一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置及解调方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置及解调方法。其特征在于：激光器发出的光经过相位调制器进行台阶波相位调制后，经强度调制器产生一个光脉冲对，输入采用非平衡结构的干涉型光纤传感器内形成干涉，干涉光信号经光电转换器进行光电检测和模数转换，输入数字信号处理机中，然后依次通过其中的数据预处理模块、正交信号提取模块、正交信号解调模块，完成信号解调算法，获得被测相位信息，最后通过数据输出模块输出。本发明的优点在于：在每个采样点均可获得一个有效的相位信号输出，解调动态范围直接由采样率决定，在相同采样率下解调动态范围将大幅提高，适用于大动态干涉型光纤传感器的应用。
【专利说明】一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置及解调方法【技术领域】
[0001]本发明涉及干涉型光纤传感器的信号解调领域，主要是一种适用于干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置及解调方法。
【背景技术】
[0002]光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种新型传感技术。与传统传感技术不同，它以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测信号。由于光纤柔软、纤细、重量轻、体积小、频带宽、具有良好的传光特性和电绝缘性，而且光纤本身就可作为一个敏感元件，因此光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰，耐高压，耐腐蚀，体积小，重量轻，传输距离远，易阵列复用，构成大规模阵列等特点，在国防军事、航空航天、工农矿业、能源环保、建筑结构、生物医学等各个领域具有广阔的应用。
[0003]在各种类型的光纤传感器中，干涉型光纤传感器通过高灵敏度的光纤相干检测技术，将被测信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统从而提取信息，具有灵敏度高、便于复用等诸多优异的特性。由于被测信号是以相位信息形式加载在干涉型光纤传感器输出信号中，并且由于干涉型光纤传感器中存在着随机相位衰落现象，必须对其进行信号调制解调才能实现稳定的信号检测，因此信号解调方法成为了干涉型光纤传感器应用中的关键技术。
[0004]随着干涉型光纤传感器在海洋物理信息获取、水下目标探测、油气勘探、地震波监测等领域的应用越来越广泛深入，实现大动态范围信号检测和大规模阵列化已成为其发展的重要方向。例如，在油气探测、地层勘探领域，可以采用干涉型光纤地震检波器进行地层信息的探测，为了获得丰富的地层反射信息，要采用幅度大、频带宽的声发射源，需要光纤地震检波器具有较强的宽频大信号解调能力；在水下目标探测领域，为了满足主被动探测的应用要求，也需要保证传感器具有大的动态范围。
[0005]目前，干涉型光纤传感器主要的信号解调方案有相位载波(PhaseGeneratedCarrier，简称PGC)、外差解调、3 X 3耦合器多相检测等。
[0006] PGC方法中动态范围受调制频率限制，并且采样频率要求至少为调制频率的8倍；而外差解调方法中动态范围受外差频率限制，并且采样频率要求至少为外差频率的4倍。因此，在PGC方法和外差解调方法中，提高动态范围需要提高调制频率或外差频率，从而使得对采样频率的要求将成倍增加，系统的技术难度和成本也大大增加。
[0007]3X3耦合器多相检测法动态范围大，每个传感器都要加入3X3耦合器，光路结构复杂，且每个传感器有三路输出信号，需要三路光学采样通道，也增加了系统的硬件复杂性和成本，不适用于大规模复用的干涉型光纤传感系统。
[0008]针对越来越明确和紧迫的应用需求，迫切需要发展一种适用于干涉型光纤传感器的大动态信号解调方法，在不增加系统复杂性和成本条件下，扩展动态范围，推动干涉型光纤传感器向大动态范围、大规模复用阵列方向发展。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是克服现有技术中的缺点和不足，提供一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置和解调方法，为大规模干涉型光纤传感系统的大动态信号检测应用提供一种有效的信号解调方案。
