一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法
【专利摘要】本发明涉及一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，属于光纤传感技术领域。该方法对干涉信号之间的相位差没有特定的要求，解调仪制作完成后，可用于不同光程差的干涉仪，且通过原始信号之间的相互运算去掉直流量的影响，彻底解决了光纤激光干涉型传感器测量动态信号所遇到的两个问题。即，将三束不同波长的光入射到光纤干涉型传感器，获得三路带有相位差的信号，达到移相的目的；再对三路信号进行处理，消除信号中直流分量a的影响，并获取所求信号的正切值，此后，经反正切运算及相位解包裹，最终获得所测信号。本发明能对任意光程差的干涉型光纤传感器进行解调，且属于被动解调法，其解调频率高，仅受电信号处理速度的限制。
【专利说明】
一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，属于光纤传感技术领域。
【背景技术】
[0002] 激光干涉解调技术可对Michel son、Mach_Zehnder、Fabry-Perot及外腔式 Fabry-Perot(EFPI)等干涉仪进行解调。用来解调这些干涉仪动态信号常用的解调方案有相位载 波(PGC)法、基于3X3光纤耦合器的零差解调法、正交工作点直接测量法、无源零差正交解 调法等。
[0003] 目前所知对光纤激光干涉型传感器测量动态信号(振动、声等)进行解调的比较好 的方案是无源零差正交解调方案，它不受线性区间范围限制，不包含有源器件，测量频率 高，适用范围广，通用性好，灵敏度高。以EFPI传感器为例，这一方法包括双F-P腔正交测量 法[K.A.Murphy et al，Quadrature phase-shifted,extrinsic Fabry-Perotoptical fiber sensors，0ptics Letters, 1991,16(4):273-275]及双波长正交测量法 [O.B.Wright,Stabilized dual-wavelength fiber-optic interferometer for vibration measurement，Optics Letter ,1991，16(1): 56-58]，在获得两个正交的信号后， 利用DCM(differential cross multipier)算法或反正切算法最终获得所测信号。不过，利 用双F-P腔来获取两路正交信号的方法在实践中制作传感器上有较大困难，而双波长正交 测量法则更容易实现，因而双波长正交测量得到了广泛的应用。
[0004]经过多年的发展，无源零差正交解调法日臻成熟，但由于其对两个信号的正交的 依赖，其使用一直受到两方面的限制：
[0005] (1)对于EFPI传感器而言，为了获取两路正交信号，无论是用双F-P腔来获取正交 信号，还是双波长单F-P腔来获取正交信号，都要求腔长与输入激光的波长严格匹配，以保 证两路干涉信号正交。因此，一旦解调仪制造完成，EFPI传感器的通用性及制作都有较大的 困难。对于其他类型的光纤激光干涉型传感器而言，严格控制其光程差(oro)也是困难的。 [0006] (2)无论是DCM算法或反正切算法，都需要在解调过程的一开始就设法去掉原始信 号中的直流量。经常采用的方法有两种，其一就是用高通滤波器来去除直流量 [O.B.Wright,Stabilized dual-wavelength fiber-optic interferometer for vibration measurement，Optics Letter，1991，16( 1)，56-58]，但这种方法只有在振幅较 大的情况下才适用，一旦相位调制幅度小于231，该方法将无法正确解调；另外一种方法就是 在使用解调仪之前测得直流量，然后做为预置参数输入到解调程序中，这种方法显然在实 际使用中有诸多不便，每换一次传感器都需要重新校准，且有些情况下无法获得准确的直 流量。
[0007]在2010年，我们提出了一种无源零差正交解调的相位补偿方法[江毅，郭桂荣.一 种无源零差正交解调技术的相位补偿方法：中国专利，CN101713685A. 2010-05-26]，对原始 的两路干涉信号进行处理和计算，然后补偿两路干涉信号偏离90°的相位差，虽然部分克服 了上述第一个传感器的制作及通用性受限的问题，但其在相位调制幅度小于2π时失效，仍 然没有彻底解决上述两个问题。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是为了解决现有正交解调法的缺陷，提供一种光纤激光干涉型传感 器的移相解调法。该方法对干涉信号之间的相位差没有特定的要求，解调仪制作完成后，可 用于不同光程差的干涉仪，且通过原始信号之间的相互运算去掉直流量的影响，彻底解决 了光纤激光干涉型传感器测量动态信号所遇到的上述两个问题。
