CN108322259A - 一种激光干涉仪载波调制器 - Google Patents

一种激光干涉仪载波调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光干涉仪载波调制器，主要包括主要包括至少由基元A和基元B为一组单位的多组基元，基元A主要由圆管、光纤缠绕层、防护胶层、圆管内壁电极层导线A、圆管外壁电极层导线A、光纤缠绕层光纤端A、光纤缠绕层光纤端B组成，基元B主要由圆管、光纤缠绕层、防护胶层、管内壁电极层导线B、圆管外壁电极层导线B、光纤缠绕层光纤端C、光纤缠绕层光纤端D组成。本发明能给激光干涉仪提供激光信号的大范围、宽频带载波调制，当基于相位生成载波原理的激光干涉仪的臂长差较短时，单个基元的调制强度较弱，可以采用多个基元联合工作的模式，能够获得调制强度的成倍数提高，实现良好的信噪比，保证了干涉仪解调系统的可靠运行。

Description

一种激光干涉仪载波调制器
技术领域
本发明涉及光纤传感设备技术领域，具体涉及干涉型光纤传感系统中的主要器件领域，涉及一种激光干涉仪载波调制器。
背景技术
激光干涉仪是光纤传感应用常用到的一种构成，它在监测领域的应用越来越广，其中，应用在水声领域的激光干涉型光纤传感器称为光纤水声传感器。光纤声学传感器是一种新型的水声学传感器，相对于传统的压电声学传感器，光纤声学传感器具有探测灵敏度高、响应频带宽、耐恶劣环境、结构轻巧、抗电磁干扰和易于大规模成阵等特点，是现代声学传感器的一个重要发展方向。所以，多国纷纷投入大量人力和财力进行有关光纤声学传感器的研究和试验，已经开展工程应用。
激光干涉仪是组成光纤水声传感系统的必要组成部分，利用相位调制型光纤水听器是利用光纤中光波相位变化来进行探测；偏振调制型水听器是利用单根双折射单模光纤中两正交偏振模在外界因素影响下相移的不同进行传感；典型的波长调制型光纤水听器是光纤光栅水听器，它通过外界参量对布拉格波长的调制来获取传感信息。这四种光纤水听器中，强度型和偏振型光纤水听器由于其探测灵敏度远不如相位干涉型，目前已基本不再研究；以FBG为核心元件的波长调制型光纤水听器近年来正在不断研究发展，但主要还停留在实验室或者试验阵列的研究阶段；目前工程实用化的光纤水听器均采用相位调制型。目前最先进的是利用光纤水听器信号解调技术如相位载波(PGC)调制解调技术获得光纤水听器感受到的声信号。这样的测量具有很高的精度。
PGC方法的基本思想是通过在干涉仪输出相位中生成一个相位载波，使输出信号可以分解为两个正交分量，通过对两者分别处理，可以得到信号的线性表达式。PGC调制解调技术主要分调制(有外调制和内调制)和解调(有微分交叉相乘法和反正切法)两个部分。通过相位载波，使光源输出的光波相位随载波信号有规律的变化，从而实现了相位调制。PGC解调则是通过信号处理的方法，从光纤水听器的输出信号中解调出被测信号。其中，微分交叉相乘法在PGC方法应用过程中提出最早，正切法则是作为其改进的方法而提出的，这两种方法各有优缺点。微分交叉相乘法的处理更加直接、简单，但对被检测的信号形式有一定的要求；而反正切法牺牲了简洁性，但对任何信号都可以不失真的恢复。因此，实际应用中，反正切法用的比较多。
光干涉信号的PGC解调从实现方式上主要分为软解调和硬解调两种。软件解调是指采集光电转换后的电信号，采用计算机软件编写处理过程，进行分析提取，处理过程全部数字化，不能实现实时解调；而硬件解调主要是指采用DSP板制作，带有光电接收转换放大、A/D转换、滤波器、D/A转换等硬件部分，采用FPGA编写处理过程，采用模拟信号输出，能够实现实时解调。国内目前对相位干涉相光纤水听器的光信号解调通常采用软解调的方式实现。
