CN106989811B - 一种光纤光栅水听器的解调装置及方法 - Google Patents

一种光纤光栅水听器的解调装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅水听器的解调装置及方法。其中，该装置包括宽带光源1、第一耦合器2、Y波导3、第一干涉仪光纤10、第二干涉仪光纤11、第二耦合器4、光电探测器5、A/D转换电路6、FPGA7和D/A转换电路8；其中，所述Y波导3通过干涉仪光纤10和干涉仪光纤11连接第二耦合器4组成光纤M‑Z干涉仪。本发明采用基于FPGA控制的数字闭环控制方法，使得光纤光栅水听器具有较高灵敏度，并有效的提高了线性度和稳定性。

Description

一种光纤光栅水听器的解调装置及方法
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅的测量技术领域，特别是一种光纤光栅水听器的信号解调装置及方法。
背景技术
光纤水听器是以光纤为传感和信号传输媒介的水下声压传感器，具有灵敏度高、抗电磁干扰强、全光传输、体积小、重量轻、易于组网等特点，已成为新一代水声探测装备发展的方向。目前较为成熟的光纤水听器为干涉型，其原理是通过增加绕制光纤长度来获得高灵敏度，从而限制了干涉型光纤水听器的最小尺寸。
自从1989年Mcltz成功地实现光纤光栅紫外光侧面写入技术以来，光纤光栅已被用来对诸多物理量进行传感检测。光纤光栅水听器以其体积小，复用能力强、成本低等优点，为解决阵列小尺寸和大规模复用等工程应用问题提供了新的方案。温度和应力是直接影响光纤光栅布拉格波长的主要物理量，受这两个物理量作用时，热光效应和弹光效应将引起纤芯折射率变化，热膨胀以及机械拉伸也将影响光栅常数，从而引起布拉格波长漂移。因此观察光纤光栅的波长漂移量便可判断待测量大小，如何检测传感光栅布拉格波长的微小偏移，是这类传感器实用化面临的关键技术，也是整个传感系统的核心部分，很大程度上决定了解调系统的分辨率、可靠性和成本。为此，人们提出了许多检测方案，诸如可调谐激光边波法、锁模调制法、非平衡M-Z干涉法等。
其中非平衡M-Z干涉法是一种参量转化方法，将光纤光栅的波长转变为干涉仪的相位变化。这种方法的检测灵敏度高，但是很容易受到外界环境的干扰。目前报道的基于非平衡干涉仪的光纤光栅解调方案采用压电陶瓷调制器或3×3耦合器，线性度和稳定性较差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种光纤光栅水听器的解调装置及方法，使得光纤光栅水听器具有较高灵敏度，并有效的提高了线性度和稳定性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种光纤光栅水听器的解调装置，包括：宽带光源、第一耦合器、Y波导、第一干涉仪光纤、第二干涉仪光纤、第二耦合器、光电探测器、A/D转换电路、FPGA和D/A转换电路，其中，Y波导、第一干涉仪光纤、第二干涉仪光纤和第二耦合器组成光纤M-Z干涉仪；宽带光源产生光信号，经第一耦合器传给光纤光栅水听器，经光纤光栅水听器产生反射光再传给第一耦合器，第一耦合器将反射光传输给Y波导，在Y波导分成两束光，分别经过第一干涉仪光纤和第二干涉仪光纤传给第二耦合器，然后在第二耦合器内干涉，光纤光栅水听器探测到的水声信号会引起光纤光栅水听器的反射光中心波长的变化，光纤M-Z干涉仪将反射光的中心波长变化转换为干涉信号相位的变化，相位变化引起光纤M-Z干涉仪透射强度变化，再由光电探测器将干涉光信号转化为电流信号，FPGA控制A/D转换电路采集电流信号并转换成数字信号，再将数字信号传给D/A转换电路，通过D/A转换电路产生一个方波调制信号和反馈信号并加载到Y波导，通过Y波导实现相位偏置调制和闭环反馈控制。
上述光纤光栅水听器的解调装置中，所述宽带光源为掺铒光纤光源或超辐射发光二极管光源，所述宽带光源的谱宽40nm～80nm。
上述光纤光栅水听器的解调装置中，所述第一耦合器为2×2光纤耦合器，分光比为1：1。
上述光纤光栅水听器的解调装置中，所述第二耦合器为2×2光纤耦合器，分光比为1：1。
上述光纤光栅水听器的解调装置中，所述光纤M-Z干涉仪的光程差小于0.481mm。
上述光纤光栅水听器的解调装置中，所述的光电探测器为InGaAs PIN光电探测器，工作波长为1000nm～1650nm，在1550nm的响应度为0.7～0.9A/W。