[0009] 为达到上述目标，本发明的具体实现方案如下。
[0010] -种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，具体步骤如下：
[0011] 步骤一、在使用光纤干涉型传感器对动态信号进行测量时，将三束不同波长的激 光通过波分复用器(WDM)或3X3耦合器合束后入射到光纤干涉型传感器中，干涉型传感器 反射光通过一个2 X 2耦合器返回，再通过WDM分解为三路带有相位差的信号。三路带有相位 差的信号经过光电转换成为三路电信号，三路电信号表不为：/l = ? + hc〇S(妒+ 4)、 =?+/?cos(p + i\)、./; =? + /?cos〇 + 4)，其中a为直流分量，b为干涉条纹的对比 度，为所测动态信号，心、&、如分别为信号fhfhfs与信号fi之间的相位差，其大小与激光 器的波长λι、λ2、λ3及干涉型传感器的光程差0PD有关，表不为：
。由此，达到了移相的目的。
[0012] 步骤二、对步骤一中的三路信号进行处理，消除信号中直流分量a的影响，并获取 所求信号的正切值：
[0014]
，式中，B = cos3i_cos53、 C = sin3i-sin33、D = 2cos32-cos3i-cos33、E = 2sin32-sin3i-sin53,在相位差 δι、δ2 和δ3-定 时，Β、C、D、Ε都为已知常量。对ρ进行反正切运算，反正切运算得到的值在(-V2，V2)范 围内，因此需对反正切后的结果进行相位解包裹，才能得到完整的信号
[0015] 步骤二所述得到信号P的方法为:对ta叫的分子(B-AD)和分母(C- AE)进行DCM解调 亦可得到正确的信号，。
[0016] 有益效果
[0017] 本发明的一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，成功避免了原始信号中的直 流分量对测量的干扰以及原始信号不正交带来的解调误差。经实验证明，本发明测量精度 高、方法简洁，适用范围广，对干涉仪的光程差oro无具体要求，且无论信号的相位调制幅度 的大小，都可以正确解调信号，实用性强。
【附图说明】
[0018] 图1为测量系统结构框图
[0019] 图2为应用本方法解调腔长为622μπι的EFPI传感器加载10Hz正弦波的情况(采样频 率为lOOKHz) :a图为二路原始彳目号，实线、粗虚线、细虚线分别为彳目号fi、f2、f3，横坐标为米 样点数，纵坐标单位为伏;b图、c图和d图分别为信号f#Pf 2、信号f#Pf3以及信号f#Pf3之间 的李萨茹图；e图为解调后的信号（峰峰值1005.3nm)，横坐标为采样点数，纵坐标单位为纳 米;f图为解调后信号的频谱图，峰值为10Hz。
[0020] 图3为应用本方法解调腔长为350μπι的EFPI传感器加载1000Hz正弦波的情况(采样 频率为100ΚΗz)，此时彳目号的相位调制幅度不足2π:a图为二路原始彳目号，实线、粗虚线、细虚 线分别为信号&4 2、&，横坐标为采样点数，纵坐标单位为伏;13图、(3图和(1图分别为信号心 和f 2、信号f#Pf3以及信号fjPf3之间的李萨茹图；e图为解调后的信号(峰峰值115.6nm)，横 坐标为采样点数，纵坐标单位为纳米;f图为解调后信号的频谱图，峰值为1000Hz。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合说明书附图以及实施例对本发明做进一步的说明。
[0022] 实施例1
[0023] 将10Hz的正弦波加载到腔长为622um的EFPI传感器上，再使用本发明来解调EFPI 传感器的动态信号。
[0024] 步骤一、将三路不同波长的激光通过WDM入射到传感器中，将返回的光通过WDM分 解为三路带有相位差的信号，三路带有相位差的信号经过光电转换成为三路电信号，三路 电信号表不为：,/i ^ a+b cos(^ + Si a+h cos(^ + S2) , f3-a + h cos(^ + ), 其中a为直流分量，b为干涉条纹的对比度，为所测动态信号，分别为信号 与信号fi之间的相位差，其大小与激光器的波长λι、λ2、λ3及干涉型传感器的光程差〇PD有 关，对于EFPI传感器来说，0PD = 2d(d为EFPI腔的腔长），于是有：δ1 = 〇、
[0025]将这三路原始信号采集进入解调仪中进行处理(本实例中采样频率为100ΚΗz)，如 图2(a)所示。图2(b)、（c)、（d)分别为信号匕5 443及&4之间的李萨茹图，可以看出信 号间相位差并不是90度，相位关系随EFPI腔长的变化而变化。
[0026]步骤二、对步骤一中的三路信号进行处理，消除信号中直流分量a的影响，并获取 所求信号的正切值：
