CN106323478A - 抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，该系统包含输出频率调制光束的光源。信号发生器和倍频器，产生光源的频率调制信号和两倍频信号。非平衡光纤干涉仪组成的传感器。3路偏振分集检测模块，获取干涉仪输出的3个偏振方向的干涉信号输出。多通道A/D转换器。一个数字信号处理器，接收A/D转换器的输出信号，完成传感器探测信号的解调。本发明可以实现具有偏振衰落现象的光纤干涉型传感器的相位生成载波调制解调，可以实现实时解调处理，满足解调信号连续性的要求。

Description

抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统

技术领域

本发明涉及干涉型光纤传感器的信号解调技术，尤其涉及一种抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统。

背景技术

基于光相位检测技术的干涉型光纤传感器由光纤干涉仪组成。被测物理量作用于传感器干涉仪的传感臂，引起传感臂光纤的传输光相位发生相应变化,参考臂光纤对被测物理量不敏感。传感臂与参考臂的输出光发生干涉，将光的相位变化转化为干涉光强的变化，通过检测光强的变化可得到被测物理量的信息。为了实现干涉型光纤传感器的稳定、远程被动探测，相位生成载波(PGC)调制解调技术被广泛应用。PGC调制解调技术在干涉型传感器上施加一个大相位幅度的载波，传感器输出光强信息经光电转换后的电压信号内包含了载波的多阶谐波，利用调制在载波一阶和二阶谐波边带上的信息可解调出被测物理量的频率、幅度信息，传感器的解调不受随机的相位漂移的影响。

干涉型光纤传感器输出稳定的干涉光强信号是实现PGC调制解调技术的基础。参考臂和传感臂输出光的偏振态在环境和应力的影响下发生随机变化，使得干涉后光强发生偏振衰落现象，干涉信号幅度减小甚至完全消失，影响PGC调制解调技术的稳定性和解调后信号的信噪比。抑制偏振衰落现象，常见的解决方法有对输入光的偏振态进行反馈控制；采用保偏光纤、法拉第旋转镜对传感臂和参考臂中传输光的偏振态进行控制；在传感器接收端采用偏振分集检测技术。

偏振分集检测技术是将干涉仪输出信号经过n个互成180°/n的检偏器进行检偏，对每个检偏器输出信号进行光电转换。n路输出信号不可能同时为0，从而可避免偏振态变化引起的信号完全衰落。干涉仪两臂偏振态随机变化，输出信噪比最佳的一路信号也在这n路中发生变动。为了实现稳定的解调须在这n路信号中选择同一时段信噪比最佳的一路信号，因此难以实现解调方法的实时处理，同时解调后的信号有断点存在。

本专利在偏振分集检测技术的基础上，提出了一个抗偏振衰落的相位生成载波调制解调系统。该系统无需在偏振分集检测输出的n路信号中实现动态切换，可实现实时处理，确保解调信号的连续性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于偏振分集检测技术的抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，满足具有偏振衰落现象的光纤干涉型传感器的实时处理和解调信号连续性的需求。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，主要包括一个输出频率调制光束的光源；一个信号发生器和倍频器，产生光源的频率调制信号和两倍频信号；臂长差为ΔL的非平衡光纤干涉仪组成的传感器，传感器两臂因探测信号产生相位差θ_s；一个3路偏振分集检测模块，获取干涉仪输出的3个偏振方向的干涉信号输出，完成光电转换；一个多通道A/D转换器，获取载波信号、2倍频载波信号、3个偏振方向的干涉输出的数字信号；一个数字信号处理器，接收A/D转换器的输出信号，完成传感器探测信号的解调，采用抗偏振衰落的相位生成载波解调技术从3路偏振分集检测的干涉输出中获取传感器两臂相位差2θ_s的sine和cosine成分的正交项，采用正交解调技术从正交项获得传感器两臂相位差θ_s。

