CN109724685B - 基于Fizeau干涉的光纤光栅水声传感阵列解调方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Fizeau干涉的大规模拉丝塔光纤光栅水声传感阵列的解调方法及系统，该系统包括光源、信号发生器、声光调制器、光纤掺铒放大器、第一光纤环形器、参考传感器、光纤光栅水声传感阵列、第二光纤环形器、3×3耦合器、相位调制器、法拉第旋转镜、光电探测器和工控机。本发明利用信号发生器驱动相位调制器对阵列信号进行外调制，通过设置独立参考传感器对水声传感阵列进行信号交叉相乘解调，然后通过反正切以及信号补偿实现对水声信号的测量。本发明具备的自参考传感器将极大程度地提高解调信号稳定性，不受调制深度、载波频率漂移影响，同时降低了硬件成本，为长时间、多传感器同步解调等水声探测应用提供了一种新的解决方案。

Description

基于Fizeau干涉的光纤光栅水声传感阵列解调方法及系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于Fizeau干涉的光纤光栅水声传感阵列解调方法。

背景技术

采用光纤光学方法进行水声探测具有高灵敏度、抗电磁干扰、传感探头无源而安全可靠、易于组网等众多优势，同时对低频信号又可实现远距离探测，因此在水下目标探测、海底石油监测、海洋观测网等领域具有非常重要的应用前景。

水声传感测量采用基于Fizeau干涉传感器与传统光纤光栅传感单元的不同之处在于，阵列中光纤光栅用作光脉冲反射节点而不是传感单元，传感单元是光纤光栅之间的光纤。当水声信号作用在传感单元时，光纤会发生形变导致内部所传输的光脉冲相位发生变化。通过解调算法检测相位变化量即可解调水声信号。

光纤水声传感器进行水声探测时，需要保证较大的声压相位灵敏度，同时对于阵列传感单元要有较好的相位一致性，以及整个传感阵列能拥有较高的复用数量。文献1[D.J.Hill and G.A.Cranch,“Gain in hydrostatic pressure sensitivity of coatedfiber Bragg grating,”Electronics Letter,vol.35,no.15,pp.1268,1999]针对普通光纤光栅为传感单元的水声传感器做了增敏处理，弥补了光纤光栅对于水声信号响应灵敏度低的问题，但是这种依靠波长漂移进行测量的方式精度不高且易受外界环境如温度变化的影响。文献2[R.Li,X.Wang and J.Huang,“Spatial-division-multiplexing addressedfiber laser hydrophone array,”Optic Letter,vol.38,no.11,pp.1909-1911,2013]提出了一种有源型光纤激光水声传感器，该水声传感器传感单元具有较高灵敏度，但是由于基于光谱波长测量机理难以进行大规模复用。因此这些类型的传感器均没有实现高灵敏度与大规模复用同时实现的问题。

文献3[H.Y.Guo,J.G.Tang,X.F.Li,Y.Zheng,and H.F.Yu,“On-line writingweak fiber Bragg gratings array,”Chinese Optic Letter,vol.11,no.3,2013,no.030602]提出了基于弱反射光纤光栅刻写的方法，为光纤水声传感器大规模复用提供了可能。文献4[C.Wang et al.,“Distributed OTDR-interferometric sensing networkwith identical ultra-weak fiber Bragg gratings,”Optic Express,vol.23,no.22,pp.29038-29046,2015]随之进行了以弱反射光纤光栅为传感单元的大规模阵列测量，灵敏度较高。文献5[张华勇,王利威,施清平,田长栋,张敏,廖延彪.光纤水听器时分复用系统通过3×3耦合器信号解调的一种新算法.中国激光,38(5),163-169,2011]针对光纤水声传感器进行新算法解调，基于3×3耦合器的解调算法原理简单，但对耦合器性能要求很高。文献6[王林，何俊，李芳等.用于探测极低频信号的光纤传感器相位生成载波解调方法[J].中国激光,2011,38(4):0405001]探索了光纤传感器解调的另一种方法，相比而言PGC方法更易实现，但基于阵列的PGC解调方法容易存在非线性失真以及稳定性较差问题，究其原因很大程度是由外调制信号的调制深度、调制频率漂移造成。虽然基于其他光路的PGC解调算法有多种改进，但是均结构复杂，占用了更多的软硬件资源与成本，因此实用性较差。因此，针对目前光纤水声传感阵列提出一种易复用、易实现、高可靠性的解调系统及方法具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于光纤Fizeau干涉的水声传感阵列的新解调方法，旨在提高系统解调信号稳定性与可靠性，同时降低软硬件资源与成本。

