CN109631962B - 一种基于pgc方案的多频载波偏振调制解调系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感技术领域，涉及到一种基于PGC方案的多频载波偏振调制解调系统及方法。包括窄线宽低噪声激光器、声光调制器、1×4光纤耦合器、一号匹配干涉仪、二号匹配干涉仪、三号匹配干涉仪、四号匹配干涉仪、一号偏振调制器、二号偏振调制器、三号偏振调制器、四号偏振调制器、4×1光纤耦合器、光纤环行器、调制解调模块、数据采集模块和匹配干涉型光纤光栅传感器系统；通过采用本发明所述的系统及调制解调方法，同时获取了四路偏振通道的干涉结果，为偏振合成提供了关键数据入口的同时，解决1/4降采样问题，从而在不降低系统采样率和调制频率的情况下解决偏振诱导信号衰落问题，保证匹配干涉型光纤光栅传感系统的性能指标。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，涉及到一种基于PGC(PGC，Phase GeneratedCarrier，相位载波调制解调)方案的多频载波偏振调制解调系统及方法。
背景技术
采用一对中心波长相同的光纤光栅构成的法布里-珀罗腔(FBG-FP)传感器具有结构简单、灵敏度高、体积小、重量轻等优点，在水声信号检测、地震波检测等领域有重要的应用。随着光纤光栅制作技术的不断完善，在一根光纤上集成大量的(FBG-FP)传感器成为降低阵列体积和重量、提高阵列可靠性的最佳保障，特别适用于水下、井下等环境恶劣的条件中，例如美国的TB-33水声拖曳阵列、挪威的OBC海底监测系统等均采用这种结构。当对系统注入脉冲对时,每个光栅也会反射回一对脉冲,若这些脉冲在时间上形成如附图图1所示的对应关系,则反射回来的第二个脉冲为FP腔的干涉信号,这种应用方式称为匹配干涉型光纤光栅传感系统。
在匹配干涉型光纤光栅传感系统系统中，每相邻两个光栅及之间的传感光纤构成传感单元，，传感光纤的长度决定了探测灵敏度，在一根光纤上刻写多对光栅就可以构成传感通道的多重时分复用阵列。但是，这种在线式的光路结构又带来了新的问题：系统采用相干检测技术，而光的偏振态是影响光的干涉稳定性的重要因素之一，所以干涉光的偏振态随外界场(如磁场、温度、压力等)干扰而随机变化导致的干涉信号衰落现象必然影响系统的探测性能，即偏振诱导信号衰落现象。由于光纤光栅传感阵列中仅包括光栅，无法引入在传统光纤水听器中用于抗偏振衰落的Faraday旋镜，也无法在传感光栅阵列终采取其它抗偏振衰落方法，从而导致偏振衰落的抑制非常困难，偏振诱导信号衰落成为制约匹配干涉型光纤光栅传感系统系统性能的重要因素。
为解决匹配干涉型光纤光栅传感系统中的偏振衰落问题，偏振切换方法是目前已报道的效果较好的方法之一，并已在国外挪威OptoPlan的海底OBC系统和国内国防科技大学的光纤光栅水听器细线阵中应用。文献“Method and apparatus for providingpolarization insensitive signal processing for interferometric sensors”(USPatent,2008,US 7359061 B2)介绍了挪威OptoPlan小组的偏振切换原理；文献“Low-crosstalk and Polarization-independent Inline Interferometric Fiber SensorArray Based on Fiber Bragg Gratings”(Journal of Lightwave Technology,2016,Vol.34,No.18,pp:4232-4239)和文献“光纤光栅水听器阵列串扰抑制与抗偏振衰落研究”(国防科技大学博士学位论文，2016)介绍了国防科技大学的偏振切换方法原理。两种偏振切换的基本思路一致，对匹配干涉型光纤光栅传感系统依次注入四对不同偏振态的脉冲，获得四个正交偏振通道的干涉结果，再对四个偏振通道进行处理，获取相位信息同时消除偏振衰落的影响。