例如发明专利201010589979.2描述了一种光纤水听器相移灵敏度的校准系统。该校准系统是基于OPD4000光相位解调仪而建立，能够精确校准干涉型光纤水听器的相移灵敏度，采用外调制的方法生成载波，所采用的外调制器是单频窄带调制器，光相位解调子系统是基于相位生成载波外调制解调技术(PGC)的原理组成。当该系统的测量动态范围收到载波频率的限制，提高载波频率能有效提高测量动态范围，但当采用高频调制器或者工作在远离调制器谐振频率处时，依然存在光相位调制强度不够大的问题，该问题会使得该校准系统的工作性能不稳定，且调制器存在一定的功率极限，不能无限提高驱动强度来提高调制度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种激光干涉仪载波调制器。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种激光干涉仪载波调制器，主要包括至少由基元A和基元B为一组单位的多组基元，基元A主要由圆管、光纤缠绕层、防护胶层、圆管内壁电极层导线A、圆管外壁电极层导线A、光纤缠绕层光纤端A、光纤缠绕层光纤端B组成，基元B主要由圆管、光纤缠绕层、防护胶层、管内壁电极层导线B、圆管外壁电极层导线B、光纤缠绕层光纤端C、光纤缠绕层光纤端D组成，多个基元重复基元A和基元B的排列可以组成更大的调制器，所有基元依靠紧固件安装在基板上，多个基元同时起作用，能对激光干涉仪的干涉光信号的相位产生载波调制作用。
所述圆管是一种将电能转换成振动的圆柱体器件，圆管内壁和外壁上分别有圆管内壁电极层和圆管外壁电极层，圆管内壁电极层和圆管外壁电极层分别连接圆管内壁电极层导线A、圆管外壁电极层导线A，当两个导线端之间输入激励交流电信号时，圆管外壁能够产生径向振动，所有圆管的振动步调一致并产生与激励交流电信号同频率的周期性扩张和压缩振动，圆管外壁表面光滑，粗糙度达到微米级，所有圆管必须具有良好的一致性，其阻抗模值差异必须小于10％，相角差异小于5°，振幅一致性差异小于1％，所有圆管的两个导线端必须具有相同的正负极定义。
所述的激励交流电信号是具有一定强度的连续单频正弦交流电压，每个圆管的两个导线端之间的绝缘强度必须能承受该电压。
所述的光纤缠绕层中的光纤是单模或者多模光纤，每个圆管外壁上只缠绕一根光纤，光纤紧密贴合在圆管外壁上，与圆管外壁之间没有孔隙，且光纤处于拉伸状态，缠绕多层，每层之间也是紧密贴合，光纤中输入窄线宽的连续激光，线宽小于10kHz。
所述的防护胶层是高分子材料，采用灌封方式，包覆在光纤缠绕层外侧，紧固件镶嵌在防护胶层中，紧固件与光纤缠绕层和圆管都不接触。
所述基元A的圆管内壁电极层导线A和基元B的圆管内壁电极层导线B并联连接成圆管内壁电极层导线并联端，基元A的圆管外壁电极层导线A和基元B的圆管外壁电极层导线B并联连接成圆管外壁电极层导线并联端。
所述光纤缠绕层光纤端A、光纤缠绕层光纤端B、光纤缠绕层光纤端C、光纤缠绕层光纤端D依次串联连接，多个基元依次类推，所有基元的光纤缠绕层都串联，第一个基元的输入光纤端和最后一个基元的输出光纤端分别为激光的输入和输出端。。
本发明的有益效果为：能给激光干涉仪提供激光信号的大范围、宽频带载波调制，当基于相位生成载波原理的激光干涉仪的臂长差较短时，单个基元的调制强度较弱，可以采用多个基元联合工作的模式，能够获得调制强度的成倍数提高，实现良好的信噪比，保证了干涉仪解调系统的可靠运行。
附图说明
图1为本发明的基元构成俯视剖面示意图。
图2为本发明的基元构成侧视剖面示意图。
图3为本发明的基元外观示意图。
图4为调制器封装壳体示意图。
图5为激光干涉信号时域波形图。
