本發(fā)明屬于干涉型光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種可以消除光強(qiáng)干擾的高穩(wěn)定性的光纖傳感裝置和方法。

背景技術(shù)：

振動廣泛存在于工業(yè)活動和人們的生活當(dāng)中,如地震,機(jī)械工業(yè)中機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn),鐵路和橋梁等的晃動等。實(shí)現(xiàn)對振動的傳感對地震的早期預(yù)測，機(jī)械部件工作狀態(tài)的檢測,鐵路和橋梁的安全監(jiān)測，以及對長距離輸油、輸電線路安全的保證，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

光纖傳感傳送頻帶寬、信息容量大、傳輸損耗低,適合遙測遙控；對外界環(huán)境變化敏感,對多種物理量具有優(yōu)良的傳感性能；可通過陣列式或分布式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長距離傳感等。

相位生成載波調(diào)制解調(diào)是通過在干涉儀中引入檢測信號帶寬外的某一頻率的大幅度相位調(diào)制信號,使所檢測信號成為這些大幅度載波的邊帶,然后在接收端利用PGC解調(diào)算法對待測信號進(jìn)行提取。然而傳統(tǒng)的PGC解調(diào)算法易受到光強(qiáng)不穩(wěn)定的影響，當(dāng)光纖傳感器中光的強(qiáng)度不穩(wěn)定時，解調(diào)結(jié)果將發(fā)生失真。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決當(dāng)光纖傳感器中光強(qiáng)度不穩(wěn)定使解調(diào)結(jié)果發(fā)生失真的問題，提出一種消除光強(qiáng)擾動的高穩(wěn)定性光纖傳感裝置及解調(diào)方法。該傳感裝置中引入一個振幅恒定的參考信號與待測信號一起進(jìn)行調(diào)制，在接收端利用解波分復(fù)用器對待測信號與參考信號進(jìn)行分離，其解調(diào)方法采用基于參考補(bǔ)償?shù)腜GC解調(diào)算法，通過光強(qiáng)干擾對參考信號的影響測量光強(qiáng)擾動，進(jìn)而對待測信號進(jìn)行補(bǔ)償，消除光強(qiáng)干擾對解調(diào)結(jié)果的影響，提高傳感裝置的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種消除光強(qiáng)擾動的具有高穩(wěn)定性的光纖傳感裝置，該傳感裝置如圖1所示，包括：寬帶光源，隔離器，光纖傳感陣列，光電探測器陣列，數(shù)據(jù)采集卡及微型計(jì)算機(jī)；所述寬帶光源經(jīng)過隔離器與光纖傳感陣列相連，光纖傳感陣列輸出的光信號由光電探測器陣列進(jìn)行檢測，之后由數(shù)據(jù)采集卡對光電探測器陣列的輸出信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再利用微型計(jì)算機(jī)中的解調(diào)算法對輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

所述的光纖傳感陣列的組成方式如圖2所示：2×2耦合器C0的a端口作為光纖傳感陣列的輸入端與隔離器連接，2×2耦合器C0的c端口接波分復(fù)用器M1輸入口，波分復(fù)用器M1的輸出口和傳感臂陣列相連接(所述的傳感臂陣列由n個傳感臂組成，所述2×2耦合器C0的c端口接波分復(fù)用器輸入口，波分復(fù)用器具有N個輸出端口，N≥2n，其中2n個波分復(fù)用器的輸出端口分別連接2×1耦合器C1，C2…Cn的a/b端，每個2×1耦合器的c端口各連接一個傳感光纖F1，F(xiàn)2…，或Fn，每個傳感光纖的另外一端接兩個光纖光柵B1、B2，…，或B2n-1、B2n，兩個光纖光柵B2n-1、B2n的中心波長分別與對應(yīng)2×1耦合器Cn的a/b端口所連接波分復(fù)用端口的波長一致，兩個光纖光柵之間的光纖上各纏有一個壓電陶瓷P1，…或Pn)，2×2耦合器C0的d端口接參考臂(所述的參考臂由參考光纖F0、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡L及壓電陶瓷P0構(gòu)成，2×2耦合器C0的d端口連接參考光纖F0，參考光纖的另一端和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡L相連接，參考光纖上纏有一個壓電陶瓷P0)，傳感臂陣列信號與參考臂信號在2×2耦合器C0的b端口干涉輸出。