说明书附图图2为偏振切换方法的时序结构，最上面为注入脉冲对的时序结构，脉冲对之间的时间间隔为τ，定义问询频率fAOM＝1/τ，fAOM受限于光纤光栅阵列的复用规模；中间为偏振切换的时序，周期为τPS,偏振调制频率定义为fps＝1/τPS。由于引入了偏振调制，注入到匹配干涉型光纤光栅传感系统中发生干涉的脉冲为四对，偏振态分别定义为YX、XX、XY、YY。最下面为返回干涉结果的时序,依次可获得四路偏振通道干涉结果，分别定义为为IYX、IXX、IXY和IYY。将四路偏振通道干涉结果进行数据合成和处理，可以消除偏振诱导信号衰落的影响。
从图2可以看出，在现有的偏振切换方法中，需要依次获得四个偏振通道的干涉结果，因此每个偏振通道的实际采样率fps是问询频率fAOM的1/4，即1/4降采样问题。因此这种方法是以牺牲采样率为代价的。1/4降采样带来的后果包括两个：一是由于探测信号的频段需远远小于载波频率，因而匹配干涉型光纤光栅传感器的探测信号频段受限，且复用规模越大，探测频段越低；二是对于匹配干涉系统而言，采样率越低，系统本底噪声越高，因而在同等情况下匹配干涉型光纤光栅传感器系统的本底噪声较高，探测距离受限。
从上述分析不难看出，导致匹配干涉型光纤光栅传感系统探测频段、时分复用规模受限、本底噪声抬高等性能下降的主要制约因素是偏振切换方法所导致的1/4降采样问题，但偏振切换方法又是消除偏振衰落保证系统低噪声的必须手段，因此匹配干涉型光纤光栅传感系统的低噪声与大规模、宽探测频段是相互矛盾的存在。
发明内容
本发明提出采用一种基于PGC方案的多频载波偏振调制解调系统，旨在解决偏振切换方法所导致的1/4降采样问题，为提升匹配干涉型光纤光栅传感系统的探测频段、扩大复用容量、降低系统本底噪声等提供支撑。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
一种基于PGC方案的多频载波偏振调制解调系统，包括窄线宽低噪声激光器1、声光调制器2、1×4光纤耦合器3、一号匹配干涉仪401、二号匹配干涉仪402、三号匹配干涉仪403、四号匹配干涉仪404、一号偏振调制器501、二号偏振调制器502、三号偏振调制器503、四号偏振调制器504、4×1光纤耦合器6、光纤环行器7、调制解调模块8、数据采集模块9和匹配干涉型光纤光栅传感器系统10；
所述一号匹配干涉仪401、二号匹配干涉仪402、三号匹配干涉仪403、和四号匹配干涉仪404结构完全相同，均包括输入保偏光纤耦合器4A和输出保偏光纤耦合器4B，干涉仪长臂保偏光纤4C，干涉仪短臂保偏光纤4D，其中所述干涉仪短臂保偏光纤4D部分绕到压电陶瓷(PZT)上形成PZT光纤相位调制器4F；
上述光学器件之间均采用保偏光纤连接，连接顺序为：所述窄线宽低噪声激光器1的输出连接到所述声光调制器2，所述声光调制器2的输出连接到所述1×4光纤耦合器3，所述1×4光纤耦合器3的四路输出分别连接到一号匹配干涉仪401、二号匹配干涉仪402、三号匹配干涉仪403、四号匹配干涉仪404，所述一号匹配干涉仪401、二号匹配干涉仪402、三号匹配干涉仪403、四号匹配干涉仪404的输出分别连接到一号偏振调制器501、二号偏振调制器502、三号偏振调制器503、四号偏振调制器504，所述一号偏振调制器501、二号偏振调制器502、三号偏振调制器503、四号偏振调制器504的输出分别连接到所述4×1光纤耦合器6的四个输入端，所述4×1光纤耦合器6的输出连接到光纤环行器7的一号端口701，所述光纤环行器7的二号端口702连接到所述光纤光栅传感系统10，三号端口703连接到所述数据采集模块9；
