CN101498590B - 干涉型光纤传感器及其控制工作点的数字闭环方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干涉型光纤传感器及其控制工作点的数字闭环方法，首先在干涉仪的两束干涉光波之间引入方波相位调制信号，使干涉仪的输出信号由余弦响应变为方波误差信号；然后采用数字相关检测技术对方波误差信号进行解调，获得低频相位漂移的大小；之后由解调出的低频相位漂移产生补偿相移，并将该补偿相移反馈回光路中，用于抵消所述低频相位漂移，该过程反复多次，使干涉仪稳定在正交工作点。补偿了环境扰动产生的低频相位漂移，稳定了干涉仪的正交工作点，使系统始终工作在最灵敏的区域，提高了系统的稳定性。

Description

干涉型光纤传感器及其控制工作点的数字闭环方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器及有源零差检测技术，尤其涉及一种干涉型光纤传感器及其控制工作点的数字闭环方法。

背景技术

光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘特性好、抗电磁干扰、动态范围大、检测频带宽、体积小、重量轻等优势，在国防及民用各工业生产等方面具有广阔的应用前景，因而日益受到人们的重视。干涉型光纤传感器是光纤传感器的一个重要研究方向，具有灵敏度高、便于复用、易于组网成阵、实现远程遥感和监测等特点，广泛应用于声波、磁场、温度等物理量的测量。

但是，干涉型光纤传感器易受温漂、机械抖动、压力波动等环境因素的影响而发生随机相位漂移，使干涉仪输出信号出现随机涨落，导致系统探测灵敏度降低，即所谓的相位衰落现象。低频环境扰动引起的相位衰落是影响干涉型光纤传感器长期稳定性的一个重要因素，因此，抗相位衰落技术是干涉型光纤传感器的关键技术之一。

首先，分析一下随机相位漂移导致信号衰落产生的物理机制：

干涉型光纤传感器包括Mach-Zehnder型、Michelson型和Sagnec型光纤传感器，相位衰落现象主要存在于基于Mach-Zehnder干涉仪或Michelson干涉仪的光纤传感器中，无论是Mach-Zehnder型还是Michelson型光纤传感器，干涉仪输出信号都可以用下式表示：

式中，A、B为正比于输入光功率的常数，B＝vA(0≤v≤1，为干涉信号的条纹对比度)；

为干涉仪两臂总的相位差；

为干涉仪两臂的初始相位差；

为温漂、机械扰动等环境干扰引入的随机相位漂移，一般为低频大信号；

为待测的传感信号产生的相移，一般为高频小信号。

有：

当

(n为整数)时，系统工作在最灵敏的区域，称为干涉仪的正交工作点；由于缓变的相位漂移

的存在，系统会偏离最灵敏的区域，当

(n为整数)时，与待测信号有关的项

为零，系统工作在最不灵敏的区域，信号完全消隐；这种干涉仪输出信号随着环境扰动引入相移

的漂移而随机涨落的现象即相位衰落。

现有技术中，采用的抗相位衰落信号检测方案有多种，如3×3耦合器多相检测技术、相位载波调制解调技术等无源零差检测技术，以及利用PZT相位调制器作为反馈单元的有源零差检测技术、外差检测法、合成外差检测法等。其中相位载波调制解调技术及利用PZT相位调制器作为反馈单元的有源零差检测技术应用广泛。

传统的有源零差闭环检测技术至少存在以下缺点：

传统的相位跟踪反馈环节中积分器易受环境因素影响而积分饱和，使系统工作点发生漂移，甚至较容易造成系统失锁，并且需要判断干涉仪工作点处于π/2还是3π/2。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以消除干涉仪中由于环境扰动引入的随机相位漂移，使系统工作稳定的干涉型光纤传感器及其控制工作点的数字闭环方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的干涉型光纤传感器控制工作点的数字闭环方法，所述干涉型光纤传感器包括干涉仪，包括步骤：

