一种光电混合集成芯片、水土流失监测系统及方法与流程

本发明属于水土保持在线检测，特别涉及一种光电混合集成芯片、水土流失监测系统及方法。

背景技术：

1、传统的水土流失监测一般依靠人工测钎法，即在土层中插入若干钢钎，在钢钎中做好标记以记录原始土层高度，后期通过记录土层高度的变化，观测计算土壤侵蚀量即水土流失量；上述传统检测方法主要依靠人工现场量测，具有成本高、监测周期长以及时效差等缺陷。

2、基于上述传统检测方法的缺陷，目前已发展出基于激光相位探测的测钎方法，但在实际应用中受制于激光相位误差、光路不稳定性以及环境温湿度变化等因素，其探测分辨率往往超过1mm，不能满足水土流失监测需求。另外，激光相位探测需要一套复杂的光路，目前仅能使用分立器件搭建，野外应用往往面临稳定性不足的问题，此外分立器件搭建也不利于大规模生产和低成本应用。综上所述，亟需一种新的探测分辨率较高的水土流失监测方式。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种光电混合集成芯片、水土流失监测系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的光电混合集成芯片，可大幅提升检测精度与稳定性，应用于水土流失监测可提高探测分辨率。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种光电混合集成芯，包括：衬底以及衬底上设置的集成光路和集成电路；所述集成光路包括激光器、相位调制器、分束合束器、探测器以及连接各器件的波导；所述集成电路包括信号发生器、开关及相敏解调电路；

4、所述激光器用于发射激光；

5、所述激光器发射的激光经由波导组成的马赫曾德干涉仪输入所述分束合束器；其中，所述马赫曾德干涉仪的一臂设置有所述相位调制器；所述相位调制器用于将所述信号发生器产生的输入电信号转换为同频的光信号；所述信号发生器能够产生不同频率的三角波，所述相位调制器与所述信号发生器之间设置有所述开关，所述开关用于实现不同频率的三角波的切换；

6、所述分束合束器用于将入射光引导入地面，并将反射光反射入所述探测器；

7、所述探测器用于敏感光强并作为相敏解调电路的输入信号；

8、所述相敏解调电路用于将输入电信号的相位与反射光的相位差分解调实现相敏解调。

9、本发明的进一步改进在于，所述衬底为硅衬底。

10、本发明的进一步改进在于，所述探测器为硅探测器或gaas探测器。

11、本发明的进一步改进在于，所述马赫曾德干涉仪中，由第一y分支将光分为等振幅的两部分，其中一臂通过一段波导，另一臂经过一个相位调制器，两束光在第二y分支处合光干涉；

12、其中，在强度i上产生余弦干涉而产生强度调制，表达式为，

13、

14、式中，i0为输入光功率，δφ为两臂相位差，τ为初始频率；

15、调制的频率ω的表达式为，

16、

17、式中，t为时间。

18、本发明的进一步改进在于，实现将输入电信号的相位与反射光的相位差分解调的步骤中，

19、经分束合束器反射至探测器测量获得反射光的相位时，距离出射光的时间t相距表达式为式中，c为光速；相位差φ的表达式为距地表的距离l的表达式为

20、通过所述开关分时以不同频率的三角波驱动所述相位调制器，分时产生不同频率的调制信号，基于所述距离l的表达式获得最终的距离表达式为，

21、本发明提供的一种水土流失监测系统，采用本发明上述的光电混合集成芯。

22、本发明的进一步改进在于，所述水土流失监测系统包括监测芯片、透镜、传输模块和供电模块；所述监测芯片为本发明任一项上述的光电混合集成芯。

23、本发明提供的一种水土流失监测方法，采用本发明上述的水土流失监测系统，包括以下步骤：

24、通过激光器发射激光；

25、激光进入波导并在波导中传输，进入一个由波导组成的马赫曾德干涉仪调制；

26、调制后的激光经分束合束器，透射光准直后射入地表；分束合束器上反射光进入探测器，测量出射光的相位；

27、经地表反射并准直后的光经分束合束器反射至探测器，测量反射光的相位；

28、通过相位差的测量，实现距离的解算；其中，在解算时基于开关实现分时以不同频率的三角波驱动相位调制器，分时产生不同频率的调制信号。

29、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

30、针对现有基于激光相位探测的测钎方法测量精度低，且分立光路一致性、稳定性、可靠性差的技术问题，本发明基于光电混合集成具体提供了一种双频载波差分解调的水土流失监测用光电混合集成芯片，其在硅基衬底上集成传感光路与解调电路，实现了测钎传感器的全固态集成，可保证测钎传感器的一致性、稳定性、可靠性较好；另外，在芯片中使用双频激光相位差分技术，利用不同频率的调制光监测地表起伏信息，并差分解算，剔除光路、环境变化导致的测量干扰，实现距离的高精度解调。

31、本发明提供的光电混合集成芯片应用于水土流失、土壤侵蚀情况的在线监测时，将光电混合集成芯片与透镜、供电等组成测钎系统，可实现水土流失量的长期在线监测；通过双频相位差动可大幅提升监测精度与稳定性，并同时提升测钎系统的规模化量产能力，降低成本。

技术特征：

1.一种光电混合集成芯，其特征在于，包括：衬底以及衬底上设置的集成光路和集成电路；所述集成光路包括激光器(3)、相位调制器(4)、分束合束器(5)、探测器(6)以及连接各器件的波导；所述集成电路包括信号发生器(1)、开关(2)及相敏解调电路；

2.根据权利要求1所述的一种光电混合集成芯，其特征在于，所述衬底为硅衬底。

3.根据权利要求1所述的一种光电混合集成芯，其特征在于，所述探测器(6)为硅探测器或gaas探测器。

4.根据权利要求1所述的一种光电混合集成芯，其特征在于，所述马赫曾德干涉仪中，由第一y分支将光分为等振幅的两部分，一部分通过波导，另一部分经过相位调制器(4)，两束光在第二y分支处合光干涉；

5.根据权利要求4所述的一种光电混合集成芯，其特征在于，实现将输入电信号的相位与反射光的相位差分解调的步骤中，

6.一种水土流失监测系统，其特征在于，采用权利要求1所述的光电混合集成芯。

7.根据权利要求6所述的一种水土流失监测系统，其特征在于，包括监测芯片、透镜、传输模块和供电模块；所述监测芯片为权利要求1至5中任一项所述的光电混合集成芯。

8.一种水土流失监测方法，其特征在于，采用权利要求6所述的水土流失监测系统，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种光电混合集成芯片、水土流失监测系统及方法，所述光电混合集成芯包括衬底以及衬底上设置的集成光路和集成电路；激光器发射的激光经由波导组成的马赫曾德干涉仪输入分束合束器；马赫曾德干涉仪的一臂设置有相位调制器；相位调制器用于将信号发生器产生的输入电信号转换为同频的光信号；信号发生器能够产生不同频率的三角波，相位调制器与信号发生器之间设置有开关；分束合束器用于将入射光引导入地面，并将反射光反射入探测器；探测器用于敏感光强；相敏解调电路用于实现相敏解调。本发明提供的光电混合集成芯片可大幅提升检测精度与稳定性，应用于水土流失监测可提高探测分辨率。

技术研发人员：雷磊,吴健,孙强,董子晗,王乃永,宋继明,郑树海,张智,吴经锋,赵颖博,李睿,师一卿,白晓春,王良,万昊,高宇,王辰曦,李毅,李明,梁苗,薛建,吕平海
受保护的技术使用者：国网陕西省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13