所述调制解调模块8用于实现系统控制和调制解调功能，分别与一号匹配干涉仪401、二号匹配干涉仪402、三号匹配干涉仪403、四号匹配干涉仪404和一号偏振调制器501、二号偏振调制器502、三号偏振调制器503、四号偏振调制器504连接，用于提供四路载波信号和四路偏振调制信号；所述调制解调模块8与所述声光调制器2和所述数据采集模块9采用数据线连接，用于提供声光调制信号和同步信号；所述调制解调模块8内嵌调制解调方法用以实现偏振通道的分离和相位信息的提取。
优选地，所述窄线宽低噪声激光器1产生的激光光波长为1550nm波段。
本发明还提供一种基于以上系统的调制解调方法，包括以下步骤：
S1：脉冲调制与分束
所述窄线宽低噪声激光器1输出的连续激光在经过所述声光调制器2后调制成脉冲激光，之后被所述1×4光纤耦合器3分成四束脉冲；
S2：相位调制
四束脉冲分别在经过所述一号匹配干涉仪401、二号匹配干涉仪402、三号匹配干涉仪403、四号匹配干涉仪404后产生四个脉冲对，在每个脉冲对的第二个脉冲中通过匹配干涉仪中的PZT相位调制器4F引入相位调制信号C cos(ωXXt)、C cos(ωXYt)、C cos(ωYXt)和C cos(ωYYt)，C为调制幅度，ωXX、ωXY、ωYY和ωYX分别为引入到四个匹配干涉仪的相位调制频率；
S3：偏振调制
在匹配干涉仪中完成相位调制的四个脉冲对分别注入到一号偏振调制器501、二号偏振调制器502、三号偏振调制器503和四号偏振调制器504中，输出四个脉冲对的偏振态分别被偏振调制器调制为XX、XY、YX和YY；
S4：合束并发射到光纤光栅传感系统
四个相位和偏振态分别被调制的脉冲对通过所述4×1光纤耦合器6合成为一束，形成含有四路载波和四路偏振调制的一个脉冲对，完成调制并通过所述光纤环行器7发射至所述光纤光栅传感系统10；
S5：离散化采样
所述光纤光栅传感系统10的返回光传输至所述光纤环行器7的二号端口702，经所述光纤环行器7的三号端口703传输至所述数据采集模块9，在所述数据采集模块9中完成光电转化并被离散化采样，获得原始干涉信号I(t)；
S6：偏振通道分离
在所述调制解调模块8中实现偏振通道分离；构造8组信号序列：cos(ωXXt)、cos(2ωXXt)、cos(ωXYt)、cos(2ωXYt)、cos(ωYYt)、cos(2ωYYt)、cos(ωYXt)和cos(2ωYXt)；将原始干涉信号I(t)分别与cos(ωXXt)和cos(2ωXXt)相乘、低通并复数化，获取XX偏振通道的分离结果
原始干涉信号I(t)分别与cos(ωXYt)和cos(2ωXYt)相乘、低通并复数化，获取XY偏振通道的分离结果
原始干涉信号I(t)分别与cos(ωYYt)和cos(2ωYYt)相乘、低通并复数化，获取XY偏振通道的分离结果
原始干涉信号I(t)分别与cos(ωYXt)和cos(2ωYXt)相乘、低通并复数化，获取XY偏振通道的分离结果
S7：偏振合成和PGC相位解调
在所述调制解调模块8中将四路偏振通道的分离结果合成一路，并采用PGC解调方法获取相位信息。
优选的，S3中完成四路脉冲调制后，注入到所述4×1光纤耦合器6中时时间完全同步。
优选的，S2中，引入到四个匹配干涉仪的相位调制频率满足：ωXY≥2ωXX,ωYY≥2ωXY,ωYX≥2ωYY。
优选的，S6中，四路相乘、低通并复数化过程可并行进行。
优选的，S7中偏振合成采用
的算法，PGC解调方法采用DCM或者Atan算法。