首先，在所述干涉仪的两束干涉光波之间引入方波相位调制信号，使所述干涉仪的输出信号由余弦响应变为方波误差信号；

然后，采用数字相关检测技术对所述方波误差信号进行解调，获得低频相位漂移的大小；

之后，由所述低频相位漂移产生补偿相移，并将该补偿相移反馈回光路中，用于抵消所述低频相位漂移，该过程反复多次，使所述干涉仪稳定在正交工作点。

本发明的干涉型光纤传感器，包括干涉仪，包括数字相关调制模块、数字相关解调模块、闭环反馈模块；

所述数字相关调制模块用于在所述干涉仪的两束干涉光波之间引入方波相位调制信号，使所述干涉仪的输出信号由余弦响应变为方波误差信号；

所述数字相关解调模块包括低频相位漂移解调单元，所述低频相位漂移解调单元采用数字相关检测技术对所述方波误差信号进行解调，获得低频相位漂移的大小；

所述闭环反馈模块用于由所述低频相位漂移产生补偿相移，并将该补偿相移反馈回光路中，用于抵消所述低频相位漂移，该过程反复多次，使干涉仪稳定在正交工作点。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的干涉型光纤传感器及其控制工作点的数字闭环方法，由于首先在干涉仪的两束干涉光波之间引入方波相位调制信号，使干涉仪的输出信号由余弦响应变为方波误差信号；然后采用数字相关检测技术对方波误差信号进行解调，获得低频相位漂移的大小；之后由低频相位漂移产生补偿相移，并将该补偿相移反馈回光路中，用于抵消所述低频相位漂移，该过程反复多次，使干涉仪稳定在正交工作点。可以消除干涉仪中由于环境扰动及偏振衰落引入的随机相位漂移，使系统工作稳定。

附图说明

图1为本发明中方波调制示意图；

图2为本发明中噪声相位漂移的相关解调示意图；

图3为本发明中闭环反馈示意图；

图4为本发明中数字闭环控制干涉型光纤传感器工作点的原理框图；

图5为本发明中控制时序产生流程示意图。

具体实施方式

本发明的干涉型光纤传感器控制工作点的数字闭环方法，其较佳的具体实施方式是，干涉型光纤传感器包括干涉仪，具体包括步骤：

首先，在所述干涉仪的两束干涉光波之间引入方波相位调制信号，使所述干涉仪的输出信号由余弦响应变为方波误差信号；

然后，采用数字相关检测技术对所述方波误差信号进行解调，获得低频相位漂移的大小；

之后，由所述低频相位漂移产生补偿相移，并将该补偿相移反馈回光路中，用于抵消所述低频相位漂移，该过程反复多次，使干涉仪稳定在正交工作点。

所述干涉仪为Mach-Zehnder干涉仪或Michelson干涉仪；

当所述干涉仪为Mach-Zehnder干涉仪时，所述方波相位调制信号的幅值为

当所述干涉仪为Michelson干涉仪时，所述方波相位调制信号的幅值为

当所述干涉仪稳定在正交工作点时，采用数字相关检测技术对所述干涉仪输出的方波误差信号进行信号解调，获得待测信号。

本发明的干涉型光纤传感器，其较佳的具体实施方式是，包括干涉仪，还包括数字相关调制模块、数字相关解调模块、闭环反馈模块；

所述数字相关调制模块用于在所述干涉仪的两束干涉光波之间引入方波相位调制信号，使所述干涉仪的输出信号由余弦响应变为方波误差信号；

所述数字相关解调模块包括低频相位漂移解调单元，所述低频相位漂移解调单元采用数字相关检测技术对所述方波误差信号进行解调，获得低频相位漂移的大小；

所述闭环反馈模块用于由所述低频相位漂移产生补偿相移，并将该补偿相移反馈回光路中，用于抵消所述低频相位漂移，该过程反复多次，使干涉仪稳定在正交工作点。

所述数字相关解调模块包括信号解调单元，用于当所述干涉仪稳定在正交工作点时，采用数字相关检测技术对所述干涉仪输出的方波误差信号进行信号解调，获得待测信号。

所述干涉仪连接有相位调制器，用于向所述干涉仪引入所述方波相位调制信号及反馈所述补偿相移。

包括控制时序产生模块，用于选择需要的A/D时钟为基准时钟，产生对所述数字相关调制模块、数字相关解调模块及闭环反馈模块的控制时序。

所述控制时序包括两部分，一部分为所述低频相位漂移的检测及所述补偿相移的反馈的控制时序；另一部分为所述待测信号的获得的控制时序。

所述低频相位漂移的检测及所述补偿相移的反馈的控制时序的产生流程为：

首先，由所述A/D基准时钟产生采样脉冲时序YRCC，所述YRCC产生所述低频相位漂移数字相关解调时的采样脉冲；

同时，所述A/D基准时钟经分频产生YAD1时钟，所述YAD1时钟得到D/A时钟，所述D/A时钟作为所述补偿相移作D/A转换、引入所述方波相位调制信号、进行所述低频相位漂移反馈的控制时钟；