附图标记说明：基元A1、基元B2、圆管3、圆管内壁电极层4、圆管外壁电极层5、光纤缠绕层6、防护胶层7、圆管内壁电极层导线A8、圆管外壁电极层导线A9、光纤缠绕层光纤端A10、光纤缠绕层光纤端B11、圆管内壁电极层导线B12、圆管外壁电极层导线B13、圆管外壁电极层导线并联端14、圆管内壁电极层导线并联端15、光纤缠绕层光纤端C16、光纤缠绕层光纤端D17、紧固件18。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
如附图所示，这种激光干涉仪载波调制器，主要包括至少由基元A1和基元B2为一组单位的多组基元，基元A1主要由圆管3、光纤缠绕层6、防护胶层7、圆管内壁电极层导线A8、圆管外壁电极层导线A9、光纤缠绕层光纤端A10、光纤缠绕层光纤端B11组成，基元B2主要由圆管3、光纤缠绕层6、防护胶层7、管内壁电极层导线B12、圆管外壁电极层导线B13、光纤缠绕层光纤端C16、光纤缠绕层光纤端D17组成，多个基元重复基元A1和基元B2的排列可以组成更大的调制器，所有基元依靠紧固件18安装在基板上，多个基元同时起作用，能对激光干涉仪的干涉光信号的相位产生载波调制作用。
所述圆管3是一种将电能转换成振动的圆柱体压电器件，圆管3内壁和外壁上分别有圆管内壁电极层4和圆管外壁电极层5，圆管内壁电极层4和圆管外壁电极层5分别连接圆管内壁电极层导线A8、圆管外壁电极层导线A9，当两个导线端之间输入激励交流电信号时，圆管3外壁能够产生径向振动，所有圆管3的振动步调一致并产生与激励交流电信号同频率的周期性扩张和压缩振动，圆管3外壁表面光滑，粗糙度达到微米级，所有圆管3必须具有良好的一致性，其阻抗模值差异必须小于10％，相角差异小于5°，振幅一致性差异小于1％，所有圆管3的两个导线端必须具有相同的正负极定义。
所述的激励交流电信号是具有一定强度的连续单频正弦交流电压，每个圆管3的两个导线端之间的绝缘强度必须能承受该电压。
所述的光纤缠绕层6中的光纤是单模或者多模光纤，每个圆管3外壁上只缠绕一根光纤，光纤紧密贴合在圆管3外壁上，与圆管3外壁之间没有孔隙，且光纤处于拉伸状态，缠绕多层，每层之间也是紧密贴合，光纤中输入窄线宽的连续激光，线宽小于10kHz。
所述的防护胶层7是高分子材料，采用灌封方式，包覆在光纤缠绕层6外侧，防护胶层7是柔性材料，邵氏硬度值50，能够防止光纤缠绕层6松散脱落，既能保持住光纤缠绕时存在的内在拉应力使其紧密贴合在圆管3外壁上，还能去耦隔振，防止圆管3的振动受到干扰，紧固件18镶嵌在防护胶层7中，紧固件18与光纤缠绕层6和圆管3都不接触，每个基元有多个紧固件7，起到平衡和固定作用，防止基元移动。
所述基元A1的圆管内壁电极层导线A8和基元B2的圆管内壁电极层导线B12并联连接成圆管内壁电极层导线并联端15，基元A1的圆管外壁电极层导线A9和基元B2的圆管外壁电极层导线B13并联连接成圆管外壁电极层导线并联端14，圆管外壁电极层导线并联端14和圆管内壁电极层导线并联端15直接连接到调制器壳体面板上的电连接器上，该连接器用于输入激励交流电信号。
所述光纤缠绕层光纤端A10、光纤缠绕层光纤端B11、光纤缠绕层光纤端C16、光纤缠绕层光纤端D17依次串联连接，多个基元依次类推，所有基元的光纤缠绕层6都串联，第一个基元的输入光纤端和最后一个基元的输出光纤端分别为激光的输入和输出端。
在发明的具体实施中，依据图3所示连接干涉型光纤水听器相移灵敏度测量系统，激光源功率3mW，波长1550nm，线宽1kHz。其中调制器就采用本发明中的设计方案，拥有两个基元，每个基元的谐振频率约18.6kHz，圆管3采用锆钛酸铅压电陶瓷，圆管3外径60mm，高度31mm，圆管内壁电极层4和圆管外壁电极层5，每个圆管3的光纤缠绕层6有2层，光纤类型为单模普通光纤，直径28μm，每个光纤缠绕层6的光纤长度约60m，单基元光程调制度为8μm/Vpp，圆管3的线性驱动电压值上限约为200Vpp。当正弦交流载波调制电信号的频率为18kHz时，为了达到调制度为π，单个基元的两个导电线端需要接入电压值为20Vpp的正弦交流电信号，采用两个基元联合工作时，并联连接的两个导电线端只需接入电压值为10Vpp的正弦交流电信号，就能满足要求。当正弦交流载波调制电信号的频率为40kHz时，单个基元的极限条件下都无法达到，采用两个基元联合工作时，并联连接的两个导电线端接入电压值为150Vpp的正弦交流电信号就能满足要求。