本发明的技术效果在于：通过采用所述的基于PGC方案的多频载波偏振调制解调系统及调制解调方法，同时获取了四路偏振通道的干涉结果，为偏振合成提供了关键数据入口的同时，解决1/4降采样问题，从而在不降低系统采样率和调制频率的情况下解决偏振诱导信号衰落问题，保证匹配干涉型光纤光栅传感系统的性能指标。
附图说明
图1为匹配干涉型光纤光栅传感阵列结构示意图。
图2为偏振切换法的基本时序结构示意图。
图3为本发明适用的系统结构示意图。
其中1为窄线宽低噪声激光器；2为声光调制器；3为1×4光纤耦合器；401、402、403和404分别为一号匹配干涉仪、二号匹配干涉仪、三号匹配干涉仪和四号匹配干涉仪；501、502、503、504分别为一号偏振调制器、二号偏振调制器、三号偏振调制器、四号偏振调制器；6为4×1光纤耦合器；7为光纤环行器，其中701为一号端口，702为二号端口，703为三号端口；8为调制解调模块；9为数据采集模块，10为匹配干涉型光纤光栅传感器系统；801为调制解调模块8与声光调制器2之间的连接电线，用于调制解调模块8向声光调制器2提供声光调制信号；802、803、804、805为调制解调模块8与匹配干涉仪之间的连接电线，用于向匹配干涉仪提供多频载波调制信号；806，807，808，809为调制解调模块8与偏振调制器之间的连接电线，用于向偏振调制器提供PGC多频载波调制信号；810和811为采集模块和调制解调模块之间的电线连接，810为调制解调模块项采集模块提供的同步信号，811为采集模块向调制解调模块提供的采集信号。
图4为本发明中匹配干涉仪的结构。
其中4A为输入保偏光纤耦合器，4B为输出保偏光纤耦合器，4C为匹配干涉仪长臂保偏光纤，4D为匹配干涉仪短臂保偏光纤，4F为PZT光纤相位调制器。
图5为本发明中基于PGC方案的多频载波偏振调制解调流程：包括
S1脉冲调制与分束，S2相位调制，S3偏振调制，S4合束并发射到光纤光栅传感系统，S5离散化采样，S6偏振通道分离，S7偏振合成和PGC相位解调。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图3，窄线宽低噪声激光器1的输出连接到声光调制器2，输出被调制为脉冲激光；经过1×4光纤耦合器3后分为4束，分别入射到一号匹配干涉仪401、二号匹配干涉仪402、三号匹配干涉仪403和四号匹配干涉仪404中，形成四对脉冲，其中四对脉冲中每对的第一个脉冲引入调制相位信号C cos(ωXXt)、C cos(ωXYt)、C cos(ωYXt)和C cos(ωYYt)，C为调制幅度，ωXX、ωXY、ωYY和ωYX分别为引入到四个匹配干涉仪的相位调制频率，所需调制信号由调制解调模块8通过连接线802、连接线803、连接线804和连接线805提供；四个脉冲对分别注入到一号偏振调制器501、二号偏振调制器502、三号偏振调制器503和四号偏振调制器504中，输出脉冲对的偏振态分别被调制为XX、XY、YX和YY，所需调制信号由调制解调模块8通过连接线806、连接线807、连接线808和连接线809提供；四路相位和偏振态分别被调制的脉冲对通过4×1光纤耦合器6合成一束，通过环行器7注入到光纤光栅传感系统10中。
本发明基于以下原理：通过数据采集模块9获得的原始干涉信号I(t)是四个偏振通道结果的叠加，可表示为(1)式：
(1)式中AXX、AXY、AYY和AYX为四个偏振通道发生反射的直流项，BXX、BXY、BYY和BYX为四个偏振通道发生反射的交流项，
为光纤光栅传感系统的相位。
(1)式用贝塞尔函数展开可得(2)式：
分别用cos(ωXXt)和cos(2ωXXt)与(2)式相乘，可得：
