一種光纖激光干涉型傳感器的移相解調(diào)法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光纖激光干涉型傳感器的移相解調(diào)法，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。該方法對(duì)干涉信號(hào)之間的相位差沒有特定的要求，解調(diào)儀制作完成后，可用于不同光程差的干涉儀，且通過原始信號(hào)之間的相互運(yùn)算去掉直流量的影響，徹底解決了光纖激光干涉型傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)所遇到的兩個(gè)問題。即，將三束不同波長(zhǎng)的光入射到光纖干涉型傳感器，獲得三路帶有相位差的信號(hào)，達(dá)到移相的目的；再對(duì)三路信號(hào)進(jìn)行處理，消除信號(hào)中直流分量a的影響，并獲取所求信號(hào)的正切值，此后，經(jīng)反正切運(yùn)算及相位解包裹，最終獲得所測(cè)信號(hào)。本發(fā)明能對(duì)任意光程差的干涉型光纖傳感器進(jìn)行解調(diào)，且屬于被動(dòng)解調(diào)法，其解調(diào)頻率高，僅受電信號(hào)處理速度的限制。
【專利說明】
一種光纖激光干涉型傳感器的移相解調(diào)法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖激光干涉型傳感器的移相解調(diào)法，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光干涉解調(diào)技術(shù)可對(duì)Michel son、Mach_Zehnder、Fabry-Perot及外腔式 Fabry-Perot(EFPI)等干涉儀進(jìn)行解調(diào)。用來解調(diào)這些干涉儀動(dòng)態(tài)信號(hào)常用的解調(diào)方案有相位載 波(PGC)法、基于3X3光纖耦合器的零差解調(diào)法、正交工作點(diǎn)直接測(cè)量法、無源零差正交解 調(diào)法等。
[0003] 目前所知對(duì)光纖激光干涉型傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)(振動(dòng)、聲等)進(jìn)行解調(diào)的比較好 的方案是無源零差正交解調(diào)方案，它不受線性區(qū)間范圍限制，不包含有源器件，測(cè)量頻率 高，適用范圍廣，通用性好，靈敏度高。以EFPI傳感器為例，這一方法包括雙F-P腔正交測(cè)量 法[K.A.Murphy et al，Quadrature phase-shifted,extrinsic Fabry-Perotoptical fiber sensors，0ptics Letters, 1991,16(4):273-275]及雙波長(zhǎng)正交測(cè)量法 [O.B.Wright,Stabilized dual-wavelength fiber-optic interferometer for vibration measurement，Optics Letter ,1991，16(1): 56-58]，在獲得兩個(gè)正交的信號(hào)后， 利用DCM(differential cross multipier)算法或反正切算法最終獲得所測(cè)信號(hào)。不過，利 用雙F-P腔來獲取兩路正交信號(hào)的方法在實(shí)踐中制作傳感器上有較大困難，而雙波長(zhǎng)正交 測(cè)量法則更容易實(shí)現(xiàn)，因而雙波長(zhǎng)正交測(cè)量得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004]經(jīng)過多年的發(fā)展，無源零差正交解調(diào)法日臻成熟，但由于其對(duì)兩個(gè)信號(hào)的正交的 依賴，其使用一直受到兩方面的限制：
[0005] (1)對(duì)于EFPI傳感器而言，為了獲取兩路正交信號(hào)，無論是用雙F-P腔來獲取正交 信號(hào)，還是雙波長(zhǎng)單F-P腔來獲取正交信號(hào)，都要求腔長(zhǎng)與輸入激光的波長(zhǎng)嚴(yán)格匹配，以保 證兩路干涉信號(hào)正交。因此，一旦解調(diào)儀制造完成，EFPI傳感器的通用性及制作都有較大的 困難。對(duì)于其他類型的光纖激光干涉型傳感器而言，嚴(yán)格控制其光程差(oro)也是困難的。 [0006] (2)無論是DCM算法或反正切算法，都需要在解調(diào)過程的一開始就設(shè)法去掉原始信 號(hào)中的直流量。經(jīng)常采用的方法有兩種，其一就是用高通濾波器來去除直流量 [O.B.Wright,Stabilized dual-wavelength fiber-optic interferometer for vibration measurement，Optics Letter，1991，16( 1)，56-58]，但這種方法只有在振幅較 大的情況下才適用，一旦相位調(diào)制幅度小于231，該方法將無法正確解調(diào)；另外一種方法就是 在使用解調(diào)儀之前測(cè)得直流量，然后做為預(yù)置參數(shù)輸入到解調(diào)程序中，這種方法顯然在實(shí) 際使用中有諸多不便，每換一次傳感器都需要重新校準(zhǔn)，且有些情況下無法獲得準(zhǔn)確的直 流量。