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 (7)

1.一种激光干涉仪载波调制器，其特征在于：主要包括至少由基元A(1)和基元B(2)为一组单位的多组基元，基元A(1)主要由圆管(3)、光纤缠绕层(6)、防护胶层(7)、圆管内壁电极层导线A(8)、圆管外壁电极层导线A(9)、光纤缠绕层光纤端A(10)、光纤缠绕层光纤端B(11)组成，基元B(2)主要由圆管(3)、光纤缠绕层(6)、防护胶层(7)、管内壁电极层导线B(12)、圆管外壁电极层导线B(13)、光纤缠绕层光纤端C(16)、光纤缠绕层光纤端D(17)组成，多个基元重复基元A(1)和基元B(2)的排列组成更大的调制器，所有基元依靠紧固件(18)安装在基板上，多个基元同时起作用,能对激光干涉仪的干涉光信号的相位产生载波调制作用。
2.根据权利要求1所述的激光干涉仪载波调制器，其特征在于：所述圆管(3)是一种将电能转换成振动的圆柱体压电器件，圆管(3)内壁和外壁上分别有圆管内壁电极层(4)和圆管外壁电极层(5)，圆管内壁电极层(4)和圆管外壁电极层(5)分别连接圆管内壁电极层导线A(8)、圆管外壁电极层导线A(9)，当两个导线端之间输入激励交流电信号时，圆管(3)外壁能够产生径向振动，所有圆管(3)的振动步调一致并产生与激励交流电信号同频率的周期性扩张和压缩振动，圆管(3)外壁表面光滑，粗糙度达到微米级，所有圆管(3)必须具有良好的一致性，其阻抗模值差异必须小于10％，相角差异小于5°，振幅一致性差异小于1％，所有圆管(3)的两个导线端必须具有相同的正负极定义。
3.根据权利要求2所述的激光干涉仪载波调制器，其特征在于：所述的激励交流电信号是具有一定强度的连续单频正弦交流电压，每个圆管(3)的两个导线端之间的绝缘强度必须能承受该电压。
4.根据权利要求1所述的激光干涉仪载波调制器，其特征在于：所述的光纤缠绕层(6)中的光纤是单模或者多模光纤，每个圆管(3)外壁上只缠绕一根光纤，光纤紧密贴合在圆管(3)外壁上，与圆管(3)外壁之间没有孔隙，且光纤处于拉伸状态，缠绕多层，每层之间也是紧密贴合，光纤中输入窄线宽的连续激光，线宽小于10kHz。
5.根据权利要求1所述的激光干涉仪载波调制器，其特征在于：所述的防护胶层(7)是高分子材料，采用灌封方式，包覆在光纤缠绕层(6)外侧，紧固件(18)镶嵌在防护胶层(7)中，紧固件(18)与光纤缠绕层(6)和圆管(3)都不接触。
6.根据权利要求1所述的激光干涉仪载波调制器，其特征在于：所述基元A(1)的圆管内壁电极层导线A(8)和基元B(2)的圆管内壁电极层导线B(12)并联连接成圆管内壁电极层导线并联端(15)，基元A(1)的圆管外壁电极层导线A(9)和基元B(2)的圆管外壁电极层导线B(13)并联连接成圆管外壁电极层导线并联端(14)。
7.根据权利要求1所述的激光干涉仪载波调制器，其特征在于：所述光纤缠绕层光纤端A(10)、光纤缠绕层光纤端B(11)、光纤缠绕层光纤端C(16)、光纤缠绕层光纤端D(17)依次串联连接，多个基元依次类推，所有基元的光纤缠绕层(6)都串联，第一个基元的输入光纤端和最后一个基元的输出光纤端分别为激光的输入和输出端。
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