本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于鈮酸鋰相位調(diào)制器的相位生成載波解調(diào)裝置。

背景技術(shù)：

相位生成載波(PGC)解調(diào)技術(shù)具有解調(diào)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高、線性度好、測(cè)相精度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前光纖傳感相位干涉領(lǐng)域工程上較為實(shí)用的信號(hào)解調(diào)方法。PGC解調(diào)就是在干涉相差中產(chǎn)生一個(gè)解調(diào)信號(hào)帶寬外的大幅度的確定的周期信號(hào)，以克服由于環(huán)境中諸如振動(dòng)、溫度等帶來(lái)的低頻慢漂信號(hào)所致的信號(hào)衰落；其始終保持傳感器高靈敏度，通頻帶靈敏度一致性好等優(yōu)點(diǎn)。PGC解調(diào)技術(shù)需要對(duì)干涉儀輸出信號(hào)相位進(jìn)行調(diào)制，通常的調(diào)制方法是在兩臂等長(zhǎng)的干涉儀的一臂用數(shù)匝光纖纏繞壓電陶瓷(PZT)元件，把載波信號(hào)加到PZT上，利用其在載波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的電致伸縮效應(yīng)，引起干涉儀一臂光纖長(zhǎng)度、折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致最后輸出光波相位隨載波信號(hào)有規(guī)律地變化，從而實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。然而PZT元件尺寸較大，纏繞光纖的制作工藝十分復(fù)雜，且采用PZT構(gòu)造的干涉儀穩(wěn)定性不高，不利于解調(diào)系統(tǒng)的模塊化和集成化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，而提供一種基于鈮酸鋰相位調(diào)制器的相位生成載波解調(diào)裝置，可以對(duì)需要探測(cè)聲音、溫度、應(yīng)變等參數(shù)的光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)提高系統(tǒng)的集成度和模塊化水平。

本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是：本實(shí)用新型提供一種基于鈮酸鋰相位調(diào)制器的相位生成載波解調(diào)裝置，其特殊之處在于：該裝置包括光纖傳感器探頭、第一3dB耦合器、鈮酸鋰相位調(diào)制器、第二3dB耦合器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，光纖傳感器探頭接入第一3dB耦合器，第一3dB耦合器將光信號(hào)分為兩路，一路通過鈮酸鋰相位調(diào)制器接入第二3dB耦合器，另一路直接接入第二3dB耦合器，第二3dB耦合器與數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相連。

上述鈮酸鋰相位調(diào)制器外接信號(hào)發(fā)生器。

上述鈮酸鋰相位調(diào)制器通過兩根BNC線外接信號(hào)發(fā)生器。

上述光纖傳感器探頭通過傳輸光纖接入第一3dB耦合器。

上述數(shù)據(jù)采集卡通過PCI總線與計(jì)算機(jī)相連。

一種基于上述的鈮酸鋰相位調(diào)制器的相位生成載波解調(diào)裝置的解調(diào)方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

1)由光纖傳感器探頭傳回的攜帶聲音信息的光信號(hào)進(jìn)入第一3dB耦合器后將被分為兩路，一路進(jìn)入鈮酸鋰相位調(diào)制器，一路繼續(xù)在光纖中傳輸；

2)上述兩路光在第二3dB耦合器合束，并發(fā)生干涉，形成了一個(gè)邁克爾遜光纖干涉儀；信號(hào)發(fā)生器發(fā)出余弦波，鈮酸鋰調(diào)制器所夾的調(diào)制電壓V以余弦波形式變化，導(dǎo)致鈮酸鋰調(diào)制器中折射率隨著載波頻率的變化而變化，繼而引起晶體中傳輸光波的額外相位變化，由鈮酸鋰調(diào)制器帶來(lái)的相位變化為：