上述光纤光栅水听器的解调装置中，所述方波调制信号的周期为2τ，τ为从宽带光源发出的光信号到达Y波导所需的时间。
上述光纤光栅水听器的解调装置中，所述反馈信号通过Y波导产生一个反馈相位差，与水声信号引起的相位差大小相等，符号相反。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种光纤光栅水听器的解调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：构建光纤光栅水听器的解调装置，其中，光纤光栅水听器的解调装置包括：宽带光源、第一耦合器、Y波导、第一干涉仪光纤、第二干涉仪光纤、第二耦合器、光电探测器、A/D转换电路、FPGA和D/A转换电路，其中，Y波导、第一干涉仪光纤、第二干涉仪光纤和第二耦合器组成光纤M-Z干涉仪；
步骤二：宽带光源产生光信号，经第一耦合器传给光纤光栅水听器，经光纤光栅水听器产生反射光再传给第一耦合器，第一耦合器将反射光传输给Y波导，在Y波导分成两束光，分别经过第一干涉仪光纤和第二干涉仪光纤传给第二耦合器，然后在第二耦合器内干涉；
步骤三：光纤光栅水听器探测到的水声信号会引起光纤光栅水听器的反射光中心波长的变化，光纤M-Z干涉仪将反射光的中心波长变化转换为干涉信号相位的变化，相位变化引起光纤M-Z干涉仪透射强度变化，再由光电探测器将透射强度变化转化为电流信号，FPGA控制A/D转换电路采集电流信号并转换成数字信号，然后FPGA产生一个方波调制信号和反馈信号，经过D/A转换电路进行数模转换后加载到Y波导，Y波导对光纤M-Z干涉仪的干涉信号进行调制和补偿，从而实现相位偏置调制和闭环反馈控制。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明设计了一种光纤光栅水听器数字闭环解调方法，采用基于FPGA的数字闭环控制电路，产生一个方波调制信号和反馈控制信号，使得光纤光栅水听器总是在灵敏度较大的工作点上；同时，反馈相位差
Figure BDA0001244522910000041
与光纤光栅水听器输入信号引起的干涉信号相位差
Figure BDA0001244522910000042
大小相等，方向相反，使得总相位差
Figure BDA0001244522910000044
被伺服控制在0附近，而且
Figure BDA0001244522910000043
不受光源光功率波动影响。因此，光纤光栅水听器可以获得较好的线性度和稳定性。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅水听器的解调装置的示意图；
图2为本发明的光纤M-Z干涉仪测量光纤光栅波长变化的原理图；
图3为本发明的光纤光栅水听器解调方法的相位偏置调制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步详细的描述：
图1为本发明的光纤光栅水听器的解调装置的示意图。如图1所示，该光纤光栅水听器的解调装置包括：宽带光源1、第一耦合器2、Y波导3、第一干涉仪光纤10、第二干涉仪光纤11、第二耦合器4、光电探测器5、A/D转换电路6、FPGA7和D/A转换电路8，其中，Y波导3、第一干涉仪光纤10、第二干涉仪光纤11和第二耦合器4组成光纤M-Z干涉仪。具体的，宽带光源1为掺铒光纤光源或超辐射发光二极管光源，所述宽带光源1的谱宽40nm～80nm。第一耦合器2和第二耦合器4均为2×2光纤耦合器，分光比为1：1，可将入射光信号等分成两束光信号，光功率分别为入射光的50％。Y波导3是Y波导集成光学器件的简称，该器件同时具有分束器、偏振器和相位调制器功能，可根据控制电压的大小产生相应的相位调制信号。光电探测器5为InGaAs PIN光电探测器，工作波长1000nm～1650nm，在1550nm的响应度为0.7～0.9A/W。光纤M-Z干涉仪的光程差小于0.481mm。其中，
宽带光源1、第一耦合器2与光纤光栅水听器9依次相连接，Y波导3、光纤M-Z干涉仪10、第二耦合器4、光电探测器5、A/D转换电路6、FPGA7和D/A转换电路8形成一闭环回路，控制方法采用阶梯波闭环控制方案。
