一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法及装置

1.本发明涉及于光纤传感检测技术领域，具体而言，涉及一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法及装置。


背景技术：

2.光纤在受到外界物理信息作用后，会引起在纤芯中传输的光波光程、偏振性等变化。光纤干涉仪就是利用光纤的这种特点能够感知到外界信息的变化，并且通过测算光波信息的改变量实现所需信息的解调。这种传感方法可实现的精度较高并且稳定性好，因而目前在传感器范围内得到了大量的研究和运用，光纤水听器就是光纤干涉仪应用中的一个重要方向。在干涉型光纤水听器中，传感探头上的光纤作为装置的传感单元，主要负责将接收的水下声波信号调制到传输的光波变化中，传感单元中光纤的折射率和长度在受到外界环境中的声场作用时发生了变化，导致光纤中传输的光波相位随之产生改变，对光相位的变化解调即可得到所需的声波信息。干涉型光纤水听器技术是当前发展比较成熟的技术，相较于压电型水听器，此类型的光纤水听器声压灵敏度相对提高了2-3个数量级，并且易于复用。但是，目前大多数干涉型光纤水听器采用的是窄带激光，其具有较大的相干长度，虽然能够很好满足干涉条件，产生干涉信号，但是水听器中的器件和光纤拉制的缺陷都会产生反射点从而引起寄生次波，其输出的光波信号中存在着较大的误差和噪声。


技术实现要素：

3.本发明旨在提供一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法及装置，以解决或改善上述技术问题中的至少之一。
4.有鉴于此，本发明的第一方面在于提供一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置。
5.本发明的第二方面在于提供一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法。
6.本发明的第一方面提供了一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置，包括：发射部、宽谱光源、环形器、y波导、光纤延迟线、传感臂和参考臂，所述传感臂和所述参考臂并联连接在所述y波导的输出端，所述参考臂远离所述y波导的一端与所述光纤延迟线相连接，所述y波导的输入端通过所述环形器连接所述发射部；所述测定部包括：接收端与所述环形器第三端口相连的光电探测器，所述光电探测器发射端电连接解调电路模块，所述解调电路模块分别电连接所述y波导、所述光纤延迟线和采集电脑；当进行声波检测时，所述发射部为宽谱光源，以及所述环形器的第三端口连接测定部；其中，所述测定部被配置为负责对所述传感臂敏感声波的检测，以及控制所述光纤延迟线的开闭。
7.本发明提供的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置，通过解调由传感臂敏感的声波信号，实现对携带声波信息的检测，本发明在michelson光路结构的基础上进一步改进，引入了宽谱光源，装置中也加入了y波导，采用阶梯波相位调制的方法解调声波信号；
8.由于光路中采用宽谱光源，其相干长度较短，并且传感臂和参考臂之间的光程差在声波和外界环境作用下变化范围较大，为了使两臂光路之间光程差不超出光源的相干长度范围，在光路结构中引入调节范围较大的光纤延迟线。光纤延长线具有较大的调节范围，但是为了保证在光路中能够实现对光程差的正补偿和负补偿，首先需要将光纤延迟线的驱动部调到其动态范围的中心位置；
9.测定部通过串口与光纤延迟线连接，然后发送调节指令，驱动光纤延迟线的驱动部刚好停在其动态范围的中心位置，至此完成了对光纤延迟线的初始位置调节；
10.本装置在前期的臂长调节时，将otdr与环形器相连，以便对量两臂长度进行测量，并通过裁剪操作截掉相对较长的一臂以保证两臂长度相近，在后期的声波检测时，拆卸掉otdr，然后将宽谱光源与环形器相连。
11.另外，根据本发明的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：
12.上述任一技术方案中，所述解调电路模块通过对所述光电探测器转换的电信号进行处理并控制所述y波导和所述光纤延迟线，以实现对所述传感臂敏感声波的检测。
