CN108426592A - 基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其通过对激光光源施加调制信号，以形成经相位调制的光脉冲；所述经相位调制的光脉冲在传输至光纤光栅后，反射部分的脉冲光束产生干涉现象，并形成干涉信号；将所述干涉信号分成三路干涉信号，利用已形成的所述三路干涉信号，并采用平方和的算法生成新的移相干涉信号。本发明本发明有效解决了光纤光栅传感中偏振衰弱的问题，利用三态偏振分集接收器输出的三路干涉信号，充分利用三路干涉信号，采用平方和的方法生成新的移相干涉信号，无需进行选择判断，同时能准确获得相关相位信息。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法。
背景技术
随着中国经济的飞速发展，社会逐渐进入物联网时代，在物联网中光纤传感技术极其重要，而光纤光栅传感由于具有成本低、灵敏度高、抗电磁干扰、可实现准分布式测量等诸多优点，因此该传感方式备受亲睐并应用于周界安防、油气管道监测、环境监测等重大领域。以干涉型光纤光栅为例，由于一般常用的都是普通单模光纤，偏振光在其中传输时会发生双折射，因此在光纤中传输的光偏振态会发生随机变化，发生偏振衰弱现象，导致干涉条纹对比度下降。因此，迫切需要相关方法解决偏振衰弱的问题。
目前存在的方法有，对输出光进行分集检测、对输出光进行高频调制、对输入光进行反馈控制、采用法拉第旋光反射镜。其中采用法拉第旋光反射镜是最简便的方式，但对于反射式的光纤光栅系统并不适用。2001年，浙江大学李志能等人提出采用偏振开关法消偏振衰弱方法，主要思路是通过自动增益控制电路使传感信号稳定，通过相互正交的两个偏振态补偿其中一个偏振态变化导致的干涉信号衰落，此方法可以很好的处理偏振衰弱问题，但这是以牺牲条纹可见度为代价实现的。2005年，李东等人提出非平衡光纤M-Z干涉仪消偏振衰弱的方法，主要是通过控制输入光的偏振态或干涉仪本征矢量，使两者夹角在0附近取值，可以抑制干涉仪的偏振衰弱和相位噪声，但这种控制有一定难度。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有的光纤光栅传感抗偏振衰弱方法中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明其中的一个目的是提供一种基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其处理方式简单，中间无需进行多余的选择判断，同时能准确获得相关相位信息。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，先对激光光源施加调制信号，以形成经相位调制的光脉冲；所述经相位调制的光脉冲在传输至光纤光栅后，反射部分的脉冲光束产生干涉现象，并形成干涉信号；将所述干涉信号分成三路干涉信号，利用已形成的所述三路干涉信号，并采用平方和的算法生成新的移相干涉信号。
作为本发明所述基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法的一种优选方案，其中：所述调制信号为矩形脉冲信号，且所述矩形脉冲信号经过光开关之后产生光脉冲信号。
作为本发明所述基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法的一种优选方案，其中：对所述光脉冲信号进行二元相位调制，且调制深度为π/4，以形成经相位调制的光脉冲。
作为本发明所述基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法的一种优选方案，其中：所述经相位调制的光脉冲通过环形器传输至光纤光栅。
作为本发明所述基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法的一种优选方案，其中：经过光纤光栅反射并干涉后输出移相量为π/4，0，-π/4的移相干涉信号。
作为本发明所述基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法的一种优选方案，其中：使用三态偏振分集接收器接收所述干涉信号，并通过所述三态偏振分集接收器将不同偏振方向的干涉信号分成三路，共形成三组三路移相干涉信号。
作为本发明所述基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法的一种优选方案，其中：将所述干涉信号转换为三组三路光强电信号。