所述的光電探測器陣列由解波分復(fù)用器M2和2n個光電探測器D1,D2…D2n構(gòu)成，如圖3所示；所述2×2耦合器C0的b端口連接解波分復(fù)用器M2的輸入端口。解波分復(fù)用器M2具有N個輸出端口(N≥2n)，其中2n個輸出端口各連接一個光電檢測器。

所述的傳感光纖為普通的單模光纖，待測信號加載到此光纖上，光纖長度可根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整。

本發(fā)明同時給出了采用所述裝置進(jìn)行基于參考補(bǔ)償?shù)腜GC解調(diào)方法。

所述的解調(diào)方法包括以下步驟：

(1)在壓電陶瓷P0上加載由信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號cosω₀t作為載波。在壓電陶瓷P1-Pn上加載由信號發(fā)生器產(chǎn)生的幅度恒定的正弦信號作為參考信號；

(2)寬帶光源輸出經(jīng)隔離器，光纖傳感陣列，由光電探測器陣列探測，采樣并模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出2n路信號；

(3)對第每個傳感臂上的信號進(jìn)行解調(diào)，得到每個傳感臂上的待測信號。

所述的對第每個傳感臂上的信號進(jìn)行如下解調(diào)處理：將第2i路信號與基頻載波cosω₀t和2倍載波cos2ω₀t混頻，再依次通過低通濾波器濾波、微分交叉相乘、相減積分后，得到信號S_2i，；第2i-1路信號與基頻載波cosω₀t和2倍載波cos2ω₀t混頻，再依次通過低通濾波器濾波、微分交叉相乘、相減積分后，得到信號S_2i-1；將信號S_2i和信號S_2i-1進(jìn)行相減運(yùn)算，得到信號M_i；計(jì)算信號M_i的上下包絡(luò)，并對上下包絡(luò)進(jìn)行相減運(yùn)算，得到信號R_i；將信號S_2i-1與信號R_i相除，再經(jīng)過帶通濾波器得到信號O_i，O_i即為第i個傳感臂上的待測信號，i取正整數(shù)1，2，3，4…n。

所述方法所能測量的傳感臂的路數(shù)n受波分復(fù)用器及解波分復(fù)用器的輸出端口的數(shù)量N限制(1≦n≦N/2)，可根據(jù)使用需要確定。

所述方法的采樣頻率對測量精度的影響較為明顯，采樣頻率越高，測量精度越大。

所述的方法可消除頻率小于參考信號頻率的光源不穩(wěn)定，因此參考信號的頻率應(yīng)該設(shè)置的盡量高。

所述的方法中，待測信號的頻率ω_s與幅度D，以及載波信號頻率ω₀應(yīng)滿足關(guān)系式這樣可以使得頻譜不發(fā)生混疊，待測信號才能正確解調(diào)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果

本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低且易于實(shí)現(xiàn)的探測振動點(diǎn)信號波形的裝置和解調(diào)方法。基于本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)和解調(diào)方法，可以較為準(zhǔn)確的測量振動波形，且解調(diào)結(jié)果相對穩(wěn)定。通過把調(diào)制和傳感分開，使其易于適用各種復(fù)雜環(huán)境下的傳感。在解調(diào)算法部分，利用參考補(bǔ)償?shù)姆椒?，可以消除光源不穩(wěn)定引起的解調(diào)失真。且本系統(tǒng)利于光纖傳感的陣列化，實(shí)現(xiàn)多路信號同時測量且降低使用成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明光纖傳感裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明光纖傳感陣列圖。

圖3為本發(fā)明光電探測器陣列圖。

圖4為本發(fā)明解調(diào)算法流程圖。

圖5為傳統(tǒng)解調(diào)算法解調(diào)信號圖(a)與本發(fā)明實(shí)施例1的解調(diào)信號圖(b)，其中載波頻率為10000Hz，采樣頻率取500KHz，待測信號頻率為700Hz，參考信號頻率為2000Hz，不引入光強(qiáng)擾動。

圖6為傳統(tǒng)解調(diào)算法解調(diào)信號圖(a)與本發(fā)明實(shí)施例2的解調(diào)信號圖(b)，其中載波頻率為10000Hz，采樣頻率取500KHz，待測信號頻率為700Hz，參考信號頻率為2000Hz，引入頻率為50Hz的光強(qiáng)擾動。