13.在该技术方案中，测定部设置有光电探测器、解调电路模块和采集电脑，解调电路模块通过施加电压控制y波导中的linbo晶体折射率变化使传输光信号的相位发生改变，实现装置中声波信号致光纤微相位的检测；
14.宽谱光源输出的光波通过环形器后，再通过y波导分别进入传感臂和参考臂。传感臂接收到声波信号后光波被其末端反射镜返回到传感臂中，参考臂不敏感声波信号，光波直接由光纤延迟线内部的反射镜返回到参考臂，在y波导中相遇并发生干涉现象，此时干涉信号已经携带声波信息。干涉光回到环形器并传输到光电探测器中，最终接收到的光信号转换成易处理的电信号输出至解调电路模块，通过解调电路模块对探测器转换的电信号处理并控制y波导和光纤延迟线调节光程变化，最终实现对声波信号致光纤微相移检测的功能。
15.上述任一技术方案中，所述传感臂远离所述y波导的一端设置有反射镜。
16.在该技术方案中，反射镜的设置可使得传感臂一端射出的信号能够返回到传感臂中，并进行回传，采用固定安装在传感臂远离y波导的一端，可方便传感臂的内部信号传输设置，降低信号损耗。
17.上述任一技术方案中，所述宽谱光源的光源中心波长标称值为1530mm
±
5nm。
18.在该技术方案中，在本装置的各个部件规格设置中，单独光源中心波长标称值，有利于保证宽谱光源的内部规格参数不会随意设置，确保各环节的处理效果。另外，对宽谱光源的光源中心波长标称值限定，还有利于确保各环节和步骤中所检测的结果符合预期，避免单一环节和步骤中光源中心波长标称值腹部要求而导致其他环节中的间隔和传输不理想，影响到其它步骤的检测和传输效果；
19.宽谱光源相干长度较短，干涉装置中使用宽谱光源，能够抑制多种噪声，有效降低光路中受背向散射、克尔效应等光路噪声的影响，提高检测精度。
20.上述任一技术方案中，所述发射部、所述宽谱光源、所述环形器、所述y波导、所述光纤延迟线、所述传感臂和所述参考臂之间的连接方式均为采用包层直径为80μm的保偏光纤连接。
21.在该技术方案中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实
现对物理量的高精度测量，并且对包层直径进行限定，有利于高声波灵敏度。
22.上述任一技术方案中，所述传感臂和所述参考臂均采用φ80/135μm的保偏光纤进行绕制。
23.在该技术方案中，采用具有限定规格的保偏光纤进行绕制，可进一步保证传感臂和参考臂的相近，保证两臂光路之间光程差满足干涉要求。
24.上述任一技术方案中，所述y波导为集成了耦合器、集偏振器和相位调制器为一体的铌酸锂相位调制器。
25.在该技术方案中，铌酸锂相位调制器利用铌酸锂晶体(linbo)的电光效应并结合光电子集成工艺制作而成，因其具有高响应速度，低插入损耗。
26.上述任一技术方案中，在进行臂长测量之后，所述传感臂和所述参考臂的长度差值不大于1cm。
27.在该技术方案中，在对传感臂和参考臂的测量对照后，进行裁剪时按照长度最大差值为1cm设置，可保证了两臂光路之间光程差满足干涉要求，并在后续的操作中证光路能够实时工作在光源相干长度范围内。
28.上述任一技术方案中，当进行臂长测量时，所述发射部为otdr，以及所述光纤延迟线内设置有用于调节其末端位置的驱动部；所述驱动部为电机。
29.在该技术方案中，电机整体封装在光纤延迟线内部。
30.本发明的第二方面在于提供一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法，包括如下步骤：s1,将所述宽谱光源(9)、所述测定部分别与所述环形器(2)相连接，所述解调电路模块(10)将阶梯波相位调制信号输出到y波导(4)，通过对y波导(4)施加电压控制内部的linbo3晶体折射率变化使传输光信号的相位改变；s2,当声波或外界环境引起光路中所述传感臂(5)和所述参考臂(6)的光程差超过宽谱光源相干长度时，所述解调电路模块(10)输出信号控制所述光纤延迟线(8)进行相应的动态补偿；s3,所述传感臂(5)接收到声波信号后光波被末端的反射镜(8)返回到传感臂(5)的光路中；s4，所述干涉光回到环形器(2)并传输到光电探测器(3)中，接收到的光信号转换成易处理的电信号输出至解调电路模块(10)，最终实现对声波信号致光纤微相移检测的功能；其中，所述的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法采用如第一方面中任一技术方案所述的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置实现。
