CN109004983B - 一种基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法激光光源输出的连续信号光经过相位调制器后各边带和载波相互拍频，且每个拍频信号总是存在一个与之等大反相的信号，光学谐振滤波器作为鉴频器，光载波、上边带、下边带经过谐振滤波器后相位发生变化，信号载波和边带都产生了一个相位延迟，从而打破了相位之间的平衡状态，使拍频信号可以被探测器探测到。当滤波器的中心波长随环境漂移，光载波对应相位响应曲线不同的位置，相位延迟量不同从而探测得到的频谱功率不同，通过不同幅度的频谱输出解调出中心反射波长实现环境参量监测。

Description

一种基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法
技术领域
本发明涉及微波光子学及光纤传感技术领域，具体的说，是一种基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法。
背景技术
随着光电子器件以及微波通信技术的快速发展，形成了光学和电学的交叉学科，即微波光子学。微波光子技术具有带宽高、重量轻、抗电磁干扰以及损耗低等优点，对微波信号的发生、传输和处理等方面都有很大的优势，并且被广泛应用于通信、军事等方面。其中，使用铌酸锂晶体作为调制器主要构造的相位调制器迅速发展，无论是使用长距离色散光纤，还是光纤光栅，系统传输的过程都将存在相位调制到强度调制(PM-IM)转换的响应。基于相位调制器调制的信号与强度调制器的信号相比较，在偏置漂移上，相位调制器不需要偏置电流，因此不存在漂移。并且这一过程中PM-IM转换同样实现了带通滤波的频率响应。
作为一种新型的光纤无源器件，近年来以光纤光栅为主的光学谐振滤波器的研究受到广泛关注。目前，结合现在的技术，光纤光栅传感器可以对这些物理量进行精确测量：温度、应变、位移、压力、扭角、压强、加速度磁场、电场、频率、热膨胀系数等。通常，外界的温度、应变和压力等变化直接影响谐振滤波器反射谱的中心波长，如果需要得到更加精确的测量值，那么还需要对中心波长的变化量进行准确监测。光纤光栅的传感过程主要是通过外界参量对光栅波长进行调制来获取传感信息，它是一种波长调制型光纤传感器，因此检测波长微小漂移量的解调技术对光纤光栅传感器的发展与实用化来说至关重要。传统的光纤光栅传感系统通常使用宽带光源，要检测反射中心波长的微小移动，其接收部分应包括具有波长可调特性的器件，如可调谐滤波器，另外探测器只接收到宽带光源很窄一部分光信号的能量，接收到的功率较低，这种传感系统的解调方法比较复杂，分辨率也受到限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法，进一步降低传感系统解调部分的复杂度，降低系统引入的噪声，提高了在传感元件反射谱变化平缓区域的传感分辨率，减少了插入损耗等。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为一种基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法，该方法步骤如下：
(1)基于本发明传感方法的传感系统所用光源(1)是一台带有输出尾纤的DFB激光器，其输出光经过相位调制器(2)的光学端口，再从另一个光学输出端输出。微波信号源(3)作为相位调制器(2)的信号源，输出函数信号，与相位调制器(2)的电学射频口相连接，对通过相位调制器(2)的光进行相位调制，产生载波边带。被调制后的光从相位调制器(2)输出进入光纤环形器(4)，被具有反射作用的谐振滤波器(5)反射一部分光，反射光由窄带光构成，窄带光的中心波长对应于传感谐振滤波器(5)的中心波长λc。反射光依次经环形器(4)的b端口、c端口入射到光电探测器(6)，转换成模拟电信号进入高速模数转换器(7)，被探测到的模拟信号转换为数字信号以便最后作数据处理。数据分析处理模块(8)对数字信号进行FFT变换，得到输出频谱。
(2)从光源(1)发出的激光经过相位调制器(2)后的光载波的归一化电场可以写为
Figure BSA0000166416630000021
式中ω0为光载波的角频率；
Figure BSA0000166416630000022
为调制信号引起光载波的相位变化，βPM为相位调制系数，定义为施加单位电压引起光载波的相位变化；f(t)为电调制信号。
相位调制后光信号的各边带和载波相互拍频，且每个拍频信号总是存在一个与之等大反相的信号，光载波、上边带、下边带经过滤波器后相位发生变化，相位调制后的信号载波和边带都产生了一个相位延迟，从而打破了相位之间的平衡状态，拍频信号可以被探测器探测到。通过打破载波和边带之间的幅度平衡来实现PM-IM转换