作为本发明所述基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法的一种优选方案，其中：提取所述三组三路光强电信号中的干涉项后通过平方和的算法产生移相量为π/2，0，-π/2的新的移相干涉信号，以得到相互正交的干涉项。
作为本发明所述基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法的一种优选方案，其中：以所述相互正交的干涉项为基础，采用反正切函数解调出最终的相位信号。
作为本发明所述基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法的一种优选方案，其中：包括如下过程，打开激光光源，信号发生器分别与光开关和相位调制器连接，由信号发生器产生脉冲信号作用于光开关，产生光脉冲信号，同时作用于相位调制器，产生相位调制信号，激光光源发出的光依次经过隔离器、光开关和相位调制器，形成经相位调制的光脉冲，调制深度为π/4；
经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器的第A端口，通过其第B端口进入等间距光纤光栅组成的光缆中，脉冲光束透过不同光纤光栅时，均有部分脉冲光束返回环形器，相邻两个光纤光栅反射的脉冲光束在环形器中产生移相量为π/4，0，-π/4的移相干涉信号，并从环形器的第C端口输出至三态偏振分集接收器；
三态偏振分集接收器将不同偏振方向的干涉信号分成三路，再由三个光电探测器将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块采集光强电信号，并将其送入数据处理模块，数据处理模块通过标定相位调制信号和接收信号的延时，获取相邻两个光纤光栅发生干涉后产生的九路移相的光强信号I11，I12，I13，I21，I22，I23，I31，I32，I33；
将三态偏振分集接收器的干涉信号滤波去直流相，再经过平方相加得到移相量为π/2，0，-π/2的三路移项信号，从而解调出相位。
本发明的有益效果：本发明本发明有效解决了光纤光栅传感中偏振衰弱的问题，利用三态偏振分集接收器输出的三路干涉信号，采用平方和的方法生成新的移相干涉信号，处理方式简单，中间无需进行多余的选择判断，同时能准确获得相关相位信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法第一个实施例所述的系统整体结构示意图。
图2为本发明基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法第一个实施例所述的调制叠加光强图。
图3为本发明基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法第一个实施例所述的同一偏振方向三路光强图。
图4为本发明基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法第一个实施例所述的平方和所得新三路光强图。
图5为本发明基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法第一个实施例所述的解调相位图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
参照图1～5，为本发明第一个实施例，本实施例提供了一种基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法。本发明在偏振分集控制的基础之上，采用π/4调制深度的二元相位调制，并对所产生的三路偏振分集的处理方式进行改进，处理方式简单，且中间无需进行多余的选择判断，充分利用三路偏振分集信号，同时能准确获得相关相位信息。
具体的，本发明通过对激光光源100施加调制深度为π/4的矩形脉冲调制信号，产生出经过相位调制的光脉冲。其经过光纤光栅106反射后又在干涉输出信号中产生移相量为π/4，0，-π/4的移相干涉信号，同时使用三态偏振分集接收器107接收输出的干涉信号。三态偏振分集接收器107将不同偏振方向的干涉信号分成三路，即根据π/4，0，-π/4的移相量，总共形成三组三路移相干涉信号。若将干涉信号转换为光强电信号，即可得到九路移相的光强电信号。
提取三组三路光强电信号中的干涉项后通过平方和的算法产生移相量为π/2，0，-π/2的新的移相干涉信号，即得到相互正交的干涉项，最后利用反正切法解调出最终的相位信号。
本发明基于三态偏振分集检测的原理，使用三态偏振分集接收器107接收输出的干涉光强信号并输出三路干涉信号。在实际中，如果将干涉仪输出的光脉冲干涉信号通过透镜扩束成强度均匀的3束光，各自通过检偏角相差60°的3个偏振膜，分别被3个光电探头(PD)接收，光电探测模块内的光路、电路设计可以保持测试得到的信号同步。