具体的，宽谱光源1产生光信号，经第一耦合器2传给光纤光栅水听器，其反射光再经Y波导3、第一干涉仪光纤10、第二干涉仪光纤11、第二耦合器4组成的光纤M-Z干涉仪，光纤光栅水听器9探测到的水声信号会引起光纤光栅水听器9的反射光中心波长的变化，光纤M-Z干涉仪将光纤光栅水听器反射光的波长变化转换为干涉信号相位的变化，相位变化引起光纤M-Z干涉仪透射强度变化，再由光电探测器5转化为电流信号，FPGA 7控制A/D转换电路6将电流信号转换为数字信号，并在FPGA 7中完成数字差分解调，获得闭环补偿后的相位误差数字信号。该数字信号在FPGA 7中经过数字积分后即作为光纤光栅水听器的输出信号，又作为闭环反馈的输入信号，经过第二次数字积分产生阶梯波，其台阶宽度为光源发出的光信号到达Y波导所需的时间τ，台阶高度等于水听器的输出，并且其台阶的变化与偏置调制信号同步。该阶梯波信号再与偏置调制信号相叠加送入D/A转换电路8，阶梯波会使Y波导产生一个相位差，大小等于台阶高度，与光纤光栅水听器输入引起的M-Z干涉仪相位差大小相等、符号相反。从而使M-Z干涉仪始终在零相位差附近工作，完成阶梯波闭环控制。
如图2所示为本发明的光纤M-Z干涉仪测量光纤光栅波长变化的原理图。如图所示，光纤M-Z干涉仪由Y波导3、第一干涉仪光纤10、第二干涉仪光纤11和第二耦合器4组成，第一干涉仪光纤10与第二干涉仪光纤11即为光纤M-Z干涉仪的两臂，当光纤M-Z干涉仪的两臂存在光程差nl时，干涉仪透射率随波长的变化如下：
Figure BDA0001244522910000061
相位信息为
Figure BDA0001244522910000062
将光纤光栅的反射光注入光纤M-Z干涉仪，当光纤光栅的波长发生改变时，干涉仪输出干涉信号发生变化，其相位差变化量
Figure BDA0001244522910000063
与波长变化量Δλ的关系为：
Figure BDA0001244522910000064
光纤光栅的波长变化范围约4nm，为了避免干涉信号跨条纹的影
响，使干涉条纹的周期大于4nm；取一定的裕量，将条纹周期选择为≥5nm(自由光谱范围FSR)，则光纤M-Z干涉仪的光程差：
Figure BDA0001244522910000065
对于波长λ＝1550nm、FSR＝5nm，光程差nl≤0.481mm；对于光纤，n＝1.4682，要求臂长差l≤0.328mm。
如图3所示为本发明的光纤光栅水听器数字闭环解调方法的相位偏置调制原理。如图所示该解调方法采用方波信号进行偏置调制，采用16位的A/D转换器，对应的2π相位电压的数字量为216-1，利用FPGA 7产生0和214-1的数字量送给A/D转换电路8，然后转换为模拟电压施加到Y波导3上，即可实现±π/2相位交替变化的方波调制信号，取信号周期为2τ。当光纤光栅水听器输入为零时，偏置调制后的探测器信号中偶次输出与奇次输出的值相同，差值为：
Figure BDA0001244522910000066
其中I0是无相位偏置时探测器的输入光强，
Figure BDA0001244522910000071
是光纤光栅水听器输入信号引起的干涉信号相位变化，
Figure BDA0001244522910000072
是偏置相位。
当光纤光栅水听器输入不为零时，对应的探测器信号中偶次输出与奇次输出之差为：
Figure BDA0001244522910000073
由公式5可得采用π/2的偏置相位调制可使光纤光栅水听器的灵敏度最大。
本发明还提供了一种光纤光栅水听器的解调方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：构建光纤光栅水听器的解调装置，其中，光纤光栅水听器的解调装置包括：宽带光源1、第一耦合器2、、Y波导3、第一干涉仪光纤10、第二干涉仪光纤11、第二耦合器4、光电探测器5、A/D转换电路6、FPGA7和D/A转换电路8。其中，Y波导(3)、第一干涉仪光纤10、第二干涉仪光纤11和第二耦合器4组成光纤M-Z干涉仪；
步骤二：宽带光源1产生光信号，经第一耦合器2传给光纤光栅水听器9，经光纤光栅水听器9产生反射光再传给第一耦合器2，第一耦合器2将反射光传输给Y波导3，在Y波导3分成两束光，分别经过第一干涉仪光纤10和第二干涉仪光纤11传给第二耦合器4，然后在第二耦合器4内干涉；