圖7為傳統(tǒng)解調(diào)算法解調(diào)信號圖(a)與本發(fā)明實(shí)施例3的解調(diào)信號圖(b)，其中載波頻率為10000Hz，采樣頻率取500KHz，待測信號頻率為700Hz，參考信號頻率為2000Hz，引入頻率為100Hz的光強(qiáng)擾動。

圖8為傳統(tǒng)解調(diào)算法解調(diào)信號圖(a)與本發(fā)明實(shí)施例4的解調(diào)信號圖(b)，其中載波頻率為10000Hz，采樣頻率取500KHz，待測信號頻率為500Hz，參考信號頻率為2000Hz，引入頻率為50Hz的光強(qiáng)擾動。

圖9為傳統(tǒng)解調(diào)算法解調(diào)信號圖(a)與本發(fā)明實(shí)施例5的解調(diào)信號圖(b)，其中載波頻率為10000Hz，采樣頻率取500KHz，待測信號頻率為500Hz，參考信號頻率為2000Hz，引入頻率為100Hz的光強(qiáng)擾動。

圖中：1為寬帶光源，2為隔離器，3為光纖傳感陣列，4為光電探測器陣列，5為數(shù)據(jù)采集卡，6為微型計(jì)算機(jī)，C0為2×2耦合器，C1，C2…Cn為2×1耦合器，M1為波分復(fù)用器，M2為解波分復(fù)用器，F(xiàn)0為參考光纖，F(xiàn)1，F(xiàn)2…Fn為傳感光纖，P0，P1…Pn為壓電陶瓷，B1,B2…B2n為光纖光柵，L為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。D1，D2…D2n為光電探測器。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

如圖1所示，一種消除光強(qiáng)擾動的具有高穩(wěn)定性的光纖傳感裝置，該傳感裝置包括：寬帶光源1，隔離器2，光纖傳感陣列3，光電探測器陣列4，數(shù)據(jù)采集卡5及微型計(jì)算機(jī)6；寬帶光源經(jīng)過隔離器與光纖傳感陣列相連，光纖傳感陣列輸出的光信號由光電探測器陣列進(jìn)行檢測，之后由數(shù)據(jù)采集卡對光電探測器陣列的輸出信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由微型計(jì)算機(jī)利用解調(diào)算法對輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

所述的光纖傳感陣列的組成方式如圖2所示：2×2耦合器C0的a端口作為光纖傳感陣列的輸入端與隔離器連接，2×2耦合器C0的d端口接參考臂(所述的參考臂由壓電陶瓷、參考光纖及法拉第旋轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成，參考光纖的一端接2×2耦合器C0的d端口，參考光纖的另一端接法拉第旋轉(zhuǎn)器L，參考光纖F0上纏有壓電陶瓷P0)，2×2耦合器C0的c端口接波分復(fù)用器M1的輸入口，波分復(fù)用器的輸出口和傳感臂陣列相連接(所述的傳感臂陣列由n個傳感臂組成，所述2×2耦合器C0的c端口接波分復(fù)用器輸入口，波分復(fù)用器具有2n個輸出端口，波分復(fù)用器的輸出端口分別連接n個2×1耦合器(C1、C2、...、Cn)的a/b端，n個2×1耦合器的c口各連接一個傳感光纖(F1，F(xiàn)2、…或Fn)，傳感光纖的另外一端接兩個光纖光柵B1、B2；…；或B2n-1、B2n，兩個光纖光柵B1、B2；…或B2n-1、B2n的中心波長分別與對應(yīng)2×1耦合器的a/b端口所連接波分復(fù)用端口的波長一致，兩個光纖光柵之間的光纖上纏有一個壓電陶瓷(P1、P2、...或Pn))，傳感臂陣列信號與參考臂信號在2×2耦合器C0的b端口干涉輸出。

所述的光電探測器陣列由解波分復(fù)用器M2和2n個光電探測器(D1、D2、…或D2n)構(gòu)成，如圖3所示；所述2×2耦合器的b端口連接解波分復(fù)用器M2的輸入端口。解波分復(fù)用器具有2n個輸出端口，所述的2n個輸出端口各連接一個光電檢測器(D1、D2、…或D2n)。各光電檢測器的檢測值由數(shù)據(jù)采集卡5采集，之后輸出到微型計(jì)算機(jī)6中利用解調(diào)算法進(jìn)行處理，本發(fā)明的解調(diào)算法為基于參考補(bǔ)償?shù)腜GC解調(diào)算法，解調(diào)算法流程如圖4所示。

