即在干涉仪中加入了一个周期变化的相位差，使所检测的声信号成为这些大幅度载波的边带信号，信号隐含在干涉信号的相位中，然后，用相干检测(相位生成载波解调)的方法来提取声信号，并达到减小环境噪声对信号影响的目的。通过相位载波，使光源输出的光波相位随载波信号有规律的变化，从而实现了相位调制。相位生成载波解调则是通过信号处理的方法，从光纤水听器的输出信号中解调出被测信号。相位生成载波解调技术解决了如何从干涉光表达式得到信号的问题。当采用数字信号处理实现相位生成载波解调技术时，对于解调得到的信号波形的真实幅值并不能直接得到。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种相位生成载波光纤传感系统信号解调系数的测量设备及测量方法，能够准确得到相位生成载波光纤传感系统信号的解调系数，从而使得相位生成载波光纤传感系统能获得真实的信号波形和幅值大小。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种相位生成载波光纤传感系统信号解调系数的测量设备，所述的测量设备主要包含激光源、干涉型光纤传感器、信号产生部件、信号发射探头、信号监视探头、数据采集及处理部件，所述的信号是由信号产生部件激励信号发射探头产生，信号是声波信号或是振动信号；当时声波信号时，干涉型光纤传感器处在声场中感应声波信号，所在位置处的声场必须是均匀的平面波声场，在解调系数测量前应采用信号监视探头进行测量确认，波长应大于干涉型光纤传感器尺寸的5倍；当信号振动信号时，干涉型光纤传感器固定在振动源上感应振动信号。
所述的激光源是一个能产生特定频率和功率的连续激光模块器件，必须是窄线宽的，且具备可调制功能，光源强度和波长必须保持不变。
所述的信号监视探头是一种能够感应信号并直接输出信号波形的传感器，用于监视信号发射部件产生的信号稳定性，其灵敏度无需知道，即不需要知道其输出信号的真实值，信号监视探头连接到数据采集及处理部件中。
所述的数据采集及处理部件是一种模数转换加数字信号存储及处理功能的模块化部件，其采样率必须远大于信号频率，同时采集光纤传感器的输出波形和信号监视器的输出波形进行计算处理，信号处理算法采用微分交叉相乘法的相位生成载波解调处理算法得到信号的时域波形，同时得到信号的幅值大小。
所述的相位生成载波光纤传感系统信号解调系数的测量设备可以包含一个机箱，将激光源、数据采集及处理部件、信号产生部件等主要模块部件放置在一个带壳体的机箱内，机箱面板上配有相应的接插件，用于各部件与相应传感器及探头之间的连接。机箱面板上带有液晶控制面板，可以通过液晶面板进行机箱内各部件的参数设置，也可通过usb接口、网线接口、串口等方式通过外部计算机来控制机箱内各部件的参数设置以及完成整个测量设备的工作过程。
本发明所述的这种采用相位生成载波光纤传感系统信号解调系数的测量设备的测量方法：一个完整工作过程分为三大步骤：
第一步是无载波有信号时采集通过干涉型光纤传感器感应信号后的输出波形数据获得第一个信号值大小；
第二步是有载波无信号时采集通过干涉型光纤传感器感应信号后的输出波形数据获得载波强度值；
第三步是采集有载波有信号时干涉型光纤传感器感应相同信号后的输出波形数据进行相位生成载波法解调，得到信号时域波形和第二个信号值大小，将两个信号值及载波强度值进行公式换算后就获得第二个信号的比例系数，也即光纤传感系统信号解调系数。
所述的一个完整工作过程具体为，确定好所有部件的参数并使得所有设备处在关闭状态，打开信号发射部件产生特定大小的信号，获得干涉型光纤传感器的第一个信号值，然后关闭信号，再打开载波调制功能，获得特定的载波调制强度，再打开信号后获得干涉型光纤传感器的第二个信号值，再利用公式进行计算得到光纤传感系统信号解调系数。
所述的一个完整工作过程综合利用了无载波和有载波两种设置条件下的信号获取方法，无载波时仅能得到真实的信号值大小，得不到信号时域波形，有载波时能得到信号时域波形，但不能得到真实的信号值大小。
在所述的一个完整工作过程中，根据步骤进行部件功能的打开和关闭，而所有部件的参数设置保持在目标值。
所述的相位生成载波光纤传感系统信号解调系数的测量设备的一个完整工作过程描述如下。