三路信号随着干涉仪两臂的偏振态度变化不可能同时为零，采用相应叠加处理可抑制幅度随机波动。在后续处理中加入自动增益控制处理，能够得到一个较为稳定的输出。
假设PD输出各自的偏振态是任意的，偏振态没有关联。从普适情况出发，设信号臂和参考臂的脉冲光电矢量Es、Er均为椭圆偏振态，方位角和椭率角分别为θs、εs和θr、εr的椭圆偏振态，其琼斯矢量为：
其中，ES和Er分别是矢量和的振幅，和分别是矢量和的相位。设两臂的干涉信号通过与x轴夹角为θ的PD探头，θ检偏角矩阵形式为光强输出：
提取干涉相：
式中：
a＝cos(εs-εr)cos(θs-θr)+cos(εs+εr)cos(θs+θr-2θ)
b＝sin(εs+εr)sin(θs-θr)+sin(εs-εr)sin(θs+θr-2θ)
得到：
式中ξ＝tan(b/a)，得到：
将三态偏振分集接收器107的干涉信号滤波去直流相，三路偏振分集采集器(8)干涉信号Imn：
其中θs、θs为信号臂和参考臂的方位角，k＝0,1,2，m＝1,2,3，n＝1,2,3
三路平方和：
于是有：
令可得：
解得
本发明采用π/4调制深度的二元相位调制，使得经相位调制的光脉冲在等间距光纤光栅106反射并干涉后输出至三态偏振分集接收器107，由其产生三路干涉信号。同时，充分利用已有的三组三路移相干涉信号，采用对干涉项进行平方和的方式生成新的三路移相信号。如图1所示的系统整体结构示意图，具体实施如下：
打开激光光源100，信号发生器104分别与光开关102和相位调制器103连接，由信号发生器104产生脉冲信号作用于光开关102，产生光脉冲信号，同时作用于相位调制器103，产生相位调制信号，激光光源100发出的光依次经过隔离器101、光开关102和相位调制器103，形成经相位调制的光脉冲，调制深度为π/4，如图2中2-1所示。
经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器105的第A端口，通过其第B端口进入等间距光纤光栅106组成的光缆中，脉冲光束透过不同光纤光栅106时，均有部分脉冲光束返回环形器105，相邻两个光纤光栅106反射的脉冲光束在环形器105中产生移相量为π/4，0，-π/4的移相干涉信号，并从环形器105的第C端口输出至三态偏振分集接收器107，不同光栅反射回来的脉冲信号如图2中的2-1～2-4所示，2-5为最终干涉叠加后的图。
三态偏振分集接收器107将不同偏振方向的干涉信号分成三路，再由三个光电探测器108将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块109采集光强电信号，并将其送入数据处理模块110，数据处理模块110通过标定相位调制信号和接收信号的延时，获取相邻两个光纤光栅106发生干涉后产生的九路移相的光强信号I11，I12，I13，I21，I22，I23，I31，I32，I33；其中I11，I12，I13的关系如图3所示。
将三态偏振分集接收器107输出的干涉信号滤波去直流相，再经过平方相加得到三路平方和I1，I2，I3，如图4所示，此三路信号的移相量为π/2，0，-π/2，为相互正交的干涉项，最终由所得I1，I2，I3解调出相位如图5所示。
因此，由上述可知，本发明是基于π/4调制深度的相位调制方法，并在偏振分集控制的基础之上，对三路偏振分集的处理方式进行改进，其具体方式如下所示：
系统整体结构如图1所示，设光源形成的光脉冲调制周期为T，激光光源100发出的光脉冲在一个周期T的复振幅E可以表示为：
E＝0，t1+kT＜t＜(k+1)T (13)
其中，k表示整数，A0为振幅大小，为调制相位，由相位调制器103产生，调制信号为矩形脉冲，其具体表达式为：
激光脉冲从环形器105进入光纤光栅阵列，入射光脉冲分别经过FBG1，FBG2至FBGn(FBG1，FBG2，……，FBGn分别指光纤光栅106的第一道光栅，第二道光栅，……，第n道光栅)，发生反射，光栅间长度间隔为Δl，同时满足t1/2＝2nΔl/c，这样返回的第二个光脉冲前一半与第一个脉冲的后一半发生重叠。返回的第三个光脉冲前一半与第二个脉冲的后一半发生重叠，且不与第一个脉冲发生重叠，依次类推。以第1组干涉信号为例，干涉发生在t1/2+kT≤t＜t1+kT时间段，干涉光强I可以表示为：
其中为所求信号相，为环境干扰相和初始相。表示相位调制相，如图2所示，其表达式为：
此时I可按时间分解为：
当存在三路PD时，获取相邻两个光纤光栅106发生干涉后产生的九路移相的光强信号I11，I12，I13，I21，I22，I23，I31，I32，I33，可简化表示为：