[0010]本发明所采用的技术方案是:一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置，由激光器1、相位调制器2、强度调制器3、驱动信号源4、干涉型光纤传感器5、光电转换器6、数字信号处理机7组成；激光器I发出的光经过光纤传输入相位调制器2的输入端口，在相位调制器2中进行台阶波相位调制后形成光信号，从相位调制器2的输出端口输出；相位调制器2的输出端口通过光纤连接强度调制器3的输入端口，光信号从强度调制器3的输入端口输入，在强度调制器3内经脉冲强度调制后产生光脉冲对，从强度调制器3的输出端口输出；驱动信号源4两个输出端口分别连接相位调制器2和强度调制器3的驱动信号输入端口，提供相位调制器2和强度调制器3的驱动电信号；强度调制器3的输出端口通过光纤与干涉型光纤传感器5的输入端口连接，所述干涉型光纤传感器5采用非平衡结构，光脉冲对从干涉型光纤传感器5的输入端口输入，在干涉型光纤传感器5内形成干涉，产生的干涉光信号从干涉型光纤传感器5的输出端口输出；干涉型光纤传感器5的输出端口通过光纤与光电转换器6的输入端口连接，干涉光信号从光电转换器6的输入端口输入，在光电转换器6内进行光电转换后完成数字采样，形成采样数字信号，从光电转换器6的输出端口输出；光电转换器6输出端口通过电缆连接数字信号处理机7的输入端口，采样数字信号从数字信号处理机7的输入端口输入，依次通过数据预处理模块71、正交信号提取模块72、正交信号解调模块73完成解调算法后，获得被测相位信息，最后通过数据输出模块74输出。
[0011]进一步地，所述的激光器I为窄线宽激光器，如光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
[0012]进一步地，所述的相位调制器2为高速波导电光相位调制器，用于实现对激光器I输出光信号的台阶波相位调制。
[0013]进一步地，所述的强度调制器3为声光调制器、电光开光或电光强度调制器，用于实现相位调制器2输出光信号的脉冲强度调制，产生光脉冲对。
[0014]进一步地，所述的驱动信号源4为双通道信号发生器，用于提供相位调制器2和强度调制器3的驱动电信号，双通道的驱动电信号之间可实现时间同步控制。
[0015]进一步地，所述的干涉型光纤传感器5为非平衡结构的反射式迈克尔逊光纤干涉仪或透射式马赫-曾德光纤干涉仪。
[0016]进一步地，所述的光电转换器6为光电信号转换装置，包括光电探测器、前置放大器和模数转换器，将干涉型光纤传感器5输出的光脉冲信号转换为电信号，并将电信号进行数字采样，获得采样数字信号。
[0017]进一步地，所述的数字信号处理机7为数字信号处理装置，如FPGA、DSP或计算机，包括数据预处理模块71、正交信号提取模块72、正交信号解调模块73和数据输出模块74，用于完成大动态信号解调算法。
[0018]本发明还提供一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调方法，该方法包括如下步骤:
[0019]第一步:激光器I输出光信号经相位调制器2和强度调制器3，产生光脉冲对。[0020]激光器I输出光信号输入相位调制器2,驱动信号源4的一路输出通道输出台阶波电信号，驱动相位调制器2，对激光器I输出光信号进行台阶波相位调制，相位调制幅度依次按 0，- Ji/2，0，0，0，Ji/2，0，Ji 周期取值。
[0021]经过相位调制后的光信号输入强度调制器3，驱动信号源4的另一路输出通道输出脉冲电信号，驱动强度调制器3。驱动信号源4的两路输出电信号之间实现时间同步控制，获得一个光脉冲对，光脉冲对中两个光脉冲之间的时间差为Tp，相位差在-Ji /2、O、π/2、π这4个值中周期性取值。
[0022]第二步:光脉冲对输入干涉型光纤传感器5，输出的干涉光信号经光电转换器6后产生米样数字信号。