(3)式和(4)式分别通过低通滤波，将频率大于ωXX的成分滤去，由于ωXY≥2ωXX,ωYY≥2ωXY,ωYX≥2ωYY，(3)式和(4)式经低通滤波后可得到：
(5)式获取的偏振通道为XX的滤波结果，不含其它偏振通道信息。将(5)式做复数化处理，可获得：
i为虚部符号，(6)式为XX通道干涉结果的复数化表达形式。
依此类推，将(2)式分别与cos(ωXYt)和cos(2ωXYt)相乘并滤波，可得到
(7)式获取的偏振通道为XY的滤波结果，不含其它偏振通道信息。将(7)式做复数化处理，可获得：
(8)式为XY通道干涉结果的复数化表达形式。
将(2)式分别与cos(ωYYt)和cos(2ωYYt)相乘并滤波，可得到：
(9)式获取的偏振通道为YY的滤波结果，不含其它偏振通道信息。将(9)式做复数化处理，可获得：
(10)式为YY通道干涉结果的复数化表达形式。
将(2)式分别与cos(ωYXt)和cos(2ωYXt)相乘并滤波，可得到：
(11)式获取的偏振通道为YX的滤波结果，不含其它偏振通道信息。将(7)式做复数化处理，可获得：
(12)式为XY通道干涉结果的复数化表达形式。
经过上述处理，可以获得XX、XY、YY、YX四个偏振通道的分离结果，之后可采用常规偏振切换处理算法获取光纤光栅传感阵列的相位信息。
Claims (7)
1.一种基于PGC方案的多频载波偏振调制解调系统，其特征在于：包括窄线宽低噪声激光器(1)、声光调制器(2)、1×4光纤耦合器(3)、一号匹配干涉仪(401)、二号匹配干涉仪(402)、三号匹配干涉仪(403)、四号匹配干涉仪(404)、一号偏振调制器(501)、二号偏振调制器(502)、三号偏振调制器(503)、四号偏振调制器(504)、4×1光纤耦合器(6)、光纤环行器(7)、调制解调模块(8)、数据采集模块(9)和匹配干涉型光纤光栅传感器系统(10)；
所述一号匹配干涉仪(401)、二号匹配干涉仪(402)、三号匹配干涉仪(403)、和四号匹配干涉仪(404)结构完全相同，均包括输入保偏光纤耦合器(4A)和输出保偏光纤耦合器(4B)，干涉仪长臂保偏光纤(4C)，干涉仪短臂保偏光纤(4D)，其中所述干涉仪短臂保偏光纤(4D)部分绕到压电陶瓷上形成PZT光纤相位调制器(4F)；
上述光学器件之间均采用保偏光纤连接，连接顺序为：所述窄线宽低噪声激光器(1)的输出连接到所述声光调制器(2)，所述声光调制器(2)的输出连接到所述1×4光纤耦合器(3)，所述1×4光纤耦合器(3)的四路输出分别连接到一号匹配干涉仪(401)、二号匹配干涉仪(402)、三号匹配干涉仪(403)、四号匹配干涉仪(404)，所述一号匹配干涉仪(401)、二号匹配干涉仪(402)、三号匹配干涉仪(403)、四号匹配干涉仪(404)的输出分别连接到一号偏振调制器(501)、二号偏振调制器(502)、三号偏振调制器(503)、四号偏振调制器(504)，所述一号偏振调制器(501)、二号偏振调制器(502)、三号偏振调制器(503)、四号偏振调制器(504)的输出分别连接到所述4×1光纤耦合器(6)的四个输入端，所述4×1光纤耦合器(6)的输出连接到光纤环行器(7)的一号端口(701)，所述光纤环行器(7)的二号端口(702)连接到所述光纤光栅传感系统(10)，三号端口(703)连接到所述数据采集模块(9)；
所述调制解调模块(8)用于实现系统控制和调制解调功能，分别与一号匹配干涉仪(401)、二号匹配干涉仪(402)、三号匹配干涉仪(403)、四号匹配干涉仪(404)和一号偏振调制器(501)、二号偏振调制器(502)、三号偏振调制器(503)、四号偏振调制器(504)连接，用于提供四路载波信号和四路偏振调制信号；所述调制解调模块(8)与所述声光调制器(2)和所述数据采集模块(9)采用数据线连接，用于提供声光调制信号和同步信号；所述调制解调模块(8)内嵌调制解调方法用以实现偏振通道的分离和相位信息的提取。