其中，A、C、E表示三路PD对应的直流项；B、D、F为对应的干涉项幅值。结合上述公式(9)～(12)，其中，平方和算法如下：
再利用反正切算法，即：
至此可解调出最终相位信息。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其特征在于：对激光光源(100)施加调制信号，以形成经相位调制的光脉冲；
所述经相位调制的光脉冲在传输至光纤光栅(106)后，反射部分的脉冲光束产生干涉现象，并形成干涉信号；
将所述干涉信号分成三路干涉信号，利用已形成的所述三路干涉信号，并采用平方和的算法生成新的移相干涉信号。
2.如权利要求1所述的基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其特征在于：所述调制信号为矩形脉冲信号，且所述矩形脉冲信号经过光开关(102)之后产生光脉冲信号。
3.如权利要求2所述的基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其特征在于：对所述光脉冲信号进行二元相位调制，且调制深度为π/4，以形成经相位调制的光脉冲。
4.如权利要求3所述的基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其特征在于：所述经相位调制的光脉冲通过环形器(105)传输至光纤光栅(106)。
5.如权利要求1或4所述的基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其特征在于：经过光纤光栅(106)反射并干涉后输出移相量为π/4，0，-π/4的移相干涉信号。
6.如权利要求5所述的基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其特征在于：使用三态偏振分集接收器(107)接收所述干涉信号，并通过所述三态偏振分集接收器(107)将不同偏振方向的干涉信号分成三路，共形成三组三路移相干涉信号。
7.如权利要求1或6所述的基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其特征在于：所述干涉信号通过光电探测器(108)转换为三组三路光强电信号。
8.如权利要求7所述的基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其特征在于：提取所述三组三路光强电信号中的干涉项后通过平方和的算法产生移相量为π/2，0，-π/2的新的移相干涉信号，以得到相互正交的干涉项。
9.如权利要求8所述的基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其特征在于：以所述相互正交的干涉项为基础，采用反正切函数解调出最终的相位信号。
10.如权利要求9所述的基于π/4移相调制的光纤传感解调及其抗偏振衰弱方法，其特征在于，包括：
打开激光光源(100)，信号发生器(104)分别与光开关(102)和相位调制器(103)连接，由信号发生器(104)产生脉冲信号作用于光开关(102)，产生光脉冲信号，同时作用于相位调制器(103)，产生相位调制信号，激光光源(100)发出的光依次经过隔离器(101)、光开关(102)和相位调制器(103)，形成经相位调制的光脉冲，调制深度为π/4；
经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器(105)的第A端口，通过其第B端口进入等间距光纤光栅(106)组成的光缆中，脉冲光束透过不同光纤光栅(106)时，均有部分脉冲光束返回环形器(105)，相邻两个光纤光栅(106)反射的脉冲光束在环形器(105)中产生移相量为π/4，0，-π/4的移相干涉信号，并从环形器(105)的第C端口输出至三态偏振分集接收器(107)；
三态偏振分集接收器(107)将不同偏振方向的干涉信号分成三路，再由三个光电探测器(108)将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块(109)采集光强电信号，并将其送入数据处理模块(110)，数据处理模块(110)通过标定相位调制信号和接收信号的延时，获取相邻两个光纤光栅(106)发生干涉后产生的九路移相的光强信号I11，I12，I13，I21，I22，I23，I31，I32，I33；
将三态偏振分集接收器(107)的干涉信号滤波去直流相，再经过平方相加得到移相量为π/2，0，-π/2的三路移项信号，从而解调出相位。
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