基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法及装置与流程

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法及装置。

背景技术：

随着科学技术的迅猛发展，人类社会已步入高速发展的信息时代。物联网技术、通信技术以及计算机已成为飞速发展的信息技术。在此基础上，物联网中的传感网络越来越受到人们的密切关注。在信息技术的发展过程中，各个行业都离不开传感器，比如工业控制、自动化生产过程、环境监测、石油管道的监测、生物医学、安防监测、桥梁和隧道监测等等都有传感器的踪迹。和传统的电子传感器相比，光纤光栅传感器光纤传感器具有尺寸小，重量轻，成本低廉，抗电磁干扰，灵敏度高，安全可靠，耐腐蚀，可进行分布式测量，易于组网等诸多优点，已经广泛应用于对温度，振动，应力等参量的测量。

美国专利us5903350(demodulatorandmethodusefulformultiplexedopticalsensors)，提出了“五步调制法”，需要在一个调制脉冲内，产生5个相位变化，分别为0，π/2，π，3π/2，2π。这种调制解调方法，需要产生5个台阶状的调制信号，5个相位需要均匀的提高，每个相位台阶宽度相等。该调制解调方法对产生调制信号所用的硬件及方法具有很高要求，由于相位调制的激光脉冲光束宽度较小，在生成5个相同宽度的相位台阶时，其高度不易保持均匀提高且单个相位容易产生抖动。该调制解调方法还需要双脉冲光束，利用一个经过“五步调制法”的脉冲光束和另一个未进过调制的脉冲光束发生干涉，从而提供干涉光强信号。所以在脉冲光束进入光纤光栅组之前需要通过补偿器，以使两个脉冲光束获得相应的时间差，使两个脉冲光束从光纤光栅组返回后可以发生干涉。但由于补偿器的精度问题，两个脉冲光束干涉时可能产生误差，降低最终探测精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法及装置，解决了传统相位检测技术调制难度大、易受干扰、硬件系统要求高、解算速度慢，多区域探测时硬件复杂的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法，方法步骤如下：

步骤1、打开激光光源，并使光纤光栅组感应振动，信号发生器分别与光开关和相位调制器连接，由信号发生器产生脉冲信号作用于光开关，产生连续光脉冲，作用于相位调制器，产生连续相位脉冲调制，激光光源发出的光依次经过隔离器、光开关和相位调制器，形成经相位调制的激光脉冲光束；

步骤2、经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器的第1端口，通过其第2端口进入熔接光纤光栅组的光纤，脉冲光束透过光纤光栅组中的不同光纤光栅时，均有部分脉冲光束返回环形器，相邻两个光纤光栅反射的脉冲光束在环形器中产生干涉信号，并从环形器的第3端口输出至光电转换器，光电转换器接收干涉信号，设相邻两个光纤光栅反射光的时间差为δt，则相邻两个光纤光栅产生的干涉光强i(t)如下式：

设振动信号的振动周期为ts，光开关形成的光脉冲光束宽度为t1，光开关形成的光脉冲周期与调制信号的相位调制周期相同，均为t，且t＜＜ts，所以认为在0＜t＜t这个时段内，振动信号在时域内保持不变；k为整数，令合相位其中为初始相，为漂移相，表示振动信号相；a、b均为常数；

步骤3、光电转换器将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块采集光强电信号，并将其送入数据处理模块，数据处理模块通过标定相位调制信号和接收信号的延时，获取相邻两个光纤光栅发生干涉后产生的三路移相的光强信号i1，i2，i3，于是有

根据三步移相算法，解得

步骤4、去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相

一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法的装置，包括激光光源、隔离器、光开关、相位调制器、环形器、光纤光栅组、信号发生器、光电转换器、数据采集模块和数据处理模块，其中激光光源、隔离器、光开关、相位调制器和环形器依次连接，光纤光栅组与光纤熔接，环形器的第2端口与熔接光纤光栅组的光纤连接，信号发生器分别与光开关和相位调制器连接，环形器的第3端口通过光纤与光电转换器连接，数据采集模块分别与光电转换器和数据处理模块连接。

所述激光光源发出的光依次经过隔离器、光开关和相位调制器，信号发生器产生脉冲信号作用于光开关，使光开关对激光进行调制，生成光脉冲并送入相位调制器，同时信号发生器产生高速脉冲信号，向相位调制器提供π/2的相位调制，使激光脉冲光束通过相位调制器形成经相位调制的激光脉冲光束；经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器的第1端口，通过其第2端口进入熔接光纤光栅组的光纤，经光纤光栅组反射后，返回环形器，在环形器中产生干涉信号，并从环形器的第3端口输出至光电转换器，光电转换器将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块采集光强电信号，并将其送入数据处理模块，解调出连续的振动信号相

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用光开关产生激光脉冲，利用相位调制器对激光脉冲光束进行相位内调制，利用光纤光栅对特定波长光束反射及环形器单向环形传输的特型，在环形器中实现多路移相信号的产生，有利于快速解算相位信息。

(2)结构简单，尺寸小，精度高，信噪比高，抗环境干扰能力强，对调制信号的要求低，提高了算法的实时性。

(3)可根据需求调节光纤光栅数量和间隔从而调整探测范围及探测区域数量。

附图说明

图1为本发明的基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法的装置结构示意图。

图2为本发明单独两个光纤光栅(6-1、6-2)构成传感模块时反射光信号图，其中(a)、(b)为反射光脉冲中相位和时间关系图，(c)为环形器5第3端口(5-3)输出的光强和时间关系图，时间轴上大矩形代表反射光脉冲，之上的小矩形代表相位信息。