Figure BSA0000166416630000023
式中A和B表示边带幅度的增益且A≠B。在功率变化幅度较小的温度区间，此时谐振滤波器反射谱的强度响应较为平坦，如图2所示，而相位响应随着谐振频率变化较明显，如图3所示。若使相位调制后的载波信号位于滤波器相位响应H(ω)的斜边上，载波和边带之间的幅度平衡被打破，则幅度将能够被探测到，即可实现PM-IM的转换。将信号送入光电探测器(6)，可以得到交流信号部分的输出强度
Figure BSA0000166416630000024
因此，PD拍频得到的功率可表示为
Figure BSA0000166416630000025
当载波和边带的相位发生变化时，式(6)的正弦部分随之改变，从而可以从输出光电流的变化获取环境变化的结果。
数据处理所用的算法可以使用机器学习和神经网络算法对数据进行训练，采集样本，进行样本归一化，对权值和阈值初始化，进行运算和反馈，将误差缩小到要求的范围。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
1、本发明提供的一种基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法，通过外调制的方法对输出光进行调制，不需要使用可调谐激光器，也可使用宽谱激光光源，降低了光源要求。
2、本发明采用基于谐振滤波器的鉴频方法和相位调制-强度调制技术，通过探测相位变化对环境进行精确传感，不需要使用光谱仪对波长进行解调，减少了系统成本，传感精确度也不受光谱仪的工作原理所限。
3、本发明将微波光子学的信号产生原理与光纤传感原理相结合，在反射谱变化较平坦的区域实现相位测量，提高了传感系统的测量精度和动态范围。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法的流程图。
图2为本发明提供的一种基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法的系统结构示意图。
图3为光纤光栅反射谱的幅度响应。
图4为光纤光栅反射谱的相位响应。
图5为温度为29.7℃时的输出频谱。
图6为温度为30.7℃时的输出频谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图2所示，传感系统所用光源1是一台带有输出尾纤的DFB激光器，其输出光经过相位调制器2的光学端口，再从另一个光学输出端输出。微波信号源3作为相位调制器2的信号源，输出函数信号，与相位调制器2的电学射频口相连接，对通过相位调制器2的光进行相位调制，产生载波边带。被调制后的光从相位调制器2输出进入光纤环形器4，被具有反射作用的谐振滤波器5反射一部分光，反射光由窄带光构成，窄带光的中心波长对应于传感谐振滤波器5的中心波长λc。反射光依次经环形器4的b端口、c端口入射到光电探测器6，转换成模拟电信号进入高速模数转换器7，被探测到的模拟信号转换为数字信号以便最后作数据处理。数据分析处理模块8对数字信号进行FFT变换，得到输出频谱。
(3)从光源(1)发出的激光经过相位调制器(2)后的光载波的归一化电场可以写为
Figure BSA0000166416630000031
式中ω0为光载波的角频率；
Figure BSA0000166416630000032
为调制信号引起光载波的相位变化，βPM为相位调制系数，定义为施加单位电压引起光载波的相位变化；f(t)为电调制信号。
相位调制后光信号的各边带和载波相互拍频，且每个拍频信号总是存在一个与之等大反相的信号，光载波、上边带、下边带经过滤波器后相位发生变化，相位调制后的信号载波和边带都产生了一个相位延迟，从而打破了相位之间的平衡状态，拍频信号可以被探测器探测到。通过打破载波和边带之间的幅度平衡来实现PM-IM转换。从数学表达式上来看，采用相应的技术后(2)式可以表示为
Figure BSA0000166416630000033
式中A和B表示边带幅度的增益且A≠B。在功率变化幅度较小的温度区间，此时谐振滤波器反射谱的强度响应较为平坦，如图3所示，而相位响应随着谐振频率变化较明显，如图4所示。若使相位调制后的载波信号位于滤波器相位响应H(ω)的斜边上，载波和边带之间的幅度平衡被打破，则幅度将能够被探测到，即可实现PM4M的转换。将信号送入光电探测器(6)，因此，PD拍频得到的功率可表示为
Figure BSA0000166416630000034
