CN107765090A - 一种3×3耦合器相位次序标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种3×3耦合器相位次序标定装置，所述3×3耦合器相位次序标定装置包括3×3耦合器及相位角测量装置，所述的相位角测量装置包括光源、光纤环形器、调制器、第一反射镜、第二反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集卡、计算机、信号发生器，所述3×3耦合器一侧通过光纤分别连接所述光纤环形器、第二光电探测器、第三光电探测器等，本发明提供一种新型、简易、高效的3×3耦合器相位次序标定装置及方法，解决了现有技术中各种相位角测量方法仅仅测量出相位的数值，却不能给出相位的先后次序的问题。

Description

一种3×3耦合器相位次序标定装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体地说，本发明涉及3×3耦合器相位角测量方法。

背景技术

近几年，光纤传感技术蓬勃发展，它以光作为载体，以光纤作为传输介质，对被测参量实现传感。光纤传感被广泛应用在土木工程、电力、油气、建筑、工程制造等众多领域，它具有灵敏度高、抗电磁干扰、集传感与传输一体、易实现分布式测量的优点。

对光纤传感技术的研究涉及多个方面，包括传感方式、传感原理、信号传输、信号解调等。其中，基于3×3耦合器结构的信号解调方法是光纤传感领域研究的一个重要方向。该解调方法具有不需要外加调制，方法简单稳定，动态范围大的优点。3×3耦合器是一种光纤无源分光/合光器件，理论上，当其用于Michelson光纤干涉光路的分光/合光耦合时，其输出的3路干涉光波之间就存在互为2π/3的相位角。但实际中，因生产工艺的限制，耦合器的相位角总是有一定偏差。3×3耦合器解调法对耦合器的相位角参数有严格的要求，相位角的偏差会导致解调结果谐波失真；而相位先后次序会决定解调结果的正负符号，而阵列波束形成要求阵列中各阵元具有严格一致的解调结果正负符号，所以在使用3×3耦合器解调法时，需要精确测量出三路信号之间的相位值并标定相位的先后次序。

对于相位角测量方法，国内外已有相关的研究报告。Pietzsch利用矩阵的功率耦合系数，在互易、无内反射、无偏振的条件下，对于有损耗的耦合器，得到输出相位差的范围。Schliep同样在散射矩阵理论的基础上，通过伪逆矩阵和最小二乘方法估计耦合器的损耗因子，进而估计不对称耦合器的输出相位差。提出了一种基于Mach—Zehnder干涉仪的自零差方案，通过对3×3耦合器的输出信号在时域范围内的代数运算得到相位差。声学所崔杰等人提出了一种基于Bessel函数展开，在频域内精确确定光纤传感器3×3耦合器输出信号相位差的算法。但是，上述的各种相位角测量方法仅仅测量出相位的数值，却不能给出相位的先后次序。

因此，有必要提供一种标定3×3耦合器相位先后次序的方法，以满足解调技术应用的需求。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的问题，提供一种新型、简易、高效的3×3耦合器相位次序标定方法，解决了现有技术中各种相位角测量方法仅仅测量出相位的数值，却不能给出相位的先后次序的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种3×3耦合器相位次序标定装置，所述3×3耦合器相位次序标定装置包括3×3耦合器及相位角测量装置，其特征在于：所述的相位角测量装置包括光源、光纤环形器、调制器、第一反射镜、第二反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集卡、计算机、信号发生器，所述3×3耦合器一侧通过光纤分别连接所述光纤环形器、第二光电探测器、第三光电探测器，所述光纤环形器连接所述光源和所述第一光电探测器；所述3×3耦合器的另一侧连接所述调制器和所述第一反射镜，所述调制器再连接所述第二反射镜。

进一步的，所述3×3耦合器的第三条光路断开做消端面反射处理。

进一步的，所述光源为单波长激光器。

进一步的，所述光纤环形器有三个端口，光在环形器中只能沿固定方向传输。

进一步的，所述反射镜为法拉第旋转镜。

进一步的，所述信号发生器调制信号波形为正弦，电压1V，频率200Hz。

进一步的，所述调制器为压电陶瓷缠绕光纤制成。

采用上述任意一种3×3耦合器相位次序标定装置的相位次序标定方法，其特征在于：所述3×3耦合器相位次序标定装置的光源发出的光输入所述环形器的输入端，由所述环形器的输出端进入所述3×3耦合器，所述3×3耦合器将输入光分成三束并由另一端输出，其中第一束光通过所述第一反射镜，第二束光先后通过所述调制器和所述第二反射镜，第三束光通过断开的光路被完全衰减掉，第一束光和第二束光被反射镜反射回所述3×3耦合器，汇聚并发生干涉，干涉光再被分为三束光对应进入所述第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器；三个所述光电探测器接收到的光信号中，包含所述信号发生器加载在所述调制器上的调制信号和被测3×3耦合器附加的相位信息，三个所述光电探测器将光信号转换为电信号，电信号被所述数据采集卡采集输入所述计算机；所述计算机计算生成被测3×3耦合器输出信号的利萨茹图，根据利萨茹图中的XY曲线的轨迹判定信号的相位次序。

