CN101799610B - 外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置，其外差式相位干涉型光纤传感器的两个输出端分别与第一光电检测器和可调光纤延迟线连接；第一光电检测器、第一混频器、第一低通滤波器、第一微分器、第一乘法器依次连接；可调光纤延迟线、第二光电检测器、第二混频器、第二低通滤波器、第二微分器、第二乘法器依次连接；第一低通滤波器与第二乘法器连接，第二低通滤波器与第一乘法器连接；外差调制信号源分别与外差式相位干涉型光纤传感器的外差调制器、第一混频器、第二混频器连接；第一乘法器、第二乘法器分别与减法器连接；减法器、积分器、高通滤波器之间依次连接。本发明实现相位延迟可调，避免相位延迟的漂移。

Description

外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置。

背景技术

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，各类型传感器如光纤加速度传感器、光纤水听器、光纤陀螺等成为研究的热点。由于光纤传感器与其他传感器相比具有抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、探测距离远等独特优势，在传感技术方面有着巨大的应用潜力。

现在干涉型光纤传感器的信号解调技术主要包括零差解调法和外差解调法。在零差解调法中，基于PGC(相位生成载波)的方法是研究最多，使用最广泛的方法之一。PGC检测的原理是采用不平衡干涉仪，通过对光源频率进行高频调制，从而在干涉仪中引入检测信号带宽外某一频率的大幅度相位调制信号，使所检测信号成为这些大幅度载波的边带，分别用载波自身和二倍频的载波进行相关检测以及微分-交叉相乘的方式分离光纤干涉仪的交流传感信号和低频随机相位漂移，再通过高通滤波器得到稳定的传感信号输出。但是这种方法有两个缺陷，一是对光源调频的同时会有伴生调幅现象，导致解调信号失真；二是二倍频的载波是由载波自身相乘得到的，相位与自身不同步，也会带来解调的失真。

外差解调法不需要使用调制光源，通常在干涉仪参考臂中加入外差调制器，使参考臂产生频移，从而使两臂形成频差，这样干涉后就可以得到被光电探测器响应的外差信号。由光电探测输出的外差信号分成相同的两路，分别与外差调制信号及外差调制信号经移相电路后的信号混频，再经低通滤波、微分等解调电路进行传感信号的解调。外差解调法的优点是避免伴生调幅干扰，缺点是需要用精密的外差调制信号移相电路，相位一旦固定就不可随着外差调制信号的变化而调节，且存在固有的电子相位漂移以及噪声干扰严重等问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种相位延迟可调的外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置。

本发明提供的一种外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置，包括外差式相位干涉型光纤传感器、第一光电检测器、第一混频器、第一低通滤波器、第一微分器、第一乘法器、外差调制信号源、可调光纤延迟线、第二光电检测器、第二混频器、第二低通滤波器、第二微分器、第二乘法器、减法器、积分器和高通滤波器；所述外差式相位干涉型光纤传感器的一个输出端与第一光电检测器的输入端连接，第一光电检测器的输出端与第一混频器的一个输入端连接，第一混频器的另一个输入端与外差调制信号源连接，该外差调制信号源与外差式相位干涉型光纤传感器的外差调制器连接，第一混频器的输出端与第一低通滤波器的输入端连接，第一低通滤波器的输出端与第一微分器的输入端连接，第一微分器的输出端与第一乘法器的一个输入端连接；所述外差式相位干涉型光纤传感器的另一个输出端与可调光纤延迟线的输入端连接，可调光纤延迟线的输出端与第二光电检测器的输入端连接，第二光电检测器的输出端与第二混频器的一个输入端连接，第二混频器的另一个输入端与外差调制信号源连接，第二混频器的输出端与第二低通滤波器的输入端连接，第二低通滤波器的输出端与第二微分器的输入端连接，第二微分器的输出端与第二乘法器的一个输入端连接；所述第一乘法器的另一个输入端与第二低通滤波器的输出端连接；所述第二乘法器的另一个输入端与第一低通滤波器的输出端连接；所述减法器的两个输入端分别与第一乘法器的输出端和第二乘法器的输出端连接；所述减法器的输出端与积分器的输入端连接，所述积分器的输出端与高通滤波器的输入端连接。