在所述采样脉冲YRCC及基准时钟A/D的控制下，产生YYCC时钟，所述YYCC时钟的作用是控制所述低频相位漂移解调后的数据送入下一解调模块，完成对误差信号的累加并产生所述补偿相移；

在所述YYCC时钟及基准时钟A/D的控制下，产生YYRAC时钟，所述YYRAC时钟的作用为所述低频相位漂移数字相关解调中全加器的清零时钟信号。

所述待测信号的获得的控制时序的产生流程为：

首先，由所述A/D基准时钟产生采样脉冲时序YRCC；

由所述A/D基准时钟及采样脉冲时序YRCC共同产生所述待测信号数字相关解调时的采样脉冲SYRCC，同时经分频产生YAD2时钟；

所述YAD2时钟经分频产生调制方波SYFB，所述调制方波SYFB的作用是产生高频调制正弦波的同步信号；所述调制方波SYFB经延迟产生解调方波，所述解调方波的作用是在所述待测信号数字相关解调中作为参考信号；

在所述A/D基准时钟及采样脉冲时序YRCC的控制下，产生SYYRAC时钟，所述SYYRAC时钟作为所述待测信号数字相关解调中全加器的清零时钟信号。

本发明可以消除干涉仪中由于环境扰动引入的随机相位漂移，使系统稳定在最灵敏的区域，消除“相位衰落现象”。

具体的检测原理为：通过相位调制器在发生干涉的两束光波之间引入幅值为

的方波相位调制信号(如果是Michelson干涉仪，则方波幅值为)，由于随机相位漂移的存在，干涉仪输出信号由余弦响应变为方波信号，方波的幅值反映了干涉仪直流相位偏离正交工作点的大小；采用数字相关检测技术从干涉仪输出的方波误差信号中提取出低频相位漂移的大小；由系统的反馈装置产生补偿相移，通过相位调制器反馈回光路中，抵消低频相位漂移，使干涉仪重新稳定在正交工作点；对解调之后的方波误差信号，再进行一次数字相关检测即可获得待测高频信号。

数字闭环检测方案的实现解决了传统相位跟踪检测反馈环节中积分器饱和导致系统失锁的问题，消除了光源功率波动对误差信号的影响，扩大了系统对直流随机相位漂移的跟踪范围，提高系统的抗干扰能力和稳定性。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细的阐述：

本发明的干涉型光纤传感器控制工作点的数字闭环方法的具体实施例包括：

方波调制，如图1所示：

干涉型光纤传感器可以是Mach-Zehnder型、Michelson型和Sagnec型光纤传感器等，“相位衰落现象”主要存在于基于Mach-Zehnder和Michelson干涉仪的光纤传感器中，无论是Mach-Zehnder型还是Michelson型光纤传感器，干涉仪输出信号都可以用下式表示：

其中：

A、B为正比于输入光功率的常数；

B＝vA(0≤v≤1)，v为干涉信号的条纹对比度；

为干涉仪两臂总的相位差；

为干涉仪两臂的初始相位差；

为温漂、机械扰动等环境干扰引入的随机相位漂移，一般为低频大信号；

为待测的传感信号产生的相移，一般为高频小信号；

令

以光纤微弱磁场传感器为例，

ω为磁致伸缩换能器上所加高频调制信号频率，φ₁为与待测磁场成正比的系数。

经过方波调制后，干涉仪的输出信号为：

可见经过方波调制后，干涉仪输出信号由余弦响应变为方波信号，方波上叠加了由于待测高频信号产生的余弦纹波，方波的幅值反映了干涉仪直流相位偏离正交工作点的大小。

低频相位漂移解调，如图2所示：

式(2)(3)经过Bessel函数展开后可得：

$V({\mathrm{\φ}}_0,+\frac{\mathrm{\π}}{2})=A-B\sin \left({\mathrm{\φ}}_0\right)[\left(a\right)-\left(b\right)]-B\cos \left({\mathrm{\φ}}_0\right)[\left(c\right)+\left(d\right)]---\left(4\right)$