所述的非平衡光纤干涉仪包含一个信号臂和一个参考臂,信号臂对被测量场敏感，参考臂对被测量场不敏感。

所述的3路偏振分集检测模块，对传感器输出的3个偏振方向的干涉信号进行同步检测，转换成电信号。

所述的数字信号处理器包含一个相位差θ_s的sine/cosine成分解调模块，同时完成3路偏振分集检测输出电信号的传感器两臂相位差θ_s的sine/cosine成分解调；所述的数字信号处理器包含一个2倍相位差2θ_s的sine/cosine成分解调模块，其特征在于获取2倍的传感器两臂相位差2θ_s的sine/cosine成分。

所述的2θ_s的sine/cosine成分解调模块，包含个6个平方器、3个乘法器与θ_s的sine/cosine成分解调模块输出相连，通过3个乘法器获取3路2倍传感器两臂相位差2θ_s的sine成分。

所述的2θ_s的sine/cosine成分解调模块，通过3个减法器与6个平方器的输出相连，获取3路2倍传感器两臂相位差2θ_s的cosine成分。

所述的2θ_s的sine/cosine成分解调模块，包含2个加法器，分别对3个减法器的输出和3个乘法器的输出信号进行求和。

所述的2θ_s的sine/cosine成分解调模块，包含2个平方器、1个加法器和1个开方器，两个平方器连接两个加法器的输出，获取2倍相位差2θ_s的sine/cosine成分求和项的系数。

所述的2θ_s的sine/cosine成分解调模块，包含2个除法器，对2θ_s的sine/cosine成分的求和项进行归一化。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一个抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统。

2、本发明可以实现具有偏振衰落现象的光纤干涉型传感器的相位生成载波调制解调。

3、本发明可以避免对偏振分集检测输出的多路信号进行手动选择的问题，可以实现实时解调处理，满足解调信号连续性的要求。

附图说明

图1：抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统示意图；

图2：抗偏振衰落的相位生成载波解调方案1；

图3：抗偏振衰落的相位生成载波解调方案2；

图4：偏振分集检测的3个偏振方向的干涉输出；

图5：解调后的光纤干涉仪传感器探测信号。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统包括：采用频率为f_c的正弦信号调制的光源，输出频率调制光束；非平衡光纤干涉仪组成的传感器，频率调制光束在传感器处产生光学相移载波信号，传感器两臂因探测信号产生相位差θ_s；3路偏振分集检测模块，获取干涉仪输出的3个偏振方向的干涉输出，完成光电转换；A/D转换器，获取载波信号、2倍频载波信号、3个偏振方向的干涉输出的数字信号；信号处理器，采用抗偏振衰落的相位生成载波(PGC)解调技术从3路偏振分集检测的干涉输出中获取传感器两臂相位差2θ_s的sine和cosine成分的正交项，采用正交解调技术从正交项获得传感器两臂相位差θ_s。

参考图1，信号发生器11产生频率为f_c的正弦信号，分别输出至光源10和倍频器12。倍频器12产生频率为2f_c的正弦信号。光源10输出的光信号频率被频率为f_c的正弦信号调制。光源10输出的频率调制光经光纤14输入至非平衡干涉仪组成的传感器20。图1中传感器20由Mach Zehnder干涉仪组成，干涉仪的传感臂臂长在被测信号30作用下发生改变，参考臂不受影响。传感器20还可由Michelson干涉仪、FP干涉仪等组成。非平衡干涉仪传感臂和参考臂的臂长差为ΔL。光源10输出的频率调制光束在传感器20处产生频率为f_c的光学相移载波信号，被测信号30调制光学相移载波信号。传感器20输出的干涉光信号经光纤15输入至耦合器21，经由耦合器21分成3束，第一束光经光纤16输出至检偏器31，经检偏器31检偏后，输入至光电探测器40，完成光信号的光电转换。第二束光经光纤17输出至检偏器32，经检偏器32检偏后，输入至光电探测器41，完成光信号的光电转换。第三束光经光纤18输出至检偏器33，经检偏器33检偏后，输入至光电探测器42，完成光信号的光电转换。检偏器31～33的偏振化方向互成60°夹角。探测器40～42输出的信号可由(1)式给出。