步骤三：光纤光栅水听器9探测到的水声信号会引起光纤光栅水听器9的反射光中心波长的变化，光纤M-Z干涉仪将反射光的中心波长变化转换为干涉信号相位的变化，相位变化引起光纤M-Z干涉仪透射强度变化，再由光电探测器5将透射强度变化转化为电流信号，FPGA7控制A/D转换电路6采集电流信号并转换成数字信号，然后FPGA 7产生一个方波调制信号和反馈信号，经过D/A转换电路8进行数模转换后加载到Y波导3，Y波导3对光纤M-Z干涉仪的干涉信号进行调制和补偿，从而实现相位偏置调制和闭环反馈控制。
本发明采用基于FPGA的数字闭环控制电路，产生一个方波调制信号和反馈控制信号，使得光纤光栅水听器总是在灵敏度较大的工作点上；同时，反馈相位差
Figure BDA0001244522910000081
与光纤光栅水听器输入信号引起的干涉信号相位差
Figure BDA0001244522910000082
大小相等，方向相反，使得总相位差
Figure BDA0001244522910000083
被伺服控制在0附近，而且
Figure BDA0001244522910000084
不受光源光功率波动影响。因此，光纤光栅水听器可以获得较好的线性度和稳定性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于包括：宽带光源(1)、第一耦合器(2)、Y波导(3)、第一干涉仪光纤(10)、第二干涉仪光纤(11)、第二耦合器(4)、光电探测器(5)、A/D转换电路(6)、FPGA(7)和D/A转换电路(8)，其中，
Y波导(3)、第一干涉仪光纤(10)、第二干涉仪光纤(11)和第二耦合器(4)组成光纤M-Z干涉仪；
宽带光源(1)产生光信号，经第一耦合器(2)传给光纤光栅水听器(9)，经光纤光栅水听器(9)产生反射光再传给第一耦合器(2)，第一耦合器(2)将反射光传输给Y波导(3)，在Y波导(3)分成两束光，分别经过第一干涉仪光纤(10)和第二干涉仪光纤(11)传给第二耦合器(4)，然后在第二耦合器(4)内干涉，光纤光栅水听器(9)探测到的水声信号会引起光纤光栅水听器(9)的反射光中心波长的变化，光纤M-Z干涉仪将反射光的中心波长变化转换为干涉信号相位的变化，相位变化引起光纤M-Z干涉仪透射强度变化，再由光电探测器(5)将干涉光信号转化为电流信号，FPGA(7)控制A/D转换电路(6)采集电流信号并转换成数字信号，然后FPGA(7)产生一个方波调制信号和反馈信号，经过D/A转换电路(8)进行数模转换后加载到Y波导(3)，Y波导(3)对光纤M-Z干涉仪的干涉信号进行调制和补偿，从而实现相位偏置调制和闭环反馈控制；其中，
所述数字信号在FPGA(7)中完成数字差分解调，获得闭环补偿后的相位误差数字信号；该数字信号在FPGA(7)中经过数字积分后既 作为光纤光栅水听器的输出信号，又作为闭环反馈的输入信号，经过第二次数字积分产生阶梯波信号，其台阶宽度为宽带光源发出的光信号到达Y波导所需的时间τ，台阶高度等于水听器的输出，并且其台阶的变化与偏置调制信号同步；该阶梯波信号再与偏置调制信号相叠加送入D/A转换电路(8)，阶梯波信号会使Y波导产生一个相位差，大小等于台阶高度，与光纤光栅水听器输入引起的光纤M-Z干涉仪相位差大小相等、符号相反，从而使光纤M-Z干涉仪始终在零相位差附近工作，完成阶梯波闭环控制；
利用FPGA(7)产生0和214-1的数字量送给D/A转换电路(8)，然后转换为模拟电压施加到Y波导(3)上，即可实现±π/2相位交替变化的方波调制信号，取信号周期为2τ，τ为从宽带光源发出的光信号到达Y波导所需的时间；当光纤光栅水听器输入为零时，偏置调制后的光电探测器信号中偶次输出与奇次输出的值相同，差值为：
Figure FDA0002509265730000021
其中，I0是无相位偏置时光电探测器的输入光强，
Figure FDA0002509265730000022
是光纤光栅水听器输入信号引起的干涉信号相位变化，
Figure FDA0002509265730000023
是偏置相位；
当光纤光栅水听器输入不为零时，对应的光电探测器信号中偶次输出与奇次输出之差为：
Figure FDA0002509265730000024