$V({\mathrm{\φ}}_0,-\frac{\mathrm{\π}}{2})=A+B\sin \left({\mathrm{\φ}}_0\right)[\left(a\right)-\left(b\right)]+B\cos \left({\mathrm{\φ}}_0\right)[\left(c\right)+\left(d\right)]---\left(5\right)$

$\left(a\right)=\left\{\begin{array}{c}[J_0\left({\mathrm{\φ}}_1\right)+2\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^m{J}_{2m}\left({\mathrm{\φ}}_1\right)\cos \left(2m\mathrm{\ωt}\right)]*\\ [J_0\left({\mathrm{\φ}}_2\right)+2\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^m{J}_{2m}\left({\mathrm{\φ}}_2\right)\cos (2m*2\mathrm{\ωt})]\end{array}\right\}$

$\left(b\right)=\left\{\begin{array}{c}\left[2\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^m{J}_{2m+1}\left({\mathrm{\φ}}_1\right)\cos \left((2m+1)\mathrm{\ωt}\right)\right]*\\ \left[2\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^m{J}_{2m+1}\left({\mathrm{\φ}}_2\right)\cos ((2m+1)*2\mathrm{\ωt})\right]\end{array}\right\}$

$\left(c\right)=\left\{\begin{array}{c}\left[2\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^m{J}_{2m+1}\left({\mathrm{\φ}}_1\right)\cos \left((2m+1)\mathrm{\ωt}\right)\right]*\\ [J_0\left({\mathrm{\φ}}_2\right)+2\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^m{J}_{2m}\left({\mathrm{\φ}}_2\right)\cos (2m*2\mathrm{\ωt})]\end{array}\right\}$

$\left(d\right)=\left\{\begin{array}{c}[J_0\left({\mathrm{\φ}}_1\right)+2\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^m{J}_{2m}\left({\mathrm{\φ}}_1\right)\cos \left(2m\mathrm{\ωt}\right)]*\\ \left[2\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^m{J}_{2m+1}\left({\mathrm{\φ}}_2\right)\cos ((2m+1)*2\mathrm{\ωt})\right]\end{array}\right\}$

由于φ₁，φ₂为小量，忽略三阶以上的Bessel项，(4)(5)式经低通滤波之后简化为：

$V({\mathrm{\φ}}_0,+\frac{\mathrm{\π}}{2})=A-B{J}_0\left({\mathrm{\φ}}_1\right)J_0\left({\mathrm{\φ}}_2\right)\sin \left({\mathrm{\φ}}_0\right)---\left(6\right)$

$V({\mathrm{\φ}}_0,-\frac{\mathrm{\π}}{2})=A+B{J}_0\left({\mathrm{\φ}}_1\right)J_0\left({\mathrm{\φ}}_2\right)\sin \left({\mathrm{\φ}}_0\right)---\left(7\right)$

(7)-(6)式可得：

$V({\mathrm{\φ}}_0,-\frac{\mathrm{\π}}{2})-V({\mathrm{\φ}}_0,+\frac{\mathrm{\π}}{2})=2B{J}_0\left({\mathrm{\φ}}_1\right)J_0\left({\mathrm{\φ}}_2\right)\sin \left({\mathrm{\φ}}_0\right)---\left(8\right)$

因此，调制之后干涉仪输出的方波误差信号正负半周期相减可完成低频相位漂移的解调。

本发明采用数字相关检测技术来实现低频相位漂移的解调，方波误差信号正负半周期信号相减可通过误差信号与一同频同相、幅值为±1的方波相乘得到。

闭环反馈，如图3所示：

图3中，φ_total＝φ₀+φ_FB+φ₁cosωt+φ₂cos2ωt

φ_out＝φ_FB+φ₁cosωt+φ₂cos2ωt

φ_FB为调制方波相位。

通过对方波调制之后的方波误差信号进行解调，可以获得与低频相位漂移大小相等，符号相反的量

通过相位调制器将

反馈回光路中，补偿环境扰动造成的直流相位漂移，实现闭环控制，达到稳定干涉仪正交工作点的目的。

实现闭环反馈后的干涉仪输出信号为：

通过对方波误差信号的数字相关解调，获得低频相位漂移的大小及补偿相移

并通过相位调制器反馈回光路中；此时，如果没有完全补偿相位漂移，干涉仪仍然偏离正交工作点，则误差信号

不为零，通过对误差信号的解调获得误差相位的数字量，并乘以合适的反馈系数，经D/A转换后由相位调制器反馈到光路中，如此循环下去，使干涉仪始终稳定在正交工作点。

信号提取，如图2所示：

经过一次相关解调且闭环稳定之后，干涉仪输出信号变为：

其中，φ₁＝2C_effH₀H_ω， ${\mathrm{\φ}}_2=\frac{C_{\mathrm{eff}}{H}_{\mathrm{\ω}}^2}{2},$