第一步，无载波时，有信号时，干涉型光纤传感器感应信号后的输出干涉波形相位交流部分表示为i＝bcos[dsin(ωst)+φ0]，b是与干涉仪输入光强、光纤耦合器的分光比、干涉仪的消光比等参数有关的交流项；ωs是信号的频率；dsin(ωst)是为信号引起的干涉波形相位变化；ф0是初始相位以及外界环境噪声的综合。当信号引起的干涉波形相位幅度d为π的整数倍n1时，也即d＝n1π时，干涉型光纤传感器输出波形存在时域上存在规律性特征，波形的上沿和下沿之间的幅值宽度是恒定值，存在周期性，且每半个重复周期之间存在起伏条纹，波形的波峰与波谷之间的连线与时间轴平行，半个重复周期内的起伏条纹即为相应的整数n1。
第二步，有载波时，无信号时，干涉型光纤传感器感应信号后的输出干涉波形表示为i＝bcos[ccosω0t+φ0]，其中ω0是调制信号的频率，ccosω0t是为载波引起的干涉波形相位变化，c为载波强度值，当c为π的整数倍n2时，同样能从干涉型光纤传感器感应信号后的输出波形时域上观察到第一步时的波形特征，此时c＝n2π。
第三部，有载波时，也有信号时，干涉型光纤传感器感应信号后的输出波形表示为i＝bcos[ccosω0t+dcosωst+φ0]，相位生成载波数字化实现过程主要包括信号的混频、低通滤波、微分、交叉相乘、相减、积分和高通滤波等步骤，最终解调信号波形表示为
kcosωst＝b2j1(c)j2(c)dcosωst，其中，j1(c)和j2(c)分别为c值的一阶和二阶贝塞尔函数值，k值与d信号值之间相差一个解调系数b2j1(c)j2(c)。其中参数c和d已知，参数b值就可以通过此时的信号波形计算得到
本发明的有益效果为：通过简便的方法准确获得信号解调系数，基于微分交叉相乘法相位生成载波解调处理算法的干涉型光纤传感系统对感应未知量值信号后的输出干涉波形进行解调时，得到的信号值分别除以信号解调系数、载波强度的一阶和二阶贝塞尔函数，即b2×j1(c)×j2(c)，就能得到真实准确的信号值d。
附图说明
图1为本发明的相位生成载波光纤传感系统信号解调系数测量设备构成图。
图2为本发明的相位生成载波光纤传感系统信号解调系数测量设备工作过程流程图。
图3为只有载波调制或者只有声信号时，满足n1＝1或者n2＝1的干涉光波形时域图。
图4为只有载波调制或者只有声信号时，满足n1＝2或者n2＝2的干涉光波形时域图，当设置更大载波调制强度或者更大信号时的干涉波形时域图依次类推。
图5为微分交叉相乘法的相位生成载波解调处理过程。
标记1为激光源，标记2为数据采集及处理部件，标记3为信号产生部件，标记4为信号监视探头，标记5为干涉型光纤传感器，标记6为信号发射探头，标记7为本发明的实施案例中的平面波声场，标记8为激光源将激光输入到干涉型光纤传感器的连接线，标记9为干涉型光纤传感器将干涉光输出到数据采集及处理部件，标记10为信号监视探头与数据采集及处理部件之间的连接线，标记11为信号产生部件与信号发射探头之间的连接线，用于信号产生部件给信号发射探头提供激励信号。标记12为机箱壳体，用于固定放置激光源、数据采集及处理部件、信号产生部件等主要部件，各连接线在机箱壳体内部和外部之间通过面板上的接插件相连接，机箱面板上配有电源接口用于给各部件供电。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本发明的实例将激光源部件和数据采集及处理部件封装在一个壳体内，如图1所示，通过面板控制来实现各部件参数设置及测量过程。首先按照图1的连接方式将各部件与传感器、探头连接起来，打开激光源1和数据采集及处理部件2，设置光功率1mw、光波长1550nm、线宽3khz，保持不变，数据采集及处理部件实时采集并显示采集数据；再打开信号发射部件，设置信号频率1khz，逐步从零调大信号幅度，观察干涉型光纤传感器的干涉光波形满足图3所示，信号幅度为12vpp，得到第一个信号值n1＝1；关闭信号发射部件，打开激光源的载波调制功能，设置载波频率20khz，逐步从零调大载波强度，干涉型光纤传感器的干涉光波形满足图3所示，得到n2＝1；再打开信号发射部件，采集干涉型光纤传感器的干涉光波形，采用微分交叉相乘算法进行相位生成载波解调处理，得到信号波形和第二个信号值k＝3.2；采用公式
尽管本发明优选的实施例已在上面详细讨论，可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案实例及发明构思加以等同替换或明显修改和变化而不背离本发明的精神和基本特征，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。