与现有技术相比，本发明的一种外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置的有益效果如下：可调光纤延迟线通过控制信号改变输入光纤到输出光纤之间的光程差，实现第一光电检测器输出的电信号与第二光电检测器输出的电信号之间相位差的连续调节。通过调节可调光纤延迟线，使得第一光电检测器输出的电信号与第二光电检测器输出的电信号之间具有90°的相位差，得到输入解调电路的正交信号。通过可调光纤延迟线在光路上实现相位延迟，因而无需在解调电路中使用移相电路，既实现了相位延迟可调又降低了解调电路的复杂度，还避免了相位延迟随电气元件温度的改变而漂移；两路的正交输出信号与同一个调制信号混频，避免调制信号移相引起的相位不同步，降低了噪声，使得解调输出更准确，更稳定。

附图说明

图1为本发明一种外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置的原理图；

图2为被测传感信号的波形图；

图3(a)为第一光电检测器输出电信号波形图，

图3(b)为第二光电检测器输出电信号波形图；

图4为解调输出波形图。

具体实施方式

本发明提供一种外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置，以下结合附图进一步说明本发明：

如图1所示，本发明一种外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置包括外差式相位干涉型光纤传感器101、第一光电检测器103、第一混频器105、第一低通滤波器107、第一微分器109、第一乘法器111、外差调制信号源117、可调光纤延迟线102、第二光电检测器104、第二混频器106、第二低通滤波器108、第二微分器110、第二乘法器112、减法器113、积分器114和高通滤波器115；所述外差式相位干涉型光纤传感器101的一个输出端与第一光电检测器103的输入端连接，第一光电检测器103的输出端与第一混频器105的一个输入端连接，第一混频器105的另一个输入端与外差调制信号源117连接，该外差调制信号源117与外差式相位干涉型光纤传感器101的外差调制器116连接，第一混频器105的输出端与第一低通滤波器107的输入端连接，第一低通滤波器107的输出端与第一微分器109的输入端连接，第一微分器109的输出端与第一乘法器111的一个输入端连接；所述外差式相位干涉型光纤传感器101的另一个输出端与可调光纤延迟线102的输入端连接，可调光纤延迟线102的输出端与第二光电检测器104的输入端连接，第二光电检测器104的输出端与第二混频器106的一个输入端连接，第二混频器106的另一个输入端与外差调制信号源117连接，第二混频器106的输出端与第二低通滤波器108的输入端连接，第二低通滤波器108的输出端与第二微分器110的输入端连接，第二微分器110的输出端与第二乘法器112的一个输入端连接；所述第一乘法器111的另一个输入端与第二低通滤波器108的输出端连接；所述第二乘法器112的另一个输入端与第一低通滤波器107的输出端连接；所述减法器113的两个输入端分别与第一乘法器111的输出端和第二乘法器112的输出端连接；所述减法器113的输出端与积分器114的输入端连接，所述积分器114的输出端与高通滤波器115的输入端连接。

本发明装置的工作原理如下：

如图1所示，本发明的外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置结构如下：外差式相位干涉型光纤传感器101的传感光路和参考光路经干涉产生两路输出，其中第一干涉输出经过第一光电检测器103形成的第一检测电信号

A+Bcos(ω_ct +Ccosω_st+φ₀)        (1)

其中，A、B为与输入光强成正比的常数，ω_c为外差调制信号源117产生的用来调制外差调制器116的信号频率，C为被测信号所引起的相位调制幅度，ω_s为被测信号频率，φ₀是初始相位差。第一检测电信号与外差调制信号源117产生的外差调制信号Gcos(ω_ct)在第一混频器105混频，再经第一低通滤波器107滤波得到第一低通滤波信号

$\frac{\mathrm{BG}}{2}\cos (C\cos {\mathrm{\ω}}_{s}t+{\mathrm{\φ}}_0)---\left(2\right)$

令

Ccosω_st+φ₀＝φ，(2)可以表示为

Dcosφ    (3)

第一低通滤波信号通过第一微分器109得到第一微分信号

-Dsinφ·φ′(4)

第二干涉输出通过调节可调光纤延迟线102的机械致动部件，改变输入光纤到输出光纤之间的光程差，实现第一光电检测器103输出的第一检测电信号与第二光电检测器104输出的第二检测电信号之间相位差的连续调节。为了得到相对第一检测电信号相位延迟为90°的第二检测电信号，输入光纤到输出光纤之间的长度差需满足下式：

$\frac{l}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\π}/2}{2\mathrm{\π}}---\left(5\right)$

$l=\frac{c}{4n{f}_c}---\left(6\right)$

其中，l表示输入光纤到输出光纤之间的长度差，c为光速，n表示光纤的折射率，λ表示光在光纤中的波长，f_c表示外差调制信号源117产生的信号频率。

可调光纤延迟线102的输出信号经过第二光电检测器104后得到第二检测电信号

A+Bsin(ω_ct+Ccosω_st+φ₀)(7)