由光电探测器信号中偶次输出与奇次输出之差的公式得到采用π/2的偏置相位调制可使光纤光栅水听器的灵敏度最大。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述宽带光源(1)为掺铒光纤光源或超辐射发光二极管光源，所述宽带光源(1)的谱宽40nm～80nm。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述第一耦合器(2)为2×2光纤耦合器，分光比为1：1。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述第二耦合器(4)为2×2光纤耦合器，分光比为1：1。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述光纤M-Z干涉仪的光程差小于0.481mm。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述的光电探测器(5)为InGaAs PIN光电探测器，工作波长为1000nm～1650nm，在1550nm的响应度为0.7～0.9A/W。
7.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述反馈信号通过Y波导产生一个反馈相位差，与水声信号引起的相位差大小相等，符号相反。
8.一种光纤光栅水听器的解调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：构建光纤光栅水听器的解调装置，其中，光纤光栅水听器的解调装置包括：宽带光源(1)、第一耦合器(2)、Y波导(3)、第一干涉仪光纤(10)、第二干涉仪光纤(11)、第二耦合器(4)、光电探测器(5)、A/D转换电路(6)、FPGA(7)和D/A转换电路(8)，其中，Y波导(3)、第一干涉仪光纤(10)、第二干涉仪光纤(11)和第二耦合器(4)组成光纤M-Z干涉仪；
步骤二：宽带光源(1)产生光信号，经第一耦合器(2)传给光纤光栅水听器(9)，经光纤光栅水听器(9)产生反射光再传给第一耦合器(2)，第一耦合器(2)将反射光传输给Y波导(3)，在Y波导(3)分成两束光，分别经过第一干涉仪光纤(10)和第二干涉仪光纤(11)传给第二耦合器(4)，然后在第二耦合器(4)内干涉；
步骤三：光纤光栅水听器(9)探测到的水声信号会引起光纤光栅水听器(9)的反射光中心波长的变化，光纤M-Z干涉仪将反射光的中心波长变化转换为干涉信号相位的变化，相位变化引起光纤M-Z干涉仪透射强度变化，再由光电探测器(5)将透射强度变化转化为电流信号，FPGA(7)控制A/D转换电路(6)采集电流信号并转换成数字信号，然后FPGA(7)产生一个方波调制信号和反馈信号，经过D/A转换电路(8)进行数模转换后加载到Y波导(3)，Y波导(3)对光纤M-Z干涉仪的干涉信号进行调制和补偿，从而实现相位偏置调制和闭环反馈控制；其中，
所述数字信号在FPGA(7)中完成数字差分解调，获得闭环补偿后的相位误差数字信号；该数字信号在FPGA(7)中经过数字积分后既 作为光纤光栅水听器的输出信号，又作为闭环反馈的输入信号，经过第二次数字积分产生阶梯波信号，其台阶宽度为宽带光源发出的光信号到达Y波导所需的时间τ，台阶高度等于水听器的输出，并且其台阶的变化与偏置调制信号同步；该阶梯波信号再与偏置调制信号相叠加送入D/A转换电路(8)，阶梯波信号会使Y波导产生一个相位差，大小等于台阶高度，与光纤光栅水听器输入引起的光纤M-Z干涉仪相位差大小相等、符号相反，从而使光纤M-Z干涉仪始终在零相位差附近工作，完成阶梯波闭环控制；
利用FPGA(7)产生0和214-1的数字量送给D/A转换电路(8)，然后转换为模拟电压施加到Y波导(3)上，即可实现±π/2相位交替变化的方波调制信号，取信号周期为2τ，τ为从宽带光源发出的光信号到达Y波导所需的时间；当光纤光栅水听器输入为零时，偏置调制后的光电探测器信号中偶次输出与奇次输出的值相同，差值为：
Figure FDA0002509265730000041
其中，I0是无相位偏置时光电探测器的输入光强，
Figure FDA0002509265730000042
是光纤光栅水听器输入信号引起的干涉信号相位变化，
Figure FDA0002509265730000043
是偏置相位；
当光纤光栅水听器输入不为零时，对应的光电探测器信号中偶次输出与奇次输出之差为：
Figure FDA0002509265730000044
由光电探测器信号中偶次输出与奇次输出之差的公式得到采用π/2的偏置相位调制可使光纤光栅水听器的灵敏度最大。
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