O_k＝v_k·cos(C·cos(2πf_ct)+θ_s) (k＝1，2，3) (1)

其中下标k表示3个探测器的序号。v_k·的大小随时间变化，与光源10输出的光功率和传感器20传感臂和参考臂传输光的偏振态相关。C表示光学相移载波的幅度。调节信号发生器11产生的频率为f_c的正弦信号的幅度，使得引入传感器20的相移载波的幅度C为2.63弧度。J₁(C)、J₂(C)为Bessel系数，C＝2.63时，J₁(C)＝J₂(C)。θ_s是传感器20因被测信号30引起的传感臂和参考臂的相移差。探测器40～42输出的电信号、信号发生器11输出的频率为f_c的正弦信号，倍频器12输出的频率为2f_c的正弦信号经由多通道A/D转换器50转换成数字信号，在信号处理器51中进行处理。信号处理器51包含θ_s的sine/cosine成分解调模块和2θ_s的sine/cosine成分解调模块，参考图2和图3所示。

参考图2，探测器40～42输出的信号分别与频率为f_c、2f_c的正弦信号相乘，乘法器60～65的输出信号经过低通滤波器70～75。低通滤波器70～75仅通过v₁J₁(C)sin(θ₂)、v₁J₂(C)cos(θ_s)、v₂J₁(C)sin(θ_s)、v₂J₂(C)cos(θ_s)、v₃J₁(C)sin(θ_s)、v₃J₂(C)cos(θ_s)信号。

参考图3，低通滤波器70、71输出信号v₁J₂(C)cos(θ_s)、v₁J₁(C)sin(θ_s)分别经过平方运算80、81。80、81的输出信号经差分运算93后得到低通滤波器72、73输出信号v₂J₂(C)cos(θ_s)、、v₂J₁(C)sin(θ_s)分别经过平方运算82、83。82、83的输出信号经差分运算94后得到低通滤波器74、75输出信号v₃J₂(C)cos(θ_s)、v₃J₁(C)sin(θ_s)分别经过平方运算84、85。84、85的输出信号经差分运算95后得到差分运算93～95的输出信号经求和运算96后，输出信号由(2)式给出：

$M_a=J_1^2\left(C\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_s\right)\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}{\left(v_k\right)}^2---\left(2\right)$

低通滤波器70、71输出信号v₁J₂(C)cos(θ_s)、v₁J₁(C)sin(θ_s)经乘法器90后得到低通滤波器72、73输出信号v₂J₂(C)cos(θ_s)、v₂J₁(C)sin(θ_s)经乘法器91后得到低通滤波器74、75输出信号v₃J₂(C)cos(θ_s)、v₃J₁(C)sin(θ_s)、经乘法器92后得到乘法器90～92的输出信号经求和运算97后，输出信号由(3)式给出：

$M_a=J_1\left(C\right)J_2\left(C\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_s\right)\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}{\left(v_k\right)}^2---\left(3\right)$

因C＝2.63时，J₁(C)＝J₂(C)。

$M_a=J_1^2\left(C\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_s\right)\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}{\left(v_k\right)}^2---\left(4\right)$

96、97的输出信号经过平方运算86、87后，再通过加法器98、开方运算88。输出信号由(5)式给出。

$U=\sqrt{{\left(M_a\right)}^2+{\left(M_b\right)}^2}=J_1^2\left(C\right)\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}{\left(v_k\right)}^2---\left(5\right)$