31.本发明的第二方面提供了一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法，所述方法执行时采用上述任一技术方案中的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置实现。因此，本发明提出的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法具备上述任一技术方案中的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置的全部有益效果，在此不再赘述。
32.本发明的有益效果在于：
33.(1)本发明的检测技术实现了对微弱声波信号的检测，具有高灵敏度，理论上可以检测到小于1pm的光程差对应的微弱声波信号；
34.(2)本发明利用大动态范围的光纤延迟线对光路光程差实现动态补偿，克服了宽谱光源相干长度短而导致测量动态范围小的难题，保证光路稳定工作在干涉状态，实现声波致光程差变化检测范围不小于
±
5mm。
35.根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实施例的实践了解到。
附图说明
36.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
37.图1为本发明的传感臂和参考臂初始等长测量原理图；
38.图2为本发明的方案示意图；
39.图3为本发明的光纤延长线补偿流程图；
40.图4为本发明的实现流程图。
41.其中，图1-4中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
42.1otdr、2环形器、3光电探测器、4y波导、5传感臂、6参考臂、7反射镜、8光纤延迟线、9宽谱光源、10解调电路模块、11采集电脑。
具体实施方式
43.为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
45.请参阅图1-4，本发明的第一方面提供了一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置，包括：发射部、宽谱光源9、环形器2、y波导4、光纤延迟线8、传感臂5和参考臂6，传感臂5和参考臂6并联连接在y波导4的输出端，参考臂6远离y波导4的一端与光纤延迟线8相连接，y波导4的输入端通过环形器2连接发射部；测定部包括：接收端与环形器2第三端口相连的光电探测器3，光电探测器3发射端电连接解调电路模块10，解调电路模块10分别电连接y波导4、光纤延迟线8和采集电脑11；当进行声波检测时，发射部为宽谱光源9，以及环形器2的第三端口连接测定部；其中，测定部被配置为负责对传感臂5敏感声波的检测，以及控制光纤延迟线8的开闭。
46.本发明提供的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置，通过解调由传感臂5敏感的声波信号，实现对携带声波信息的检测，本发明在michelson光路结构的基础上进一步改进，引入了宽谱光源9，装置中也加入了y波导4，采用阶梯波相位调制的方法解调声波信号；
47.由于光路中采用宽谱光源9，其相干长度较短，并且传感臂5和参考臂6之间的光程差在声波和外界环境作用下变化范围较大，为了使两臂光路之间光程差不超出光源的相干长度范围，在光路结构中引入调节范围较大的光纤延迟线8。光纤延长线具有较大的调节范围，但是为了保证在光路中能够实现对光程差的正补偿和负补偿，首先需要将光纤延迟线8的驱动部调到其动态范围的中心位置；
48.测定部通过串口与光纤延迟线8连接，然后发送调节指令，驱动光纤延迟线8的驱动部刚好停在其动态范围的中心位置，至此完成了对光纤延迟线8的初始位置调节；
49.本装置在前期的臂长调节时，将otdr1与环形器2相连，以便对量两臂长度进行测量，并通过裁剪操作截掉相对较长的一臂以保证两臂长度相近，在后期的声波检测时，拆卸掉otdr1，然后将宽谱光源9与环形器2相连。