[0028] 因为 δι、δ〗、δ3已求得，则有 B = cos3i-cos33、C = sin3i-sin33、D = 2cos32-cos5i-cos 4 = 都为已知常量。进而可知：
，进行恒等变 换后，有：
[0029] 对^皿@进行反正切运算，反正切运算得到的值在(-π/2，π/2)范围内，因此需对反 正切后的结果进行相位解包裹，最终解调出了所测信号Ρ，并对其进行傅里叶变换获得其频 谱图，解调出信号的峰峰值为l〇〇5.3nm，频率为10Hz，图2(e)、（f)即为解调后的信号及其频 谱图。
[0030] 实施例2
[0031] 将1000Hz的正弦波加载到腔长为350um的EFPI传感器上，用实施例1中的同一台解 调仪来解调信号。
[0032] 步骤一、将三路不同波长的激光通过WDM入射到传感器中，将返回的光通过WDM分 解为三路带有相位差的信号，三路带有相位差的信号经过光电转换成为三路电信号，三路 电信号表示为：./; =? + 6c〇S(妒+ 4)、.,2 、/3 =a + Acosi妒+ 4)， 其中a为直流分量，b为干涉条纹的对比度，为所测动态信号，分别为信号 与信号fi之间的相位差，其大小与激光器的波长λι、λ2、λ3及干涉型传感器的光程差0PD有 关，对于EFPI传感器来说，0PD = 2d(d为EFPI腔的腔长），于是有：δ1 = 〇、
[0033]将这三路原始信号采集进入解调仪中进行处理(本实例中采样频率为100ΚΗz)，如 图3(a)所示。图3(b)、（c)、（d)分别为信号匕5 443及&4之间的李萨茹图，可以很明显 看出，此时信号的振幅较小，相位调制幅度不足231。
[0034]步骤二、对步骤一中的三路信号进行处理，消除信号中直流分量a的影响，并获取 所求信号的正切值
[0036] 因为 δι、δ〗、δ3已求得，则有 B = cos3i-cos33、C = sin3i-sin33、D = 2cos32-cos5i-cos 4 = 都为已知常量。于是有：
进行恒等变换 后：
[0037] 对Unp进行反正切运算，反正切运算得到的值在(-ji/2，V2)范围内，因此需对反 正切后的结果进行相位解包裹，最终解调出了所测信号并对其进行傅里叶变换获得其频 谱图，解调出信号的峰峰值为115.6nm，频率为ΙΚΗζ，图3(e)、（f)即为解调后的信号及其频 谱图。可以看出，相位调制幅度不足2π的小振幅信号通过本发明提出的方案仍然能够准确 解调出信号。
[0038]由这两个实例可以看出，本发明涉及的解调方法可适用于任意腔长的EFPI传感 器，可以适应不同振幅的情况，不管相位调制幅度是否达到231。对于其他类型的光纤干涉型 传感器，本发明对其光程差及相位调制幅度是否达到231均无要求，都可以准确解调出所测 动态信号。成功解决了现有光纤激光干涉型传感器测量动态信号的解调方案所遇到的两个 问题，精度高，方法简洁，适用范围广，实用性强。
【主权项】
1. 一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，其特征在于:具体步骤如下： 步骤一、在使用光纤干涉型传感器对动态信号进行测量时，将三束不同波长的激光通 过波分复用器(WDM)或3X3耦合器合束后入射到光纤干涉型传感器中，干涉型传感器反射 光通过一个2 X 2耦合器返回，再通过WDM分解为三路带有相位差的信号;三路带有相位差的 信号经过光电转换成为三路电信号，三路电信号表示为： _ ._ ，其中a为直流 分量，b为干涉条纹的对比度，为所测动态信号，分别为信号与信号h之间 的相位差，其大小与激光器的波长λι、λ2、λ3及干涉型传感器的光程差〇F>D有关，表不为：δχ = 〇由此，达到了移相的目的； 步骤二、对步骤一中的三路信号进行处理，消除信号中直流分量a的影响，并获取所求 信号的正切值：,B - C Vm m β - AD 经恒等变换有，i _= τζ一7Γ. ，由此可得，tan# = ----了;式中，= = D -1 tan φ C - At 8；[1131-8；[1133、0 = 2(3〇832-(3〇831-。〇833、￡ = 28；[1132-8；[1131-8；[1133，在相位差31、52和53 - 定时， B、C、D、E都为已知常量;对Uin供进行反正切运算，反正切运算得到的值在（-jt/2,31/2)范围 内，因此需对反正切后的结果进行相位解包裹，才能得到完整的信号史。2. 如权利要求1所述的一种光纤激光干涉型传感器的移相解调法，其特征在于:步骤二 所述得到信号铲的方法为:对Μ炉的分子(B-AD)和分母(C-AE)进行DCM解调亦可得到正确 的信号供。
【文档编号】G01D5/353GK105865500SQ201610404818
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】江毅, 贾景善, 姜澜, 付雷, 邹正峰
【申请人】北京理工大学