[0023]光脉冲对输入干涉型光纤传感器5中，干涉型光纤传感器采用非平衡结构，其两个光纤臂存在一定的臂差L，两臂输出光信号之间产生延时，延时时间τ与臂差L相关。设计干涉型光纤传感器的臂差L，使得延时时间τ等于输入光脉冲对中两个光脉冲之间的时间差Τρ，即τ = Τρ，则干涉型光纤传感器5的短臂返回的第二个光脉冲将和由长臂返回的第一个光脉冲重叠，从而产生干涉。干涉光信号在光电转换器6中进行光电转换和模数转换，得到采样数字信号Dn，η为采样点数。[0024]第三步:采样数字信号预处理。
[0025]光电转换器6输出的米样数字信号输入数字信号处理机7中的数据预处理模块71，进行采样数字信号预处理。将第η个采样信号Dn与其相邻的前后两个采样信号Dn^Dlri作(I)式所示运算:
[0026]Pn = 2Dn-, Qn = Dlrt-Dlri, (I)
[0027]则在第η个采样点处，获得两个参量Pn和Qn。
[0028]第四步:正交相位信号提取。
[0029]数据预处理模块71输出的两个参量Pn和Qn输入正交信号提取模块72，进行正交相位信号提取。对于第η个采样信号，区分奇数和偶数采样点，分别做如下处理:
[0030]对n = 2k+1 的奇数采样点:Sn = Pn, Cn = Qn (2)
[0031]对n = 2k 的偶数采样点:Sn = -Qn, Cn = Pn (3)
[0032]获得第η个采样点的正交相位信息Sn和Cn。
[0033]第五步:正交相位信号解调，获得被测相位信息，并进行数据输出。
[0034]正交信号提取模块72输出的两个参量Sn和Cn输入正交信号解调模块73，进行正交相位信号解调，即可得到被测的干涉型光纤传感器的相位信息，最后由数据输出模块74输出。正交解调算法可采用微分交叉相乘算法或反正切解调算法(张楠，基于外差检测的干涉型光纤水听器阵列系统若干关键技术研究，国防科学技术大学博士学位论文，2013.5)。
[0035]本发明取得的有益效果为:
[0036](I)本发明的解调方法可以在每个采样点获得一个有效的相位信号输出，这时解调的动态范围直接由采样率决定，解调动态范围大大提高。由于动态范围大大提高，在相同动态范围要求下，可使得采样频率大大降低，从而将大大减低对光电转换器和数字信号处理机的信号带宽和处理速率的要求，降低系统硬件复杂性和成本。
[0037](2)本发明结合了 PGC与3X3耦合器多相检测法的优点，采用的光电转换器和数字信号处理机与PGC和外差解调方法中的相近，每个传感器仅需一个信号采样处理通道，而却可以获得与3X3耦合器多相检测法相同的动态范围。
[0038](3)本发明可以在没有增加采样频率和成本的前提下提高解调动态范围，结合时分复用和波分复用等复用技术的采用，适用于大动态大规模干涉型光纤传感阵列的应用需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1是本发明的干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置结构示意图；
[0040]图中:1.激光器，2.相位调制器，3.强度调制器，4.干涉型光纤传感器，5.驱动信号源，6.光电转换器，7.数字信号处理机
[0041]图2是本发明的干涉型光纤传感器的大动态信号解调方法的实施流程图；
[0042]图3是相位调制器的台阶波相位调制信号、强度调制器的脉冲调制信号和光脉冲对及其调制相位的变化时序图；
[0043]图4是干涉型光纤传感器的参考臂输出光信号、信号臂输出光信号和干涉光信号的相位变化时序图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0045]本发明的干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置示意图如图1所示，激光器I发出的光经过相位调制器2进行台阶波相位调制后，经强度调制器3产生一个光脉冲对，输入采用非平衡结构的干涉型光纤传感器5中，光脉冲对在干涉型光纤传感器5内形成干涉，干涉光信号经光电转换器6进行光电检测和模数转换，输入数字信号处理机7中，然后依次通过输入数字信号处理机7中的数据预处理模块71、正交信号提取模块72、正交信号解调模块73，完成信号解调算法，获得被测相位信息，最后通过数据输出模块73输出。
[0046]本发明的干涉型光纤传感器的大动态信号解调方法的实施流程图如图2所示，具体包括下述步骤:
[0047]第一步:激光器I输出光信号经相位调制器2和强度调制器3，产生光脉冲对。
