一种基于单边带调频的光纤干涉仪传感器扰动信号解调装置的制作方法

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于单边带调频的光纤干涉仪传感器扰动信号解调装置。

背景技术：

光纤水听器被广泛运用于地震预测、石油勘探、安全检测等，正因为它的高灵敏度、大的动态范围和免于电磁干扰。通常来说，光纤干涉仪传感器不等臂系统可以分为迈克尔逊和马赫增德尔结构，对其信号臂上的扰动信号进行解调使用的是相位生成载波(pgc)技术。传统的内调制pgc技术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；该技术简化了系统结构，然而相对应的会引入频率啁啾和附加的光源调制，并且在整个系统中提高了相对强度噪声。另外，传统的信号解调方案有主动零差法、被动零差法和外差法，在这些方案中由于电混频器的引入在模拟解调结构会带来低的转换效率、额外的电噪声和温度变化引起的相位偏移，因此一些不需要电混频的数字正交解调方案被提出，其消除了由于数字域结构不对称而造成的光学相位不平衡带来的随机变化。

公开号为cn102353393a的中国专利提出了一种基于π/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置，其中激光器输出光经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生成干涉光，再经过光电探测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。该装置结构简单，但在光纤干涉仪“湿端”的参考臂上由于存在参考源部分，没有实现“湿端”全光纤化，难以实现构建大型水听器阵列。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种基于单边带调频的光纤干涉仪传感器扰动信号解调装置，该装置将调频信号通过调制器调制到光信号上，并经过滤波放大得到单边带调频信号，在“湿端”实现了全光纤化，并通过在一个调频周期采样12个数据点，利用其正交性得到两路正交信号，从而解调出扰动信号信息，方法简便，具有较大的测量动态范围。

一种基于单边带调频的光纤干涉仪传感器扰动信号解调装置，包括激光器、调频源、调制器、光滤波器、光放大器、光隔离器、迈克尔逊干涉仪、pzt(锆钛酸铅压电陶瓷)、光电探测器以及数据采样卡；其中：

所述激光器用于发射连续的窄线宽光信号输入至调制器；

所述调频源用于产生调频频率为f调频指数为β的调频波输入至调制器；

所述调制器用于将调频波的强度调制到窄线宽光信号上，得到光载调频信号c1；

所述光滤波器用于对光载调频信号c1进行带通边带滤波，滤除其一侧的光边带得到单边带调频载波信号c2；

所述光放大器用于对单边带调频载波信号c2进行光功率放大，放大后的单边带调频载波信号c2经过光隔离器输入至迈克尔逊干涉仪中；

所述迈克尔逊干涉仪包括光耦合器、信号臂、参考臂以及法拉第旋转镜m1和m2，光耦合器用于将输入迈克尔逊干涉仪的光信号一分为二：一路为参考光信号，使其通过参考臂传输至法拉第旋转镜m1；另一路为调制光信号，使其通过信号臂传输至法拉第旋转镜m2；两路光信号分别经法拉第旋转镜m1和m2反射回光耦合器并干涉输出单边带调频载波信号c3；

所述pzt内嵌入至迈克尔逊干涉仪的信号臂上，用于在信号臂上对调制光信号叠加扰动信号；

所述光电探测器用于将单边带调频载波信号c3转换成电信号i输入至数据采集卡；

所述数据采样卡用于对电信号i进行采样得到对应的数字信号d，进而利用内部集成的数字信号处理单元进行12点正交解调，得到所述的扰动信号。

进一步地，所述激光器采用窄线宽dfb(distributedfeedbacklaser)光源，所述调制器采用马赫曾德尔调制器。

进一步地，所述调频源采用安捷伦模拟信号源，内部集成了调频模块，调频频率设置为f，调频指数设置为β。

进一步地，所述光滤波器采用带通滤波器进行边带滤波，所述光放大器采用edfa(掺铒光纤放大器)补偿光路损耗。

进一步地，所述迈克尔逊干涉仪包含两路不等长的光臂(即信号臂和参考臂)，其臂长差与调频频率f和调频指数β相关；所述pzt由一段光纤紧紧缠绕在压电陶瓷圆柱体上作为传感体。

进一步地，所述数据采样卡采用24位的ni采集卡，内部集成了数字信号处理单元，采样率设为调频频率f的12倍即12f，以满足12点正交解调算法。

进一步地，所述数字信号处理单元包括奇模块、偶模块、除法模块以及反正切模块，数据采样卡利用光电探测器输出电信号i的奇偶正交性通过采样筛选出对应的采样数据点分别配对输入到奇模块和偶模块中，奇模块和偶模块的输出结果至除法模块中进行除法运算，再将运算得到的结果输入至反正切模块，从而解调得到所述的扰动信号。

进一步地，所述光电探测器输出的电信号i通过同步操作确定第一个采样点p0的位置，在每一个调频周期1/f内，电信号i被采样12个数据点(p0,...,p11)；所述电信号i被扩展为直流项a与偶信号i1和奇信号i2的叠加，所述偶信号i1和奇信号i2的最大值和最小值则通过其内部时间变量按1/12f间隔取值得到；在偶信号i1中每时间间隔为1/2f对应的值相同，在奇信号i2中每时间间隔为1/2f对应的值相反；偶信号i1的峰峰值则通过对电信号i相加两组时间间隔为1/2f的数据点(p0，p6)和(p3，p9)来获取得到，使p0+p6的和值与p3+p9的和值相减即可抵消电信号i中直流项a的影响；奇信号i2的峰峰值则通过对电信号i相减两组时间间隔为1/2f的数据点(p1，p7)和(p5，p11)来获取得到，使p7-p1的差值与p11-p5的差值相加即可抵消电信号i中直流项a的影响；偶信号i1的峰峰值与奇信号i2的峰峰值相互正交。