当载波和边带的相位发生变化时，式(4)的正弦部分随之改变，从而可以从输出光电流的变化获取环境变化的结果。如图5和图6所示，当滤波器中心波长因环境改变而产生漂移，光载波对应相位响应曲线不同的位置，幅度改变量不同从而探测得到的频谱功率不同，通过不同幅度的数据处理实现环境参量监测。在温度分别为29.7℃和30.7℃时(该温度下光纤光栅反射谱幅度响应较平缓)，实验所得输出频谱有5.2dB的幅度差，通过比较不同参量下的输出频谱幅度实现传感。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法，其特征在于：该方法步骤如下：
(1)基于本发明传感方法的传感系统所用光源(1)是一台带有输出尾纤的DFB激光器，其输出光经过相位调制器(2)的光学端口，再从另一个光学输出端输出；微波信号源(3)作为相位调制器(2)的信号源，输出函数信号，与相位调制器(2)的电学射频口相连接，对通过相位调制器(2)的光进行相位调制，产生载波边带；被调制后的光从相位调制器(2)输出进入光纤环形器(4)，被具有反射作用的谐振滤波器(5)反射一部分光，反射光由窄带光构成，窄带光的中心波长对应于传感谐振滤波器(5)的中心波长λc；反射光依次经光纤 环形器(4)的b端口、c端口入射到光电探测器(6)，转换成模拟电信号进入高速模数转换器(7)，被探测到的模拟信号转换为数字信号以便最后作数据处理；数据分析处理模块(8)对数字信号进行FFT变换，得到输出频谱；
(2)从光源(1)发出的激光经过相位调制器(2)后的光载波的归一化电场可以写为
E(t)＝cos[ω0t+Δφ(t)]， (1)
式中ω0为光载波的角频率；Δφ(t)＝βPM×f(t)为调制信号引起光载波的相位变化，βPM为相位调制系数，定义为施加单位电压引起光载波的相位变化；f(t)为电调制信号；
相位调制后光信号的各边带和载波相互拍频，且每个拍频信号总是存在一个与之等大反相的信号，光载波、上边带、下边带经过滤波器后相位发生变化，相位调制后的信号载波和边带都产生了一个相位延迟，从而打破了相位之间的平衡状态，拍频信号可以被探测器探测到；通过打破载波和边带之间的幅度平衡来实现相位调制到强度调制转换：
Figure FSB0000193272670000011
式中A和B表示边带幅度的增益且A≠B；在功率变化幅度较小的温度区间，此时谐振滤波器反射谱的强度响应较为平坦，如图2所示，而相位响应随着谐振频率变化较明显，如图3所示；若使相位调制后的载波信号位于滤波器相位响应H(ω)的斜边上，载波和边带之间的幅度平衡被打破，则幅度将能够被探测到，即可实现PM-IM的转换；将信号送入光电探测器(6)，可以得到交流信号部分的输出强度：
Figure FSB0000193272670000012
因此，PD拍频得到的功率可表示为：
Figure FSB0000193272670000013
当载波和边带的相位发生变化时，式(4)的正弦部分随之改变，从而可以从输出光电流的变化获取环境变化的结果，当滤波器中心波长因环境改变而产生漂移，光载波对应相位响应曲线不同的位置，幅度改变量不同从而探测得到的频谱功率不同，通过不同幅度的数据处理实现环境参量监测。
2.根据权利要求1所述的基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法，其特征在于：相位调制器(2)可以是铌酸锂电光相位调制器。
3.根据权利要求1所述的基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法，其特征在于：微波 信号源(3)可产生单一频率或者多个频率的函数波形，将其连入相位调制器，对光信号进行调制。
4.根据权利要求1所述的基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法，其特征在于：具有反射功能的光学谐振滤波器(5)可以是均匀布拉格光纤光栅、切趾光纤光栅、啁啾光纤光栅等不同特性的光纤光栅，也可以是微环等其它具有反射特性的光学谐振滤波器。
5.根据权利要求1所述的基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法，其特征在于：系统中可加入光隔离器和偏振控制器。
6.根据权利要求1所述的基于相位到强度调制转换原理的精确传感方法，其特征在于：数据处理所用的算法可以使用机器学习和神经网络算法对数据进行训练，采集样本，进行样本归一化，对权值和阈值初始化，进行运算和反馈，将误差缩小到要求的范围。
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