C_eff为有效磁致伸缩系数；

H₀为待测直流磁场；

H_ω为换能器上高频调制磁场；

因此，只要检测出基频分量cosωt的幅值即可获得待测磁场，调制磁场基频分量的幅值可通过对一次相关解调之后的输出信号再做一次相关解调得到，即取与换能器上高频调制正弦磁场信号同频同相，幅值为±1的方波信号作为相关解调的参考信号，将其与一次相关之后的输出信号相乘，低通滤波之后，可得到调制磁场基频分量的幅值，完成待测磁场的解调。

本发明的干涉型光纤传感器的具体实施例，以光纤微弱磁场传感器为例，对数字闭环控制干涉型光纤传感器工作点的实现过程进行描述：

如图4所示：

本方案中光纤微弱磁场传感器光路部分选择Michelson干涉仪，并采用全保偏光纤结构，避免偏振衰落的影响。包括光路模块、光电转换模块、前置放大模块、A/D模数转换模块、控制时序产生模块、数字相关解调模块、D/A数模转换模块组成。

光路模块的原理为：DFB半导体激光器发出的光波，经耦合器至相位调制器(Y波导)，变为线偏振光，线偏振光一分为二，分别进入干涉仪的信号臂和参考臂，信号臂中的光由于磁致伸缩换能器的作用产生附加相位差，经干涉仪末端的反射镜返回，信号相位加倍，信号臂中的光波与返回的参考臂光波在相位调制器处发生干涉，携带信号相位的干涉光经耦合器进入光电探测器PIN-FET，转化为电压信号。

为提高信噪比，光电探测器输出的信号经前置放大滤波模块调理之后，进入A/D模数转换模块，转化为数字信号。

控制时序的产生模块，流程图如图5所示，具体为：

选择合适的A/D时钟为基准时钟，控制时序主要包括两部分，一部分为造成干涉仪偏离正交工作点的低频相位漂移的检测及反馈部分，另一部分为高频待测磁场信号的提取部分。

第一部分控制时序产生流程为：在分频参数的控制下，首先由A/D基准时钟产生采样脉冲时序YRCC，YRCC的作用是低频相位漂移数字相关解调时的采样脉冲，该采样脉冲是为了避开方波调制后干涉仪输出信号的尖峰，消除其对解调结果的影响，同时基准时钟分频产生时钟YAD1；YAD1分频得到D/A时钟，D/A时钟的作用是反馈的低频相位漂移补偿相移作D/A转换时的控制时钟；D/A时钟经分频产生调制方波YFB，调制方波的作用是通过相位调制器在干涉仪两臂中引入的相移；调制方波YFB延迟得到解调方波YFD，调制方波的作用为噪声相位的数字相关解调中作为参考信号；在采样脉冲YRCC及基准时钟A/D的控制下，产生时钟YYCC，YYCC的作用是将相关解调后的数据送入下一解调模块，完成对误差信号的累加并产生补偿相移；在时钟YYCC及基准时钟A/D的控制下，产生时钟YYRAC，YYRAC的作用是数字相关解调中全加器的清零时钟信号。

第二部分控制时序的产生流程为：在分频参数的控制下，由基准时钟及噪声相位解调时的采样脉冲YYCC共同产生高频待测磁场信号数字相关解调时的采样脉冲SYRCC，同时经分频产生YAD2时钟；YAD2时钟经分频产生调制方波SYFB，调制方波的作用是产生高频调制正弦波的同步信号；调制方波SYFB经延迟产生解调方波SYFD，解调方波的作用是在高频待测磁场信号的相关解调中作为参考信号；在采样脉冲SYRCC及基准时钟YAD的控制下，产生时钟SYYRAC，SYYRAC的作用是数字相关解调中全加器的清零时钟信号。