加法器96的输出信号与开方运算88的输出信号经过除法器99后得到cos(2θ_s)。加法器97的输出信号与开方运算88的输出信号经过除法器100后得到sin(2θ_s)。在偏振分集检测中，探测器40～42的值在同一时刻不会全部为0，因此经过除法器99、100计算得到的cos(2θ_s)和sin(2θ_s)的值与v_k·的幅度大小无关，消除了因偏振衰落现象带来的v_k·随时间变化起伏的影响。

cos(2θ_s)和sin(2θ_s)输出信号进入sine/cosine解调器110可得到输出信号2θ_s，由2θ_s信号可获得被测物理量30的信息。解调器110可由通用计算方法实现，本专利不再详述。

图4(a)～(c)给出了f_c为10kHz，传感器施加500Hz正弦信号时的偏振分集检测的3个偏振方向的干涉输出信号。图4(a)的信号幅度小，图4(c)的信号幅度最大。

图5给出了采用图4所示信号，利用图2和图3所示的抗偏振衰落的相位生成载波解调方案得到的解调信号波形。解调信号幅度和频率稳定。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，其特征在于：主要包括一个输出频率调制光束的光源；一个信号发生器和倍频器，产生光源的频率调制信号和两倍频信号；臂长差为ΔL的非平衡光纤干涉仪组成的传感器，传感器两臂因探测信号产生相位差θ_s；一个3路偏振分集检测模块，获取干涉仪输出的3个偏振方向的干涉信号输出，完成光电转换；一个多通道A/D转换器，获取载波信号、2倍频载波信号、3个偏振方向的干涉输出的数字信号；一个数字信号处理器，接收A/D转换器的输出信号，完成传感器探测信号的解调，采用抗偏振衰落的相位生成载波解调技术从3路偏振分集检测的干涉输出中获取传感器两臂相位差2θ_s的sine和cosine成分的正交项，采用正交解调技术从正交项获得传感器两臂相位差θ_s。

2.根据权利要求1所述的抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，其特征在于：所述的非平衡光纤干涉仪包含一个信号臂和一个参考臂,信号臂对被测量场敏感，参考臂对被测量场不敏感。

3.根据权利要求1所述的抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，其特征在于：所述的3路偏振分集检测模块，对传感器输出的3个偏振方向的干涉信号进行同步检测，转换成电信号。

4.根据权利要求1所述的抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，其特征在于：所述的数字信号处理器包含一个相位差θ_s的sine/cosine成分解调模块，同时完成3路偏振分集检测输出电信号的传感器两臂相位差θ_s的sine/cosine成分解调；所述的数字信号处理器包含一个2倍相位差2θ_s的sine/cosine成分解调模块，其特征在于获取2倍的传感器两臂相位差2θ_s的sine/cosine成分。

5.根据权利要求1所述的抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，其特征在于：所述的2θ_s的sine/cosine成分解调模块，包含个6个平方器、3个乘法器与θ_s的sine/cosine成分解调模块输出相连，通过3个乘法器获取3路2倍传感器两臂相位差2θ_s的sine成分。

6.根据权利要求4或5所述的抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，其特征在于：所述的2θ_s的sine/cosine成分解调模块，通过3个减法器与6个平方器的输出相连，获取3路2倍传感器两臂相位差2θ_s的cosine成分。

7.根据权利要求4或5所述的抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，其特征在于：所述的2θ_s的sine/cosine成分解调模块，包含2个加法器，分别对3个减法器的输出和3个乘法器的输出信号进行求和。

8.根据权利要求4或5所述的抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，其特征在于：所述的2θ_s的sine/cosine成分解调模块，包含2个平方器、1个加法器和1个开方器，两个平方器连接两个加法器的输出，获取2倍相位差2θ_s的sine/cosine成分求和项的系数。

9.根据权利要求4或5所述的抗偏振衰落的光纤干涉型传感器相位生成载波调制解调系统，其特征在于：2θ_s的sine/cosine成分解调模块，包含2个除法器，对2θ_s的sine/cosine成分的求和项进行归一化。