本发明装置引入了微波调频源，利用扫频的方法，避免了传统内调制pgc方法对直调激光源的高要求，降低了相对强度噪声；且本发明采用12点正交解调算法，避免了电混频器使用带来额外的电噪声，测量动态范围大且能完全自动测量，简化了解调算法，降低了成本；同时本发明系统对于任意分布的阵列传感器均能有效检测，使系统的适用性更强。

附图说明

图1为本发明扰动信号解调装置的结构示意图。

图2为本发明在一个调频周期采样12个数据点的示意图。

图3为本发明12点采样正交解调算法的实现原理示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明基于单边带调频的光纤干涉仪传感器扰动信号解调装置包括：激光器1、调频源2、调制器3、光滤波器4、光放大器5、光隔离器6、迈克尔逊干涉仪7、pzt8、光电探测器9以及数据采集卡10；其中：激光器1发射连续窄线宽光，调频源2发射一调频波至调制器3得到光载调频信号c1，直流偏置控制调制器3的工作状态，光滤波器4用于对光载调频信号c1进行带通滤波，滤除其一侧的光边带得到单边带调频载波信号c2，光放大器5用于对单边带调频载波信号c2进行光功率放大，并经过光隔离器6输入进迈克尔逊干涉仪7，迈克尔逊干涉仪7由2×2光耦合器、信号臂、参考臂、法拉第旋转镜组成，pzt8内嵌入迈克尔逊干涉仪7中的光信号臂用于产生扰动信号，并经法拉第旋转镜反射回光耦合器干涉输出单边带调频载波信号c3，光电探测器9接收通过光耦合器干涉后的单边带调频载波信号c3，并将其转换成电信号e1，输入至数据采集卡10，数据采集卡10用于对电信号e1进行采样，得到数字信号d1，进行下一步的12点正交解调运算，得到所需解调的扰动信号。

本实施方式的工作原理如下：

假设调频源输出的调频波为φc(t)：

φc(t)＝cos[ωct+βcos(ωfmt)]

其中：ωc为未调制射频信号的中心角频率，β为调频指数，ωfm为频率调制角频率。

假设马赫增德尔调制器工作在正交点，通过可编程带通滤波器得到一单边带信号，并且由于小信号调制下忽视高阶分量，经过迈克尔逊干涉仪的信号臂(es)和参考臂(er)分别表示为：

其中：m为马赫增德尔调制器调制系数，ls和lr分别为信号臂与参考臂的光波传输比，i0为激光源光强，ω0为激光源发射角频率,jn是n阶贝塞尔函数，p(t)为信号臂上的外部扰动信号，τ为干涉仪两臂间的传输时延。

则从迈克尔逊干涉仪输出的干涉信号i通过pd后的光电流表示为：

其中：r为pd的响应度，则信号i被简写为：

i∝a+bcos[msin(ωfmt+φ0)+p(t)]

其中，a和b为常数项且与光强有关，φ0为起始相位偏移，m为载波信号调制深度：

m＝βωfmτ

干涉信号i可以被扩展为直流项a与奇函数i1和偶函数i2的叠加：

i＝a+be(t)cos[p(t)]-bo(t)sin[p(t)]＝a+i1+i2

i1＝be(t)cos[p(t)]i2＝-bo(t)sin[p(t)]

其中，e(t)是一个偶函数,o(t)是一个奇函数：

e(t)＝cos[msin(ωfmt+φ0)]

o(t)＝sin[msin(ωfmt+φ0)]

假设调制深度m＝π,我们发现函数e(t)和o(t)通过变量ωfmt+φ0的变化有独特的特征，即e(t)和o(t)其中之一将达到它的最大点和最小点当变量ωfmt+φ0分别等于0、π/6、3π/6、5π/6、π、7π/6、9π/6和11π/6时。因此如果我们在2πrad周期内每隔π/6rad采集一个数据点并且将数据采样同步到其中一个峰值,这样我们就可以很容易获得e(t)和o(t)的极值点。

图2展示了i、i1、i2的波形，并在一个调频周期每隔π/6rad采集一个数据点。从这我们可以得出：i1(t)＝i1(t+6)，i2(t)＝-i2(t+6),因此信号i1的峰峰值可以被测量通过对信号i每隔πrad相加两个数据点如p6和p0来实现，信号i2的峰峰值可以被测量通过对信号i隔πrad相减两个数据点如p7和p1来实现，并且通过调整射频源调频信号输出的相位，监测采样干涉信号的峰值远离信号i的最大点π/12rad时，即可以实现数据采样的同步。

图3展示了12点采样正交解调算法，在数据采集的条件下，本发明提出一种每调频周期采样12个数据点的外扰动信号正交解调方法，取其中的8个点经过配对处理得到如下式：

os＝(p7-p1)+(p11-p5)＝4bsin[p(t)]

es＝(p0+p6)-(p3+p9)＝4bcos[p(t)]

可以看出，差值对p7-p1和p11-p5分别抵消了干涉信号i中直流项a的影响，和值对p0+p6和p3+p9相减也抵消了干涉信号i中直流项a的影响。

外部扰动信号可以被解调通过对两路正交信号进行反正切运算：

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。