数字相关解调模块：数字相关解调模块分两步执行，第一步是实现低频相位漂移的数字相关解调，产生反馈相移数字量；接着执行第二步，再做一次数字相关解调完成高频待测磁场信号的解调。具体如下：

第一步：在解调方波时钟YFD、采样脉冲YRCC、YYCC及全加器清零时钟YYRAC的控制下，完成第一次数字相关解调，如图2所示，在此调制方波的调制幅度为

经方波调制后干涉仪输出的方波误差信号，通过A/D转换器变为数字信号，进入数字相关检测模块。假设每个方波周期取2N个点，正负半周期各N个点，然后用正半周期的数据之和减去负半周期的数据之和，所得值即为相关检测的输出值。设正半周期数据之和为x₊，负半周期数据之和为x_-，则：

${\mathrm{Phase}}_{\mathrm{out}}=x_{+}-x_{-}$

$=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)-\underset{n=N+1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)$

$=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)+\underset{n=N+1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}(-1)*x\left(n\right)$

$=\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)h\left(n\right)$

当采样间隔趋于0时，上式变为：Phase_out＝∫x(t)h(t)，即输出信号是x(t)和h(t)的相关函数，h(t)是与x(t)同频同相，幅值为±1的方波信号。由此可知，每隔一个方波调制周期输出一个数据，积分时间为调制方波周期的整数倍。

第二步：在解调方波时钟YFD、SYFD、采样脉冲SYRCC、YYCC及全加器清零脉冲SYYRAC的共同作用下，完成第二次数字相关解调。

闭环反馈模块：在解调方波时钟YFD、采样脉冲YRCC、YYCC及全加器清零时钟YYRAC的控制下，完成第一次数字相关解调后，得到低频相位漂移大小的数字量D_out，乘以相应的反馈系数K_f得到反馈相移的数字量D_fb，经D/A转换之后，得到加在相位调制器上的反馈电压台阶的高度V_fb：

$V_{\mathrm{fb}}=\frac{V_{\mathrm{pp}}}{2^N}{D}_{\mathrm{fb}}---\left(12\right)$

其中V_pp为反馈电压台阶的最大值，N为D/A转换器的位数。

则通过相位调制器反馈回光路中的相位为：

其中，K为相位调制器的调制系数。

由于外界环境的连续变化(如温升等)，使得噪声相位可能会在一段时间内向一个方向变化，变化的范围可能会超过2π，反馈相移要想跟踪噪声相位的变化，则加在相位调制器上的反馈电压很可能会超过其能承受的工作电压。本方案中的闭环反馈环节利用数字逻辑和D/A转换器的自动溢出功能，使得反馈相移的取值范围为(-2π，2π)，由于干涉仪输出信号以2π为周期，因此这种方法不会对系统的检测精度产生影响。

本发明中的集成光学相位调制器(Y波导)可以用PZT相位调制器代替；数字信号处理单元包括控制时序的产生模块、数字相关解调模块、闭环反馈模块，可以通过FPGA或者基于数据采集卡的软件实现。

本发明采用方波调制解调提取干涉仪偏离正交工作点的误差信号，提高了跟踪灵敏度；采用两次数字相关检测技术，在解调干涉仪低频相位漂移的同时，解调出了待测高频信号，不需要额外的区分工作点的方法；

采用数字闭环反馈技术控制干涉仪的正交工作点，解决了传统相位跟踪检测反馈环节中积分器饱和导致系统失锁的问题，消除了光源功率波动对误差信号的影响，扩大了系统对直流随机相位漂移的跟踪范围，提高系统的检测灵敏度和稳定性。

补偿了环境扰动产生的低频相位漂移，稳定了干涉仪的正交工作点，使系统始终工作在最灵敏的区域，提高了系统的稳定性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种干涉型光纤传感器控制工作点的数字闭环方法，所述干涉型光纤传感器包括干涉仪，其特征在于，包括步骤：