其中，c為光速，G為鈮酸鋰調(diào)制器電極間隙寬度，Γ為重疊積分因子，V為外接信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制電壓，l為波導(dǎo)長(zhǎng)度，Δυ為由聲信號(hào)作用引起的激光頻率變化大??；干涉儀的輸出為：

其中，A為與光功率成正比的常數(shù)項(xiàng)，B為與光源功率和干涉儀可見度相關(guān)的系數(shù)，為噪聲相位。

3)輸出光功率為I的干涉光信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡上，數(shù)據(jù)采集卡記錄下輸出光功率為I；

4)數(shù)據(jù)采集卡將輸出光功率為I傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，通過PGC算法進(jìn)行解調(diào)，得到最終結(jié)果。

上述步驟2)中假設(shè)調(diào)制電壓V可以表示為：

V＝V_DC+V_m cos(ω_mt) (3)

其中V_DC為直流偏置電壓，ω_m為外接余弦波的頻率，則輸出光功率可以改寫為：

其中，是相位中直流項(xiàng)與噪聲項(xiàng)之和，是一個(gè)隨時(shí)間緩慢變化的量，

上述步驟4)中PGC算法的詳細(xì)步驟如下：

4.1)將干涉光進(jìn)行貝塞爾函數(shù)展開，得：

4.2)將干涉光信號(hào)一路乘以一倍頻Gcosω₀t，一路乘以二倍頻Hcos2ω₀t，得

4.3)將經(jīng)過乘法器的兩路信號(hào)分別進(jìn)行低通濾波，將所有含ω₀及其倍頻項(xiàng)均濾去，即

4.4)將經(jīng)過低通濾波器的兩路信號(hào)經(jīng)過微分，得

4.5)分別將(8)式與(11)式相乘，(9)式與(10)式相乘，得

4.6)將(13)式減去(12)式，得

4.7)對(duì)(14)式積分，得

4.8)對(duì)(15)式進(jìn)行高通濾波并消除系數(shù)GHB²J₁(C)J₂(C)，可將被測(cè)信號(hào)解調(diào)出來(lái)。

本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本實(shí)用新型采用的鈮酸鋰調(diào)制器，制作其的鈮酸鋰晶體具有較大的電光系數(shù)，對(duì)調(diào)制信號(hào)響應(yīng)延遲小，可以對(duì)激光的相位進(jìn)行高精度、大幅度的相位調(diào)制，提高解調(diào)效果。

2、本實(shí)用新型采用的鈮酸鋰調(diào)制器采用新型波導(dǎo)技術(shù)，有效降低了光傳輸長(zhǎng)度，可以在較短的長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)大范圍的相位調(diào)制；

3、本實(shí)用新型易于集成，使用方便：國(guó)內(nèi)外對(duì)于鈮酸鋰調(diào)制器的研究起步較早，商業(yè)產(chǎn)品豐富，且期間尺寸多控制在厘米級(jí)別，便于與其他器件集成。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實(shí)用新型方法中PGC算法的原理圖。

附圖標(biāo)號(hào)如下：

1-光纖傳感器探頭、2-傳輸光纖、3-第一3dB光纖耦合器、4-鈮酸鋰相位調(diào)制器、5-BNC線、6-信號(hào)發(fā)生器、7-第二3dB光纖耦合器、8-數(shù)據(jù)采集卡、9-PCI總線、10-計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述，在本實(shí)施例中模擬對(duì)帶有聲音信息的輸入光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的過程。

如圖1所示，本實(shí)用新型的裝置包括光纖傳感器探頭1、第一3dB耦合器3、鈮酸鋰相位調(diào)制器4、第二3dB耦合器7、數(shù)據(jù)采集卡8和計(jì)算機(jī)10，所述光纖傳感器探頭1接入第一3dB耦合器3，第一3dB耦合器3將光信號(hào)分為兩路，一路通過鈮酸鋰相位調(diào)制器4接入第二3dB耦合器7，另一路直接接入第二3dB耦合器7，第二3dB耦合器7與數(shù)據(jù)采集卡8相連，數(shù)據(jù)采集卡8與計(jì)算機(jī)10相連。鈮酸鋰相位調(diào)制器4外接信號(hào)發(fā)生器6。鈮酸鋰相位調(diào)制器4通過兩根BNC線5外接信號(hào)發(fā)生器6。光纖傳感器探頭1通過傳輸光纖2接入第一3dB耦合器。數(shù)據(jù)采集卡8通過PCI總線9與計(jì)算機(jī)10相連。