[0007]在2010年，我們提出了一種無源零差正交解調(diào)的相位補(bǔ)償方法[江毅，郭桂榮.一 種無源零差正交解調(diào)技術(shù)的相位補(bǔ)償方法：中國(guó)專利，CN101713685A. 2010-05-26]，對(duì)原始 的兩路干涉信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，然后補(bǔ)償兩路干涉信號(hào)偏離90°的相位差，雖然部分克服 了上述第一個(gè)傳感器的制作及通用性受限的問題，但其在相位調(diào)制幅度小于2π時(shí)失效，仍 然沒有徹底解決上述兩個(gè)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有正交解調(diào)法的缺陷，提供一種光纖激光干涉型傳感 器的移相解調(diào)法。該方法對(duì)干涉信號(hào)之間的相位差沒有特定的要求，解調(diào)儀制作完成后，可 用于不同光程差的干涉儀，且通過原始信號(hào)之間的相互運(yùn)算去掉直流量的影響，徹底解決 了光纖激光干涉型傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)所遇到的上述兩個(gè)問題。
[0009] 為達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方案如下。
[0010] -種光纖激光干涉型傳感器的移相解調(diào)法，具體步驟如下：
[0011] 步驟一、在使用光纖干涉型傳感器對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將三束不同波長(zhǎng)的激 光通過波分復(fù)用器(WDM)或3X3耦合器合束后入射到光纖干涉型傳感器中，干涉型傳感器 反射光通過一個(gè)2 X 2耦合器返回，再通過WDM分解為三路帶有相位差的信號(hào)。三路帶有相位 差的信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換成為三路電信號(hào)，三路電信號(hào)表不為：/l = ? + hc〇S(妒+ 4)、 =?+/?cos(p + i\)、./; =? + /?cos〇 + 4)，其中a為直流分量，b為干涉條紋的對(duì)比 度，為所測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)，心、&、如分別為信號(hào)fhfhfs與信號(hào)fi之間的相位差，其大小與激光 器的波長(zhǎng)λι、λ2、λ3及干涉型傳感器的光程差0PD有關(guān)，表不為：
。由此，達(dá)到了移相的目的。
[0012] 步驟二、對(duì)步驟一中的三路信號(hào)進(jìn)行處理，消除信號(hào)中直流分量a的影響，并獲取 所求信號(hào)的正切值：
[0014]
，式中，B = cos3i_cos53、 C = sin3i-sin33、D = 2cos32-cos3i-cos33、E = 2sin32-sin3i-sin53,在相位差 δι、δ2 和δ3-定 時(shí)，Β、C、D、Ε都為已知常量。對(duì)ρ進(jìn)行反正切運(yùn)算，反正切運(yùn)算得到的值在(-V2，V2)范 圍內(nèi)，因此需對(duì)反正切后的結(jié)果進(jìn)行相位解包裹，才能得到完整的信號(hào)
[0015] 步驟二所述得到信號(hào)P的方法為:對(duì)ta叫的分子(B-AD)和分母(C- AE)進(jìn)行DCM解調(diào) 亦可得到正確的信號(hào)，。
[0016] 有益效果
[0017] 本發(fā)明的一種光纖激光干涉型傳感器的移相解調(diào)法，成功避免了原始信號(hào)中的直 流分量對(duì)測(cè)量的干擾以及原始信號(hào)不正交帶來的解調(diào)誤差。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明測(cè)量精度 高、方法簡(jiǎn)潔，適用范圍廣，對(duì)干涉儀的光程差oro無具體要求，且無論信號(hào)的相位調(diào)制幅度 的大小，都可以正確解調(diào)信號(hào)，實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0018] 圖1為測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
[0019] 圖2為應(yīng)用本方法解調(diào)腔長(zhǎng)為622μπι的EFPI傳感器加載10Hz正弦波的情況(采樣頻 率為lOOKHz) :a圖為二路原始彳目號(hào)，實(shí)線、粗虛線、細(xì)虛線分別為彳目號(hào)fi、f2、f3，橫坐標(biāo)為米 樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)單位為伏;b圖、c圖和d圖分別為信號(hào)f#Pf 2、信號(hào)f#Pf3以及信號(hào)f#Pf3之間 的李薩茹圖；e圖為解調(diào)后的信號(hào)（峰峰值1005.3nm)，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)單位為納 米;f圖為解調(diào)后信號(hào)的頻譜圖，峰值為10Hz。