进一步的，所述信号发生器的调制信号也被所述数据采集卡采集输入所述计算机，在计算机中使用软件绘制出被测3×3耦合器输出信号的利萨茹图，利萨茹图中XY曲线的轨迹为椭圆；使用软件绘制出调制信号的正弦函数曲线作为参考信号曲线，所述的曲线轨迹判别准则为：参考信号曲线如果处于三角函数下降阶段时，同时刻如果XY曲线运行轨迹为顺时针，则X轴信号的相位超前，如果XY曲线运行轨迹为逆时针，则Y轴信号的相位超前；参考信号曲线如果处于三角函数上升阶段时，同时刻如果XY曲线运行轨迹为顺时针，则Y轴信号的相位超前，如果XY曲线运行轨迹为逆时针，则X轴信号的相位超前。

本发明可带来以下有益效果：

根据上述方案可以看出本发明具有如下优点：

本发明结合调制信号的波形轨迹与3×3耦合器输出信号构成的利萨茹图曲线的运动轨迹，按照曲线轨迹判别准则判断出两路信号之间相位的先后次序。

第一，本发明是一种3×3耦合器相位次序标定方法，可以标定3×3耦合器三路输出光信号的相位先后次序；所述相位角测量装置由光源、光纤环形器、三个光电探测器、反射镜、调制器、计算机及采集卡、信号发生器组成，结构简单成本低；

第二，本发明的相位次序标定方法为：采集相位角测量装置的输出信号合成利萨茹图形，同时将信号发生器发出的调制信号作为参考；结合参考信号与利萨茹图的运动轨迹，通过所述的曲线轨迹判别准则可以直观得判断出相位的先后次序，方法快速、简单。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明中实施例中3×3耦合器各结构示意图

图2是是本发明中实施例中三路信号的利萨茹图

图3是是本发明中实施例中输出频率为200Hz的正弦信号的利萨茹图

图4是是本发明中实施例中I₁三路信号的利萨茹图

图5是是本发明中实施例中I₂三路信号的利萨茹图

图中：

01光源 02光纤环形器 03被测3×3耦合器 04调制器

05第一反射镜 06第二反射镜 07第一光电探测器 08第二光电探测器

09第三光电探测器 10数据采集卡 11计算机 12信号发生器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明，但本发明不限于这一实施例：

实施例：

如图1所示，一种3×3耦合器相位角测量装置，包括光源1、光纤环形器2、调制器4、第一反射镜5、第二反射镜6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9、数据采集卡10、计算机11、信号发生器12。被测3×3耦合器3的一侧的3根光纤分别连接所述的光纤环形器2、第二光电探测器8、第三光电探测器9，所述光纤环形器2还连接所述光源1和所述第一光电探测器7；被测3x3耦合器3的另一侧连接所述调制器4和所述第一反射镜5，所述调制器4连接所述第二反射镜6，被测3×3耦合器3的第三条光路断开做消端面反射处理。

所述光源发出的光输入所述环形器2的输入端，由环形器2的一输出端进入被测3×3耦合器3。光分成三束由被测3×3耦合器3的另一端输出，其中第一束光通过所述第一反射镜5，第二束光先后通过所述调制器4和所述第二反射镜6，第三束光通过断开的光路被完全衰减掉。第一束光和第二束光被反射镜反射回所述3×3耦合器3后汇聚并发生干涉，干涉光再被分为三束光对应进入所述第一光电探测器7、第二光电探测器8、第三光电探测器9；三个所述光电探测器接收到的光信号中，都包含所述信号发生器10加载在所述调制器4上的调制信号和被测3×3耦合器3附加的相位信息。

三个所述光电探测器将光信号转换为电信号，电信号被所述数据采集卡11采集输入所述计算机12；同时，所述信号发生器10的调制信号也被所述数据采集卡11采集输入所述计算机。在所述的计算机中，使用软件绘制出被测3×3耦合器输出信号的利萨茹图，利萨茹图中XY曲线的轨迹为椭圆；使用软件绘制出调制信号的正弦曲线，作为参考。

本发明的曲线轨迹判别准则为：参考信号曲线如果处于三角函数下降阶段时，同时刻如果XY曲线运行轨迹为顺时针，则X轴信号的相位超前，如果XY曲线运行轨迹为逆时针，则Y轴信号的相位超前；参考信号曲线如果处于三角函数上升阶段时，同时刻如果XY曲线运行轨迹为顺时针，则Y轴信号的相位超前，如果XY曲线运行轨迹为逆时针，则X轴信号的相位超前。

3×3耦合器三路输出光信号表达式近似认为是：

I₁＝A₁+B₁cosα

I₂＝A₂+B₂cos(α-2π/3)

I₃＝A₃+B₃cos(α+2π/3)

A是干涉信号的直流量幅值，B是交流量幅值，α为加载的相位调制信号。三路信号的相位先后次序默认为I₁超前于I₂，I₂超前于I₃，如图2所示；信号发生器输出频率200Hz的正弦信号调制压电陶瓷调制器，正弦信号被数据采集卡采集输入计算机。其波形绘制在图3中；取3×3耦合器三路输出信号中的两路构成利萨茹图形，以I₁,I₂为例，绘制出椭圆曲线图4与图5。