第二检测电信号与外差调制信号Gcos(ω_ct)在第二混频器106混频，再经第二低通滤波器108滤波得到第二低通滤波信号

$\frac{\mathrm{BG}}{2}\sin (C\cos {\mathrm{\ω}}_{s}t+{\mathrm{\φ}}_0)---\left(8\right)$

简化为

Dsinφ        (9)

第二低通滤波信号第二微分器110得到第二微分信号

Dcosφ·φ′    (10)

第一微分信号与第二低通滤波信号在第一乘法器111相乘后得到第一乘法输出信号，即(4)×(9)得

-D²sin²φ·φ′ (11)

第二微分信号与第一低通滤波信号在第二乘法器112相乘后得到第二乘法输出信号，即(3)×(10)得

D²cos²φ·φ′  (12)

第二乘法器112的输出与第一乘法器111的输出经减法器113相减，即(12)-(11)

D²φ′          (13)

得到的减法输出信号经积分器114积分，即对(13)积分得

D²φ            (14)

再经过高通滤波器115滤除低频干扰即可还原出被测传感信号cosω_st。

外差调制信号的频率应大于被测传感信号的10倍以上，避免干涉信号中的被测传感信号在通过光纤延迟线时也产生较大的相位延迟。

第一低通滤波器107、第二低通滤波器108的截止频率大于被测传感信号的频率且小于外差调制信号的频率。

第一低通滤波器107、第二低通滤波器108为高阶滤波器，其特性是通带到阻带有较快的衰减，将外差调制信号滤除干净，避免混入低通滤波后的信号带来干扰。

高通滤波器115截止频率大于环境干扰造成的低频相位噪声的频率且小于被测传感信号的频率。

第一混频器105、第二混频器106与第一乘法器111、第二乘法器112是基于CMOS工艺的集成芯片，具有低输入阻抗和低输出阻抗。

第一微分器109、第二微分器110是由运算放大器与电阻、电容构成的基本微分电路，运算放大器具有较大的增益带宽积。

减法器113是由运算放大器与电阻构成的基本减法电路，运算放大器具有较大的增益带宽积。

积分器114是由运算放大器与电阻、电容构成的基本积分电路，运算放大器具有较大的增益带宽积。

外差调制信号源117为正弦波信号源。

图2为被测传感信号的波形图，图3(a)为第一光电检测器输出电信号的波形图，图3(b)为第二光电检测器输出电信号的波形图。公式(1)和(5)中描述的A＝1，B＝1，C＝5，ω_c＝2π×50KHz，ω_s＝2π×5KHz，φ₀＝0.3π。最后的解调输出波形如图4所示。

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 (1)

1.一种外差式相位干涉型光纤传感器的正交解调装置，其特征在于：包括外差式相位干涉型光纤传感器、第一光电检测器、第一混频器、第一低通滤波器、第一微分器、第一乘法器、外差调制信号源、可调光纤延迟线、第二光电检测器、第二混频器、第二低通滤波器、第二微分器、第二乘法器、减法器、积分器和高通滤波器；所述外差式相位干涉型光纤传感器的一个输出端与第一光电检测器的输入端连接，第一光电检测器的输出端与第一混频器的一个输入端连接，第一混频器的另一个输入端与外差调制信号源连接，该外差调制信号源与外差式相位干涉型光纤传感器的外差调制器连接，第一混频器的输出端与第一低通滤波器的输入端连接，第一低通滤波器的输出端与第一微分器的输入端连接，第一微分器的输出端与第一乘法器的一个输入端连接；所述外差式相位干涉型光纤传感器的另一个输出端与可调光纤延迟线的输入端连接，可调光纤延迟线的输出端与第二光电检测器的输入端连接，第二光电检测器的输出端与第二混频器的一个输入端连接，第二混频器的另一个输入端与外差调制信号源连接，第二混频器的输出端与第二低通滤波器的输入端连接，第二低通滤波器的输出端与第二微分器的输入端连接，第二微分器的输出端与第二乘法器的一个输入端连接；所述第一乘法器的另一个输入端与第二低通滤波器的输出端连接；所述第二乘法器的另一个输入端与第一低通滤波器的输出端连接；所述减法器的两个输入端分别与第一乘法器的输出端和第二乘法器的输出端连接；所述减法器的输出端与积分器的输入端连接，所述积分器的输出端与高通滤波器的输入端连接。

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