[0020] 圖3為應(yīng)用本方法解調(diào)腔長(zhǎng)為350μπι的EFPI傳感器加載1000Hz正弦波的情況(采樣 頻率為100ΚΗz)，此時(shí)彳目號(hào)的相位調(diào)制幅度不足2π:a圖為二路原始彳目號(hào)，實(shí)線、粗虛線、細(xì)虛 線分別為信號(hào)&4 2、&，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)單位為伏;13圖、(3圖和(1圖分別為信號(hào)心 和f 2、信號(hào)f#Pf3以及信號(hào)fjPf3之間的李薩茹圖；e圖為解調(diào)后的信號(hào)(峰峰值115.6nm)，橫 坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)單位為納米;f圖為解調(diào)后信號(hào)的頻譜圖，峰值為1000Hz。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合說明書附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0022] 實(shí)施例1
[0023] 將10Hz的正弦波加載到腔長(zhǎng)為622um的EFPI傳感器上，再使用本發(fā)明來解調(diào)EFPI 傳感器的動(dòng)態(tài)信號(hào)。
[0024] 步驟一、將三路不同波長(zhǎng)的激光通過WDM入射到傳感器中，將返回的光通過WDM分 解為三路帶有相位差的信號(hào)，三路帶有相位差的信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換成為三路電信號(hào)，三路 電信號(hào)表不為：,/i ^ a+b cos(^ + Si a+h cos(^ + S2) , f3-a + h cos(^ + ), 其中a為直流分量，b為干涉條紋的對(duì)比度，為所測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)，分別為信號(hào) 與信號(hào)fi之間的相位差，其大小與激光器的波長(zhǎng)λι、λ2、λ3及干涉型傳感器的光程差〇PD有 關(guān)，對(duì)于EFPI傳感器來說，0PD = 2d(d為EFPI腔的腔長(zhǎng)），于是有：δ1 = 〇、
[0025]將這三路原始信號(hào)采集進(jìn)入解調(diào)儀中進(jìn)行處理(本實(shí)例中采樣頻率為100ΚΗz)，如 圖2(a)所示。圖2(b)、（c)、（d)分別為信號(hào)匕5 443及&4之間的李薩茹圖，可以看出信 號(hào)間相位差并不是90度，相位關(guān)系隨EFPI腔長(zhǎng)的變化而變化。
[0026]步驟二、對(duì)步驟一中的三路信號(hào)進(jìn)行處理，消除信號(hào)中直流分量a的影響，并獲取 所求信號(hào)的正切值：
[0028] 因?yàn)?δι、δ〗、δ3已求得，則有 B = cos3i-cos33、C = sin3i-sin33、D = 2cos32-cos5i-cos 4 = 都為已知常量。進(jìn)而可知：
，進(jìn)行恒等變 換后，有：
[0029] 對(duì)^皿@進(jìn)行反正切運(yùn)算，反正切運(yùn)算得到的值在(-π/2，π/2)范圍內(nèi)，因此需對(duì)反 正切后的結(jié)果進(jìn)行相位解包裹，最終解調(diào)出了所測(cè)信號(hào)Ρ，并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換獲得其頻 譜圖，解調(diào)出信號(hào)的峰峰值為l〇〇5.3nm，頻率為10Hz，圖2(e)、（f)即為解調(diào)后的信號(hào)及其頻 譜圖。
[0030] 實(shí)施例2
[0031] 將1000Hz的正弦波加載到腔長(zhǎng)為350um的EFPI傳感器上，用實(shí)施例1中的同一臺(tái)解 調(diào)儀來解調(diào)信號(hào)。
[0032] 步驟一、將三路不同波長(zhǎng)的激光通過WDM入射到傳感器中，將返回的光通過WDM分 解為三路帶有相位差的信號(hào)，三路帶有相位差的信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換成為三路電信號(hào)，三路 電信號(hào)表示為：./; =? + 6c〇S(妒+ 4)、.,2 、/3 =a + Acosi妒+ 4)， 其中a為直流分量，b為干涉條紋的對(duì)比度，為所測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)，分別為信號(hào) 與信號(hào)fi之間的相位差，其大小與激光器的波長(zhǎng)λι、λ2、λ3及干涉型傳感器的光程差0PD有 關(guān)，對(duì)于EFPI傳感器來說，0PD = 2d(d為EFPI腔的腔長(zhǎng)），于是有：δ1 = 〇、