50.具体地，光时域反射仪(opticaltime-domainreflectometer，简称otdr)，otdr1输出端口与y波导4输入端连接，y波导4输出尾纤端口和输出尾纤端口分别与参考臂5和传感臂6的端口进行熔接。将传感臂5和参考臂6的端口分别与反射镜7尾纤和光纤延迟线8尾纤通过熔接机进行转轴处理，对完轴后，通过otdr1对两臂长分别测量，通过两个测量峰，可以准确知道传感臂5和考臂6的长度差，截掉相对长的那一臂，保证两臂长度差小于1cm。最后将传感臂5和参考臂6的端口分别与反射镜7尾纤和光纤延迟线8尾纤通过转轴熔接在一起，至此光路初始等长调节工作完成；
51.宽谱光源的运用是基于白光干涉技术，通过y波导和解调电路模块实现相应的解调，白光干涉技术作为一种可以精确测量相移的技术，其基础理论来源于部分相干光理论，根据干涉条纹的变化进行分析测量，得到相应的相移量。白光干涉技术利用宽谱光源相干长度低的特性，可以实现对物理量的绝对测量，这一点正是传统的激光相干测量技术无法比拟的。同时，采用的低相干光源抗干扰能力很强，装置分辨率与光源波长的稳定性、光源功率的波动、光纤的扰动等因素均无关。因此，白光干涉技术具有探测本底噪声低、灵敏度高等优势。
52.具体地，光纤延迟线8为单光纤反射式，光纤延迟线8由输入和输出光纤准直器以及内在的反射镜组成，光纤准直器将光投射到反射镜上，使用电机控制反射镜移动的距离，改变所在光路结构中的光程，实现光在自由空间中传播距离的精确控制的功能。
53.上述任一实施例中，解调电路模块10通过对光电探测器3转换的电信号进行处理并控制y波导4和光纤延迟线8，以实现对传感臂5敏感声波的检测。
54.在该实施例中，测定部设置有光电探测器3、解调电路模块10和采集电脑11，解调电路模块10通过施加电压控制y波导4中的linbo晶体折射率变化使传输光信号的相位发生改变，实现装置中声波信号致光纤微相位的检测；
55.宽谱光源9输出的光波通过环形器2后，再通过y波导4分别进入传感臂5和参考臂6。传感臂5接收到声波信号后光波被其末端反射镜7返回到传感臂5中，参考臂6不敏感声波信号，光波直接由光纤延迟线8内部的反射镜返回到参考臂6，在y波导4中相遇并发生干涉现象，此时干涉信号已经携带声波信息。干涉光回到环形器2并传输到光电探测器3中，最终接收到的光信号转换成易处理的电信号输出至解调电路模块10，通过解调电路模块10对探测器转换的电信号处理并控制y波导4和光纤延迟线8调节光程变化，最终实现对声波信号致光纤微相移检测的功能。
56.上述任一实施例中，传感臂5远离y波导4的一端设置有反射镜7。
57.在该实施例中，反射镜7的设置可使得传感臂5一端射出的信号能够返回到传感臂5中，并进行回传，采用固定安装在传感臂5远离y波导4的一端，可方便传感臂5的内部信号传输设置，降低信号损耗。
58.上述任一实施例中，宽谱光源9的光源中心波长标称值为1530mm
±
5nm。
59.在该实施例中，在本装置的各个部件规格设置中，单独光源中心波长标称值，有利于保证宽谱光源9的内部规格参数不会随意设置，确保各环节的处理效果。另外，对宽谱光
源9的光源中心波长标称值限定，还有利于确保各环节和步骤中所检测的结果符合预期，避免单一环节和步骤中光源中心波长标称值腹部要求而导致其他环节中的间隔和传输不理想，影响到其它步骤的检测和传输效果；
60.宽谱光源9相干长度较短，干涉装置中使用宽谱光源9，能够抑制多种噪声，有效降低光路中受背向散射、克尔效应等光路噪声的影响，提高检测精度。
61.上述任一实施例中，发射部、宽谱光源9、环形器2、y波导4、光纤延迟线8、传感臂5和参考臂6之间的连接方式均为采用包层直径为80μm的保偏光纤连接。
62.在该实施例中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量，并且对包层直径进行限定，有利于高声波灵敏度。
63.上述任一实施例中，传感臂5和参考臂6均采用φ80/135μm的保偏光纤进行绕制。
64.在该实施例中，采用具有限定规格的保偏光纤进行绕制，可进一步保证传感臂5和参考臂6的相近，保证两臂光路之间光程差满足干涉要求。
65.上述任一实施例中，y波导4为集成了耦合器、集偏振器和相位调制器为一体的铌酸锂相位调制器。
66.在该实施例中，铌酸锂相位调制器利用铌酸锂晶体(linbo)的电光效应并结合光电子集成工艺制作而成，因其具有高响应速度，低插入损耗。