本實(shí)用新型的方法如下：

1)由光纖傳感器探頭1傳回的攜帶聲音信息的光信號(hào)進(jìn)入3dB耦合器2后將被分為兩路，一路進(jìn)入鈮酸鋰相位調(diào)制器，一路繼續(xù)在光纖中傳輸。

2)兩路光在3dB耦合器6合束，并發(fā)生干涉，形成了一個(gè)邁克爾遜光纖干涉儀；鈮酸鋰相位調(diào)制器采用兩根BNC線4外接信號(hào)發(fā)生器5，信號(hào)發(fā)生器5發(fā)出載波頻率為30kHz的余弦波，鈮酸鋰調(diào)制器所夾的調(diào)制電壓V以30kHz的余弦波形式變化，導(dǎo)致鈮酸鋰調(diào)制器中折射率隨著載波頻率的變化而變化，繼而引起晶體中傳輸光波的額外相位變化，由鈮酸鋰調(diào)制器帶來(lái)的相位變化為：

其中，c為光速，G為鈮酸鋰調(diào)制器電極間隙寬度，Γ為重疊積分因子，V為外接信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制電壓，l為波導(dǎo)長(zhǎng)度，Δυ為由聲信號(hào)作用引起的激光頻率變化大??；干涉儀的輸出為：

其中，A為與光功率成正比的常數(shù)項(xiàng)，B為與光源功率和干涉儀可見度相關(guān)的系數(shù)，為噪聲相位；

假設(shè)調(diào)制電壓V可以表示為：

V＝V_DC+V_m cos(ω_mt) (3)

其中V_DC為直流偏置電壓，ω_m為外接余弦波的頻率，則輸出光功率可以改寫為：

其中，是相位中直流項(xiàng)與噪聲項(xiàng)之和，是一個(gè)隨時(shí)間緩慢變化的量，

3)3dB耦合器6通過光纖與帶有光電探測(cè)器的數(shù)據(jù)采集卡7相連，輸出光功率為I的干涉光信號(hào)通過光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡7上，數(shù)據(jù)采集卡7記錄下輸出光功率I；

4)數(shù)據(jù)采集卡7通過PCI總線8與計(jì)算機(jī)9相連，數(shù)據(jù)采集卡7將光強(qiáng)信息輸出光功率I通過PCI總線8傳輸?shù)接?jì)算機(jī)9上，通過PGC算法進(jìn)行解調(diào)，得到最終結(jié)果。

參見圖2，PGC算法的詳細(xì)步驟如下：

1)將干涉光進(jìn)行貝塞爾函數(shù)展開，得：

2)將干涉光信號(hào)一路乘以一倍頻Gcosω₀t，一路乘以二倍頻Hcos2ω₀t，可得到

3)將經(jīng)過乘法器的兩路信號(hào)分別進(jìn)行低通濾波，將所有含ω₀及其倍頻項(xiàng)均濾去，即

4)將經(jīng)過低通濾波器的兩路信號(hào)經(jīng)過微分，得

5)分別將(8)式與(11)式相乘，(9)式與(10)式相乘，得

6)將(13)式減去(12)式，得

7)對(duì)(14)式積分，得

8)對(duì)(15)式進(jìn)行高通濾波并消除系數(shù)GHB²J₁(C)J₂(C)，可將被測(cè)信號(hào)解調(diào)出來(lái)。