[0033]將這三路原始信號(hào)采集進(jìn)入解調(diào)儀中進(jìn)行處理(本實(shí)例中采樣頻率為100ΚΗz)，如 圖3(a)所示。圖3(b)、（c)、（d)分別為信號(hào)匕5 443及&4之間的李薩茹圖，可以很明顯 看出，此時(shí)信號(hào)的振幅較小，相位調(diào)制幅度不足231。
[0034]步驟二、對(duì)步驟一中的三路信號(hào)進(jìn)行處理，消除信號(hào)中直流分量a的影響，并獲取 所求信號(hào)的正切值
[0036] 因?yàn)?δι、δ〗、δ3已求得，則有 B = cos3i-cos33、C = sin3i-sin33、D = 2cos32-cos5i-cos 4 = 都為已知常量。于是有：
進(jìn)行恒等變換 后：
[0037] 對(duì)Unp進(jìn)行反正切運(yùn)算，反正切運(yùn)算得到的值在(-ji/2，V2)范圍內(nèi)，因此需對(duì)反 正切后的結(jié)果進(jìn)行相位解包裹，最終解調(diào)出了所測(cè)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換獲得其頻 譜圖，解調(diào)出信號(hào)的峰峰值為115.6nm，頻率為ΙΚΗζ，圖3(e)、（f)即為解調(diào)后的信號(hào)及其頻 譜圖?？梢钥闯觯辔徽{(diào)制幅度不足2π的小振幅信號(hào)通過本發(fā)明提出的方案仍然能夠準(zhǔn)確 解調(diào)出信號(hào)。
[0038]由這兩個(gè)實(shí)例可以看出，本發(fā)明涉及的解調(diào)方法可適用于任意腔長(zhǎng)的EFPI傳感 器，可以適應(yīng)不同振幅的情況，不管相位調(diào)制幅度是否達(dá)到231。對(duì)于其他類型的光纖干涉型 傳感器，本發(fā)明對(duì)其光程差及相位調(diào)制幅度是否達(dá)到231均無要求，都可以準(zhǔn)確解調(diào)出所測(cè) 動(dòng)態(tài)信號(hào)。成功解決了現(xiàn)有光纖激光干涉型傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的解調(diào)方案所遇到的兩個(gè) 問題，精度高，方法簡(jiǎn)潔，適用范圍廣，實(shí)用性強(qiáng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖激光干涉型傳感器的移相解調(diào)法，其特征在于:具體步驟如下： 步驟一、在使用光纖干涉型傳感器對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將三束不同波長(zhǎng)的激光通 過波分復(fù)用器(WDM)或3X3耦合器合束后入射到光纖干涉型傳感器中，干涉型傳感器反射 光通過一個(gè)2 X 2耦合器返回，再通過WDM分解為三路帶有相位差的信號(hào);三路帶有相位差的 信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換成為三路電信號(hào)，三路電信號(hào)表示為： _ ._ ，其中a為直流 分量，b為干涉條紋的對(duì)比度，為所測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)，分別為信號(hào)與信號(hào)h之間 的相位差，其大小與激光器的波長(zhǎng)λι、λ2、λ3及干涉型傳感器的光程差〇F>D有關(guān)，表不為：δχ = 〇由此，達(dá)到了移相的目的； 步驟二、對(duì)步驟一中的三路信號(hào)進(jìn)行處理，消除信號(hào)中直流分量a的影響，并獲取所求 信號(hào)的正切值：,B - C Vm m β - AD 經(jīng)恒等變換有，i _= τζ一7Γ. ，由此可得，tan# = ----了;式中，= = D -1 tan φ C - At 8；[1131-8；[1133、0 = 2(3〇832-(3〇831-。〇833、￡ = 28；[1132-8；[1131-8；[1133，在相位差31、52和53 - 定時(shí)， B、C、D、E都為已知常量;對(duì)Uin供進(jìn)行反正切運(yùn)算，反正切運(yùn)算得到的值在（-jt/2,31/2)范圍 內(nèi)，因此需對(duì)反正切后的結(jié)果進(jìn)行相位解包裹，才能得到完整的信號(hào)史。2. 如權(quán)利要求1所述的一種光纖激光干涉型傳感器的移相解調(diào)法，其特征在于:步驟二 所述得到信號(hào)鏟的方法為:對(duì)Μ爐的分子(B-AD)和分母(C-AE)進(jìn)行DCM解調(diào)亦可得到正確 的信號(hào)供。
【文檔編號(hào)】G01D5/353GK105865500SQ201610404818
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】江毅, 賈景善, 姜瀾, 付雷, 鄒正峰
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)