67.上述任一实施例中，在进行臂长测量之后，传感臂5和参考臂6的长度差值不大于1cm。
68.在该实施例中，在对传感臂5和参考臂6的测量对照后，进行裁剪时按照长度最大差值为1cm设置，可保证了两臂光路之间光程差满足干涉要求，并在后续的操作中证光路能够实时工作在光源相干长度范围内。
69.上述任一实施例中，当进行臂长测量时，发射部为otdr1，以及光纤延迟线8内设置有用于调节其末端位置的驱动部；驱动部为电机。
70.在该实施例中，电机整体封装在光纤延迟线8内部。
71.本发明的第二方面在于提供一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法，包括如下步骤：s1,将宽谱光源9、测定部分别与环形器2相连接，解调电路模块10将阶梯波相位调制信号输出到y波导4，通过对y波导4施加电压控制y波导4的linbo3晶体折射率变化使传输光信号的相位改变；s2,当声波或外界环境引起光路中传感臂5和参考臂6的光程差超过宽谱光源9相干长度时，解调电路模块10输出信号控制光纤延迟线8进行相应的动态补偿；s3,传感臂5接收到声波信号后光波被末端的反射镜7返回到传感臂5的光路中；s4,干涉光回到环形器2并传输到光电探测器3中，接收到的光信号转换成易处理的电信号输出至解调电路模块10，最终实现对声波信号致光纤微相移检测的功能；其中，一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法采用如第一方面中任一实施例的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置实现。
72.本发明的第二方面提供了一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法，方法执行时采用上述任一实施例中的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置实现。因此，本发明提出的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测方法具备上述任一实施例中的一种基于宽谱光干涉的声波致光纤微相移检测装置的全部有益效果，在此不再赘述。
73.进一步地，为了保证测量的准确，在检测之间,将otdr1与环形器2相连接，通过otdr1测量传感臂5和参考臂6的长度，并截掉相对较长的一臂以保证两臂长度差小于1cm。
74.实施例1
75.如图3和图4所示，本装置的具体检测步骤为：
76.光源输入，宽谱光源输出端连接环形器，环形器连接y波导和光电探测器，y波导输出连接基于调节完初始等长的光路，至此基于低相干光干涉的声波信号致光纤微相移检测光路整体搭建完成，并通过宽谱光源导入光源；
77.干涉工作，解调电路模块将阶梯波相位调制信号输出到y波导，通过对y波导施加电压控制linbo3晶体折射率变化使传输光信号的相位改变，以保证系统整体在干涉工作状态下；同时，当声波或外界环境引起光路中两臂光程差超过宽谱光源相干长度时，解调电路模块输出信号控制光纤延迟线进行相应的动态补偿，以保证光路能够实时工作在光源相干长度范围内；
78.延迟线补偿，光路系统在工作过程中，由于声波或者外界环境因素会导致传感臂5和参考臂6光程差超过宽谱光源9的相干长度范围，本发明为保证光路系统能够长时间在干涉状态下工作而引入大范围的光纤延迟线8来进行动态补偿；
79.解调输出，解调电路模块10每个δt累加计算一次平均值，并判断该平均值与初始值差的绝对值是否超过设定的相干阈值l1，若该绝对值不超过相干阈值，光纤延迟线8不启动；若符号相同，则解调电路模块10发出启动指令，光纤延迟线8启动，在电机运动过程中继续判断δt内的平均值，当该平均值与初始值差的绝对值小于停止阈值l2，此时解调电路模块10发出停止指令，光纤延迟线8电机停止运动，直到下一次收到开始指令。
80.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
81.以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的实施例做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。