图3为本发明四个光纤光栅(6-1、6-2、6-3、6-4)构成传感模块时反射光信号图，其中(a)、(b)、(c)、(d)为单个反射光脉冲中相位和时间关系图，(e)为环形器5第3端口输出的光强和时间关系图，时间轴上大矩形代表反射光脉冲，其上的小矩形代表相位信息。

图4为本发明实施例中解调出的振动信号相信息。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法，方法步骤如下：

步骤1、打开激光光源1，让测试人员在熔接了光纤光栅组6的光纤附近走动，使得光纤光栅组6感应振动，信号发生器7分别与光开关3和相位调制器4连接，由信号发生器7产生脉冲信号作用于光开关3，产生连续激光脉冲，作用于相位调制器4，产生相位为π/2的连续相位脉冲调制，激光光源1发出的光依次经过隔离器2、光开关3和相位调制器4，形成经相位调制的激光脉冲光束。

经相位调制的激光脉冲光束，其脉冲光束宽度t1由相邻两光纤光栅间距决定，为一个脉冲内，激光光束可以表示为

式中e0表示激光光源1的功率振幅，v0表示激光光源1的中心频率，t表示传播时间，表示经高速脉冲调制的相位，产生π/2的相位调制，其一个周期内调制的脉冲宽度为τns。

步骤2、经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器5的第1端口，通过其第2端口进入熔接光纤光栅组6的光纤，脉冲光束经过光纤光栅组6反射后，返回环形器5，在环形器5中产生干涉信号，并从环形器5的第3端口输出至光电转换器8，光电转换器8接收干涉信号，设相邻两个光纤光栅间距为δl，光束到达相邻两个光纤光栅并返回的时间分别为t1、t2，则反射光存在时间差δt

其中n表示介质折射率，c表示激光在真空中的传播速度。

光电转换器8接收到的干涉光强i(t1，δt)可以表示为

其中a，b均为常数，且有b＝ka，k＜1，k为干涉条纹可见度，为初始相，为漂移相，表示振动信号相，为调制相。

是由高速脉冲信号产生的π/2相位调制，其具体表达式为

其中k为整数，t表示脉冲信号的周期。

当有外界振动时，振动引起的等效的光纤长度的变化与相邻两个光纤光栅间初始长度差相比可以忽略，即δt的变化可以忽略，控制脉冲信号的占空比，使得令合相位则干涉光强i(t)可等效为下式

设振动信号的振动周期为ts，脉冲调制信号的周期t＜＜ts，所以认为在0＜t＜t这个时段内，振动信号在时域内保持不变。

步骤3、光电转换器8将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块9采集光强电信号，并将其送入数据处理模块10，数据处理模块10通过标定相位调制信号和接收信号的延时，来获取三路移相的干涉光强信号i1，i2，i3，于是有

根据三步移相算法，解得

步骤4、去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相

结合图1，一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法的装置，包括激光光源1、隔离器2、光开关3、相位调制器4和环形器5、光纤光栅组6、信号发生器7、光电转换器8、数据采集模块9和数据处理模块10，其中激光光源1、隔离器2、光开关3、相位调制器4和环形器5通过光纤依次连接，光纤光栅组6与光纤熔接，熔接光纤光栅组6的光纤与环形器5的第2端口连接，信号发生器7分别与光开关3和相位调制器4连接，环形器5的第3端口通过光纤与光电转换器8连接，数据采集模块9分别与光电转换器8和数据处理模块10连接。

所述激光光源1发出的光依次经过隔离器2、光开关3、和相位调制器4，信号发生器7分别与光开关3和相位调制器4连接，由信号发生器7产生脉冲信号作用于光开关3，产生连续激光脉冲，作用于相位调制器4，产生相位为π/2的连续相位脉冲调制；经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器5的第1端口，通过第2端口进入熔接光纤光栅组6的光纤，经光纤光栅组6反射后，返回环形器5，在环形器5中产生干涉信号，并从环形器5的第3端口输出至光电转换器8，光电转换器8将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块9采集光强电信号，并将其送入数据处理模块10，解调出连续的振动信号相

所述环形器5采用三个端口的环形器，光纤光栅组6采用光纤布拉格光栅。

所述数据处理模块10通过三步移相算法，得到合相位θ，并去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相

实施例1

实验测试了某光纤光栅传感器的振动信息，两光栅光纤间距为24m，采样时间为22s，激光脉冲周期和相位调制脉冲的频率为1mhz，一个周期内相位调制的脉冲宽度为160ns，其测量装置如图1所示，其测量步骤为：

步骤1、打开激光光源1并让测试人员在熔接了光纤光栅组6的光纤附近走动，使得光纤光栅组6感应振动，激光光源1发出的光依次经过隔离器2、光开关3和相位调制器4，信号发生器7产生频率为1mhz的高速脉冲信号，其作用于光开关3，产生连续激光脉冲，同时向相位调制器4提供π/2的相位调制，形成经相位调制的激光脉冲光束；

步骤2、经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器5第1端口，通过第2端口进入熔接光纤光栅组6的光纤，经光纤光栅组6反射后，在环形器5中产生干涉信号，光电转换器8接收干涉信号。

步骤3、数据采集模块9采集由光电转换器8产生的光强电信号，并将其送入数据处理模块10，数据处理模块10通过标定相位调制信号和接收信号的延时，来获取三路移相的干涉光强信号。

步骤4、去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相

结合图2～图4，本实施例通过一系列的措施实现了对相位振动信号的测量。最终求得的相位图，波动较大处为测试员跨过光纤时产生，其数量、幅度与测试员实际走动情况吻合，反映出该光纤光栅传感器准确的探测出工作范围内的振动信号变化，表明该方法简单实用，测量精度较高，抗干扰能力强，实时性高。