首先，在所述干涉仪的两束干涉光波之间引入方波相位调制信号，使所述干涉仪的输出信号由余弦响应变为方波误差信号；

然后，采用数字相关检测技术对所述方波误差信号进行解调，获得低频相位漂移的大小；

之后，由所述低频相位漂移产生补偿相移，并将该补偿相移反馈回光路中，用于抵消所述低频相位漂移，该过程反复多次，使所述干涉仪稳定在正交工作点；

所述干涉仪为Mach-Zehnder干涉仪或Michelson干涉仪；

当所述干涉仪为Mach-Zehnder干涉仪时，所述方波相位调制信号的幅值为

当所述干涉仪为Michelson干涉仪时，所述方波相位调制信号的幅值为

2.根据权利要求1所述的干涉型光纤传感器控制工作点的数字闭环方法，其特征在于，当所述干涉仪稳定在正交工作点时，采用数字相关检测技术对所述干涉仪输出的方波误差信号进行信号解调，获得待测信号。

3.一种用于实现权利要求1或2所述的控制工作点的数字闭环方法的干涉型光纤传感器，其特征在于，包括数字相关调制模块、数字相关解调模块、闭环反馈模块；

所述数字相关调制模块用于在所述干涉仪的两束干涉光波之间引入方波相位调制信号，使所述干涉仪的输出信号由余弦响应变为方波误差信号；

所述数字相关解调模块包括低频相位漂移解调单元，所述低频相位漂移解调单元采用数字相关检测技术对所述方波误差信号进行解调，获得低频相位漂移的大小；

所述闭环反馈模块用于由所述低频相位漂移产生补偿相移，并将该补偿相移反馈回光路中，用于抵消所述低频相位漂移，该过程反复多次，使干涉仪稳定在正交工作点。

4.根据权利要求3所述的干涉型光纤传感器，其特征在于，所述数字相关解调模块包括信号解调单元，用于当所述干涉仪稳定在正交工作点时，采用数字相关检测技术对所述干涉仪输出的方波误差信号进行信号解调，获得待测信号。

5.根据权利要求4所述的干涉型光纤传感器，其特征在于，所述干涉仪连接有相位调制器，用于向所述干涉仪引入所述方波相位调制信号及反馈所述补偿相移。

6.根据权利要求5所述的干涉型光纤传感器，其特征在于，包括控制时序产生模块，用于选择需要的A/D时钟为基准时钟，产生对所述数字相关调制模块、数字相关解调模块及闭环反馈模块的控制时序。

7.根据权利要求6所述的干涉型光纤传感器，其特征在于，所述控制时序包括两部分，一部分为所述低频相位漂移的检测及所述补偿相移的反馈的控制时序；另一部分为所述待测信号的获得的控制时序。

8.根据权利要求7所述的干涉型光纤传感器，其特征在于，所述低频相位漂移的检测及所述补偿相移的反馈的控制时序的产生流程为：

首先，由所述A/D基准时钟产生采样脉冲时序YRCC，所述YRCC产生所述低频相位漂移数字相关解调时的采样脉冲；

同时，所述A/D基准时钟经分频产生YAD1时钟，所述YAD1时钟得到D/A时钟，所述D/A时钟的作用为所述补偿相移作D/A转换、引入所述方波相位调制信号、进行所述低频相位漂移反馈的控制时钟；

在所述采样脉冲时序YRCC及基准时钟A/D的控制下，产生YYCC时钟，所述YYCC时钟的作用是控制所述低频相位漂移解调后的数据送入下一解调模块，完成对误差信号的累加并产生所述补偿相移；

在所述YYCC时钟及基准时钟A/D的控制下，产生YYRAC时钟，所述YYRAC时钟的作用为所述低频相位漂移数字相关解调中全加器的清零时钟信号。

9.根据权利要求7所述的干涉型光纤传感器，其特征在于，所述待测信号的获得的控制时序的产生流程为：

首先，由所述A/D基准时钟产生采样脉冲时序YRCC；

由所述A/D基准时钟及采样脉冲时序YRCC共同产生所述待测信号数字相关解调时的采样脉冲SYRCC，同时经分频产生YAD2时钟；

所述YAD2时钟经分频产生调制方波SYFB，所述调制方波SYFB的作用是产生高频调制正弦波的同步信号；所述调制方波SYFB经延迟产生解调方波，所述解调方波的作用是在所述待测信号数字相关解调中作为参考信号；

在所述A/D基准时钟及采样脉冲时序YRCC的控制下，产生SYYRAC时钟，所述SYYRAC时钟作为所述待测信号数字相关解调中全加器的清零时钟信号。

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