图4中X＝I₁，Y＝I₂，X轴的相位超前于Y轴。以图3中的正弦曲线作为参考，当参考信号曲线处于轨迹1的下降阶段时，对应图4中XY曲线按照轨迹1顺时针运动；参考曲线达到最小值时，XY曲线的轨迹转换反向；当参考信号曲线处于轨迹2的上升阶段时，XY曲线按照轨迹2逆时针运动。

图5中X＝I₂，Y＝I₁，Y轴的相位超前于X轴。以图3中的正弦曲线作为参考，当参考信号曲线处于轨迹1的下降阶段时，对应图4中XY曲线按照轨迹1逆时针运动；参考曲线达到最小值时，XY曲线的轨迹转换反向；当参考信号曲线处于轨迹2的上升阶段时，XY曲线按照轨迹2顺时针运动。

同样的分析I₂与I₃、I₁与I₃这两种信号组合，可以总结出以下规律：在X轴相位超前的情况下，参考信号曲线下降时，XY图轨迹为顺时针；参考信号曲线上升时，XY图轨迹为逆时针。在Y轴相位超前的情况下，参考信号曲线下降时，XY图轨迹为逆时针；参考信号曲线上升时，XY图轨迹为顺时针。这一规律既是我们提出的曲线轨迹判别准则。

以上所述一个实施例的实施方式仅用来说明本发明，而并非对本发明的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员，在不脱离本发明揭露的技术范围内，可做出各种各样的变型、变化或替换，因此所有等同类似的技术方法都应涵盖在本发明的专利保护范围之内。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种3×3耦合器相位次序标定装置，所述3×3耦合器相位次序标定装置包括3×3耦合器及相位角测量装置，其特征在于：所述的相位角测量装置包括光源、光纤环形器、调制器、第一反射镜、第二反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集卡、计算机、信号发生器，所述3×3耦合器一侧通过光纤分别连接所述光纤环形器、第二光电探测器、第三光电探测器，所述光纤环形器连接所述光源和所述第一光电探测器；所述3×3耦合器的另一侧连接所述调制器和所述第一反射镜，所述调制器再连接所述第二反射镜。

2.如权利要求1所述的一种3×3耦合器相位次序标定装置，其特征在于：所述3×3耦合器的第三条光路断开做消端面反射处理。

3.如权利要求1所述的一种3×3耦合器相位次序标定装置，其特征在于：所述光源为单波长激光器。

4.如权利要求1所述的一种3×3耦合器相位次序标定装置，其特征在于：所述光纤环形器有三个端口，光在环形器中只能沿固定方向传输。

5.如权利要求1所述的一种3×3耦合器相位次序标定装置，其特征在于：所述反射镜为法拉第旋转镜。

6.如权利要求1所述的一种3×3耦合器相位次序标定装置，其特征在于：所述信号发生器调制信号波形为正弦，电压1V，频率为200Hz。

7.如权利要求1所述的一种3×3耦合器相位次序标定装置，其特征在于：所述调制器为压电陶瓷缠绕光纤制成。

8.采用权利要求1至7所述的任意一种3×3耦合器相位次序标定装置的相位次序标定方法，其特征在于：所述3×3耦合器相位次序标定装置的光源发出的光输入所述环形器的输入端，由所述环形器的输出端进入所述3×3耦合器，所述3×3耦合器将输入光分成三束并由另一端输出，其中第一束光通过所述第一反射镜，第二束光先后通过所述调制器和所述第二反射镜，第三束光通过断开的光路被完全衰减掉，所述第一束和第二束通过反射镜的光被反射回所述3×3耦合器后汇聚并发生干涉后再分为三束光对应进入所述第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器；三个所述光电探测器接收到的光信号中，包含所述信号发生器加载在所述调制器上的调制信号和被测3×3耦合器附加的相位信息，三个所述光电探测器将光信号转换为电信号，电信号被所述数据采集卡采集输入所述计算机；所述计算机计算生成被测3×3耦合器输出信号的利萨茹图，根据利萨茹图中的XY曲线的轨迹判定信号的相位次序。

9.如权利要求8所述的一种3×3耦合器相位次序标定方法，其特征在于：所述信号发生器的调制信号也被所述数据采集卡采集输入所述计算机，在所述的计算机中，使用软件绘制出被测3×3耦合器输出信号的利萨茹图，利萨茹图中XY曲线的轨迹为椭圆；使用软件绘制出调制信号的正弦函数曲线作为参考信号曲线，所述的曲线轨迹判别准则为：参考信号曲线如果处于三角函数下降阶段时，同时刻如果XY曲线运行轨迹为顺时针，则X轴信号的相位超前，如果XY曲线运行轨迹为逆时针，则Y轴信号的相位超前；参考信号曲线如果处于三角函数上升阶段时，同时刻如果XY曲线运行轨迹为顺时针，则Y轴信号的相位超前，如果XY曲线运行轨迹为逆时针，则X轴信号的相位超前。