[0048]激光器I输出光信号输入相位调制器2。相位调制器2采用高速波导电光相位调制器，对光信号进行台阶波相位调制，调制幅度依次按0，-π/2，0，0，0，π /2, O, π周期取值，台阶波相位调制波形如图3(a)所示。经过相位调制后的光信号输入强度调制器3，进行脉冲强度调制。
[0049]相位调制器2和强度调制器3的驱动电信号均由驱动信号源4提供。驱动信号源4为双通道信号发生器，其一路输出台阶波电信号驱动相位调制器2，另一路输出脉冲电信号驱动强度调制器3。驱动信号源4的两路输出电信号之间实现时间同步控制，其控制时序图如图3(a) (b)所示，从而在强度调制器3输出端获得一个光脉冲对。
[0050]光脉冲对中两个光脉冲之间的时间差为Tp，前一光脉冲和后一光脉冲之间的相位差在-Ji/2、0、Ji/2、Ji这4个值中周期性取值，光脉冲对及其调制相位的变化时序如图3(c)所示。
[0051]第二步:光脉冲对输入干涉型光纤传感器5,输出的干涉光信号经光电转换和模数转换后产生采样数字信号。
[0052]光脉冲对输入干涉型光纤传感器5中，干涉型光纤传感器采用非平衡结构，例如反射式迈克尔逊干涉仪或透射式马赫-曾德干涉仪，图1中所示的是采用反射式迈克尔逊干涉仪的一个实例。
[0053]干涉型光纤传感器5中有两个光纤臂，长臂为信号臂，短臂为参考臂，两臂存在一定的臂差L，导致分别由两个臂输出的光信号之间存在一定的延时。延时时间τ与臂差L相关，可以表示为:
【权利要求】
1.一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置，由激光器(I)、相位调制器(2)、强度调制器(3)、驱动信号源(4)、干涉型光纤传感器(5)、光电转换器(6)、数字信号处理机(7)组成；激光器⑴发出的光经过光纤传输入相位调制器(2)的输入端口，在相位调制器(2)中进行台阶波相位调制后形成光信号，从相位调制器(2)的输出端口输出；相位调制器(2)的输出端口通过光纤连接强度调制器(3)的输入端口，光信号从强度调制器(3)的输入端口输入，在强度调制器(3)内经脉冲强度调制后产生光脉冲对，从强度调制器(3)的输出端口输出；驱动信号源⑷两个输出端口分别连接相位调制器⑵和强度调制器⑶的驱动信号输入端口，提供相位调制器(2)和强度调制器(3)的驱动电信号；强度调制器(3)的输出端口通过光纤与干涉型光纤传感器(5)的输入端口连接，光脉冲对从干涉型光纤传感器(5)的输入端口输入，在干涉型光纤传感器(5)内形成干涉，产生的干涉光信号从干涉型光纤传感器(5)的输出端口输出；干涉型光纤传感器(5)的输出端口通过光纤与光电转换器(6)的输入端口连接，干涉光信号从光电转换器(6)的输入端口输入,在光电转换器(6)内进行光电转换后完成数字采样，形成采样数字信号，从光电转换器(6)的输出端口输出；光电转换器(6)输出端口通过电缆连接数字信号处理机(7)的输入端口，采样数字信号从数字信号处理机(7)的输入端口输入，依次通过数据预处理模块(71)、正交信号提取模块(72)、正交信号解调模块(73)完成解调算法后，获得被测相位信息，最后通过数据输出模块(74)输出，其特征在于:所述干涉型光纤传感器(5)采用非平衡结构，其两个光纤臂存在一定的臂差L，两臂输出光信号之间产生延时，设计干涉型光纤传感器的臂差L，使得延时时间τ等于输入光脉冲对中两个光脉冲之间的时间差Tp，即τ =Τρ。
2.一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置，其特征在于:所述的激光器(I)为窄线宽激光器，如光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
3.一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置，其特征在于:所述的相位调制器(2)为高速波导电光相位调制器，用于实现对激光器(I)输出光信号的台阶波相位调制。
4.一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置，其特征在于:所述的强度调制器(3)为声光调制器、电光开光或电光强度调制器，用于实现相位调制器(2)输出光信号的脉冲强度调制，产生光脉冲对。
5.一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置，其特征在于:所述的驱动信号源(4)为双通道信号发生器，用于提供相位调制器(2)和强度调制器(3)的驱动电信号，双通道的驱动电信号之间可实现时间同步控制。