2.一种根据权利要求1所述的基于PGC方案的多频载波偏振调制解调系统，其特征在于：所述窄线宽低噪声激光器(1)产生的激光光波长为1550nm波段。
3.一种基于权利要求1所述系统的调制解调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：脉冲调制与分束
所述窄线宽低噪声激光器(1)输出的连续激光在经过所述声光调制器(2)后调制成脉冲激光，之后被所述1×4光纤耦合器(3)分成四束脉冲；
S2：相位调制
四束脉冲分别在经过所述一号匹配干涉仪(401)、二号匹配干涉仪(402)、三号匹配干涉仪(403)、四号匹配干涉仪(404)后产生四个脉冲对，在每个脉冲对的第二个脉冲中通过匹配干涉仪中的PZT相位调制器(4F)引入相位调制信号Ccos(ωXXt)、Ccos(ωXYt)、Ccos(ωYXt)和Ccos(ωYYt)，C为调制幅度，ωXX、ωXY、ωYY和ωYX分别为引入到四个匹配干涉仪的相位调制频率；
S3：偏振调制
在匹配干涉仪中完成相位调制的四个脉冲对分别注入到一号偏振调制器(501)、二号偏振调制器(502)、三号偏振调制器(503)和四号偏振调制器(504)中，输出四个脉冲对的偏振态分别被偏振调制器调制为XX、XY、YX和YY；
S4：合束并发射到光纤光栅传感系统
四个相位和偏振态分别被调制的脉冲对通过所述4×1光纤耦合器(6)合成为一束，形成含有四路载波和四路偏振调制的一个脉冲对，完成调制并通过所述光纤环行器(7)发射至所述光纤光栅传感系统(10)；
S5：离散化采样
所述光纤光栅传感系统(10)的返回光传输至所述光纤环行器(7)的二号端口(702)，经所述光纤环行器(7)的三号端口(703)传输至所述数据采集模块(9)，在所述数据采集模块(9)中完成光电转化并被离散化采样，获得原始干涉信号I(t)；
S6：偏振通道分离
在所述调制解调模块(8)中实现偏振通道分离；构造8组信号序列：cos(ωXXt)、cos(2ωXXt)、cos(ωXYt)、cos(2ωXYt)、cos(ωYYt)、cos(2ωYYt)、cos(ωYXt)和cos(2ωYXt)；将原始干涉信号I(t)分别与cos(ωXXt)和cos(2ωXXt)相乘、低通并复数化，获取XX偏振通道的分离结果
原始干涉信号I(t)分别与cos(ωXYt)和cos(2ωXYt)相乘、低通并复数化，获取XY偏振通道的分离结果
原始干涉信号I(t)分别与cos(ωYYt)和cos(2ωYYt)相乘、低通并复数化，获取XY偏振通道的分离结果
原始干涉信号I(t)分别与cos(ωYXt)和cos(2ωYXt)相乘、低通并复数化，获取XY偏振通道的分离结果
S7：偏振合成和PGC相位解调
在所述调制解调模块(8)中将四路偏振通道的分离结果合成一路，并采用PGC解调方法获取相位信息。
4.一种基于权利要求3所述的调制解调方法，其特征在于：S3中完成四路脉冲调制后，注入到所述4×1光纤耦合器(6)中时时间完全同步。
5.一种基于权利要求3所述的调制解调方法，其特征在于：S2中，引入到四个匹配干涉仪的相位调制频率满足：ωXY≥2ωXX,ωYY≥2ωXY,ωYX≥2ωYY。
6.一种基于权利要求3所述的调制解调方法，其特征在于：S6中，四路相乘、低通并复数化过程可并行进行。
7.一种基于权利要求3所述的调制解调方法，其特征在于：S7中偏振合成采用
的算法，PGC解调方法采用DCM或者Atan算法。
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