解調(diào)方法的具體過程是：首先在壓電陶瓷P0上加載由信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率為10000Hz的正弦信號cosω₀t作為載波；在壓電陶瓷P1-Pn上加載由信號發(fā)生器產(chǎn)生的幅度恒定的頻率為2000Hz的正弦信號作為參考信號；寬帶光源輸出經(jīng)隔離器，光纖傳感陣列，由光電探測器陣列探測，采樣并模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出2n路信號；對第i個傳感臂上的信號進(jìn)行解調(diào)，得到第i個傳感臂上的待測信號,i取正整數(shù)1，2，3，4…n。

所述的對第i個傳感臂上的信號進(jìn)行解調(diào)的方法是，將第2i路信號與基頻載波cosω₀t和2倍載波cos2ω₀t混頻，再依次通過低通濾波器濾波、微分交叉相乘、相減積分后，得到信號S_2i，；第2i-1路信號與基頻載波cosω₀t和2倍載波cos2ω₀t混頻，再依次通過低通濾波器濾波、微分交叉相乘、相減積分后，得到信號S_2i-1；將信號S_2i和信號S_2i-1進(jìn)行相減運(yùn)算，得到信號M_i；計(jì)算信號M_i的上下包絡(luò)，并對上下包絡(luò)進(jìn)行相減運(yùn)算，得到信號R_i；將信號S_2i-1與信號R_i相除，再經(jīng)過帶通濾波器得到信號O_i，O_i即為第i個傳感臂上的待測信號。

本實(shí)施例中，光源選用寬帶光源，功率選取為150mw。信號發(fā)生器產(chǎn)生的載波頻率選取為10000Hz，解調(diào)電路中信號采樣頻率選取為500KHz，待測信號選取為幅值為1，頻率為700Hz的正弦波，參考信號頻率為2000Hz，不引入光強(qiáng)擾動。根據(jù)圖5可以得出，傳統(tǒng)解調(diào)算法和本發(fā)明算法都可以使待測信號正確解調(diào)。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例具體結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，其中，光源選用寬帶光源，功率選取為150mw。信號發(fā)生器產(chǎn)生的載波頻率選取為10000Hz，解調(diào)電路中信號采樣頻率選取為500KHz，待測信號選取為幅值為1，頻率為700Hz的正弦波，參考信號頻率為2000Hz，引入50Hz的光強(qiáng)擾動。根據(jù)圖6可以得出，傳統(tǒng)解調(diào)算法解調(diào)失真，本發(fā)明算法都可以使待測信號正確解調(diào)。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例具體結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，其中，光源選用寬帶光源，功率選取為150mw。信號發(fā)生器產(chǎn)生的載波頻率選取為10000Hz，解調(diào)電路中信號采樣頻率選取為500KHz，待測信號選取為幅值為1，頻率為700Hz的正弦波，參考信號頻率為2000Hz，引入100Hz的光強(qiáng)擾動。根據(jù)圖7可以得出，傳統(tǒng)解調(diào)算法解調(diào)失真，本發(fā)明算法都可以使待測信號正確解調(diào)。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例具體結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，其中，光源選用寬帶光源，功率選取為150mw。信號發(fā)生器產(chǎn)生的載波頻率選取為10000Hz，解調(diào)電路中信號采樣頻率選取為500KHz，待測信號選取為幅值為1，頻率為500Hz的正弦波，參考信號頻率為2000Hz，引入50Hz的光強(qiáng)擾動。根據(jù)圖8可以得出，傳統(tǒng)解調(diào)算法解調(diào)失真，本發(fā)明算法都可以使待測信號正確解調(diào)。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例具體結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，其中，光源選用寬帶光源，功率選取為150mw。信號發(fā)生器產(chǎn)生的載波頻率選取為10000Hz，解調(diào)電路中信號采樣頻率選取為500KHz，待測信號選取為幅值為1，頻率為500Hz的正弦波，參考信號頻率為2000Hz，引入100Hz的光強(qiáng)擾動。根據(jù)圖9可以得出，傳統(tǒng)解調(diào)算法解調(diào)失真，本發(fā)明算法都可以使待測信號正確解調(diào)。

以上實(shí)施例中，光耦合器的型號為SC-1550-50/50-0；壓電陶瓷的型號為CZ25437-0030-0012；光電探測器的型號為KG-PIN-1G-A-FA。