6.一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置，其特征在于:所述的干涉型光纤传感器(5)为反射式迈克尔逊光纤干涉仪或透射式马赫-曾德光纤干涉仪。
7.一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置，其特征在于:所述的光电转换器(6)为光电信号转换装置，包括光电探测器、前置放大器和模数转换器，将干涉型光纤传感器(5)输出的光脉冲信号转换为电信号，并将电信号进行数字采样，获得采样数字信号。
8.一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置，其特征在于:所述的数字信号处理机(7)为数字信号处理装置，如FPGA、DSP或计算机，包括数据预处理模块(71)、正交信号提取模块(72)、正交信号解调模块(73)和数据输出模块(74)，用于完成大动态信号解调算法。
9.一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调方法，该方法包括如下步骤:第一步: 激光器(1)输出光信号经相位调制器(2)和强度调制器(3)，产生光脉冲对:激光器(I)输出光信号输入相位调制器(2)，驱动信号源(4)的一路输出通道输出台阶波电信号，驱动相位调制器(2)，对激光器(I)输出光信号进行台阶波相位调制，相位调制幅度依次按O，- Ji /2，O, O, O, Ji /2，O, Ji周期取值； 经过相位调制后的光信号输入强度调制器(3)，驱动信号源(4)的另一路输出通道输出脉冲电信号，驱动强度调制器(3)，驱动信号源(4)的两路输出电信号之间实现时间同步控制，获得一个光脉冲对，光脉冲对中两个光脉冲之间的时间差为Tp，相位差在-Ji /2、O、31/2、31这4个值中周期性取值； 第二步:光脉冲对输入干涉型光纤传感器(5),输出的干涉光信号经光电转换器(6)后产生米样数字信号: 光脉冲对输入干涉型光纤传感器(5)中，干涉型光纤传感器采用非平衡结构，其两个光纤臂存在一定的臂差L，两臂输出光信号之间产生延时，延时时间τ与臂差L相关，设计干涉型光纤传感器的臂差L，使得延时时间τ等于输入光脉冲对中两个光脉冲之间的时间差Tp，即τ =Τρ，则干涉型光纤传感器(5)的短臂返回的第二个光脉冲将和由长臂返回的第一个光脉冲重叠，从而产生干涉，干涉光信号在光电转换器出)中进行光电转换和模数转换，得到采样数字信号Dn，η为采样点数； 第三步:采样数字信号预处理: 光电转换器(6)输出的采样数字信号输入数字信号处理机(7)中的数据预处理模块(71)，进行采样数字信号预处理，将第η个采样信号Dn与其相邻的前后两个采样信号Dy、Dn+1作下式所示运算:
Pn = SDn-(Dn-JDlrt), Qn = Dn+fDn—i, 则在第η个采样点处，获得两个参量Pn和Qn ； 第四步:正交相位信号提取: 数据预处理模块(71)输出的两个参量P1^P Qn输入正交信号提取模块(72)，进行正交相位信号提取，对于第η个采样信号，区分奇数和偶数采样点，分别做如下处理: 对n = 2k+l的奇数采样点:Sn = Pn, Cn = Qn 对n = 2k的偶数采样点:Sn = -Qn, Cn = Pn 获得第η个米样点的正交相位信息Sn和Cn ； 第五步:正交相位信号解调，获得被测相位信息，并进行数据输出: 正交信号提取模块(72)输出的两个参量Sn和Cn输入正交信号解调模块(73)，进行正交相位信号解调，即可得到被测的干涉型光纤传感器的相位信息，最后由数据输出模块(74)输出。
10.一种如权利要求9所示的干涉型光纤传感器的大动态信号解调方法，其特征在于:所述第五步中的正交解调算法可采用微分交叉相乘算法或反正切解调算法。
【文档编号】G01D5/353GK103954310SQ201410218701
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】姚琼, 熊水东, 曹春燕, 梁迅, 罗洪, 杨华勇, 孟洲 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学