本发明为达目的所采用的技术方案是：

提供一种基于Fizeau干涉光纤光栅水声传感阵列的解调系统，其特征在于，包括光源、信号发生器、声光调制器、光纤掺铒放大器、第一光纤环形器、参考传感器、光纤光栅水声传感阵列、第二光纤环形器、非平衡干涉仪、光电探测器和工控机；

其中，非平衡干涉仪包括3×3耦合器、相位调制器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜，非平衡干涉仪臂长差等于光栅间距；相位调制器设置在3×3耦合器和第二法拉第旋转镜之间；

光源1发出的窄线宽连续光进入由信号发生器驱动的声光调制器中调制成脉冲光，脉冲光通过光纤掺铒放大器放大后，再经过光纤环形器进入到参考传感器和光纤光栅水声传感阵列中，经过光纤光栅水声传感阵列反射回来的脉冲序列经第二光纤环形器、进入到非平衡干涉仪，第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜对反射回来的脉冲序列进行光程补偿，使相邻两个反射脉冲在3×3耦合器中发生干涉，3×3耦合器输出的三路干涉信号经过光电探测器转化为电信号，最终进入到工控机进行数据采集与信号处理；

参考传感器为振动和温度减敏封装结构，与光纤光栅水声传感阵列隔绝；该解调系统工作时，仅光纤光栅水声传感阵列置于待测水体中。

接上述技术方案，脉冲激光器替代光源、信号发生器、声光调制器。

接上述技术方案，光纤光栅水声传感阵列的传感部分为光栅之间的光纤部分，是一种基于Fizeau干涉的水声敏感单元。

接上述技术方案，光纤光栅水声传感阵列为弱反射光纤光栅水声传感阵列。

接上述技术方案，非平衡干涉仪中3×3耦合器起到干涉和产生正交信号的作用，可替代为其他可产生干涉效果同时产生正交信号的器件，例如90度相移耦合器等。

接上述技术方案，所述光纤光栅水声传感阵列为大规模拉丝塔光纤光栅制成。

本发明还提供一种基于Fizeau干涉的

光纤光栅水声传感阵列的解调方法的解调方法，该方法基于上述技术方案的系统，包括以下步骤：

根据参考传感器和光纤光栅水声传感阵列的位置，分别寻得参考传感器干涉信号与水声传感阵列干涉信号；

对参考传感器信号进行延时，延时时间是光脉冲从对应水声传感器到参考传感器所用时间，以匹配阵列中不同传感器反射光脉冲延时得到同步解调信号；

将三路干涉信号取出后，对三路信号求和得到直流电压，再将其中两路信号分别去除信号中直流分量得到水声传感器交流信号I’_a1、I’_a3和参考传感器交流信号I’_b1、I’_b3，经过两路信号相加减然后进行幅值补偿分别得到两种传感器归一化的两路正交信号I_P、I_Q和I_M、I_N；

对传感器正交信号交叉相乘相减得到滤除载波相位的信号，再通过低通滤波器去除载波高次倍频，然后通过反正切算法和相位纠正，最后经高通滤波器滤除低频噪声信号输出得到所需水声传感阵列接收的水声信号。

本发明产生的有益效果是：本发明利用信号发生器驱动相位调制器对阵列信号进行外调制，通过设置独立参考传感器对水声传感阵列进行信号交叉相乘解调，然后通过反正切以及信号补偿实现对水声信号的测量。本发明具备的自参考传感器将极大程度地提高解调信号稳定性，不受调制深度、载波频率漂移影响，同时降低了硬件成本，为长时间、多传感器同步解调等水声探测应用提供了一种新的解决方案。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是基于Fizeau干涉的光纤水声传感阵列解调系统示意图。

图2是基于Fizeau干涉的光纤水声传感阵列解调算法示意图。

图中：1光源、2信号发生器、3声光调制器、4光纤掺铒放大器；5和8光纤环形器、6参考传感器、7弱反射光纤光栅水声传感阵列；9耦合器、10相位调制器、11第一法拉第旋转镜、12第二法拉第旋转镜、13光电探测器、14工控机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例采用的Fizeau干涉光纤光栅水声传感阵列解调系统如图1所示，包括光源1、信号发生器2、声光调制器3、光纤掺铒放大器4、光纤环形器5和8、参考传感器6、弱反射光纤光栅水声传感阵列7、非平衡干涉仪、光电探测器13和工控机14，其中非平衡干涉仪包括3×3耦合器9、相位调制器10、第一法拉第旋转镜11、第二法拉第旋转镜12，两个法拉第旋转镜的臂长差等于光栅间距；相位调制器10设置在3×3耦合器9和第二法拉第旋转镜12之间。

光纤光栅水声传感阵列7可为大规模拉丝塔光纤光栅制成。

光源1发出的窄线宽连续光进入由信号发生器2驱动的声光调制器3中调制成脉冲光，通过光纤掺铒放大器4放大后的脉冲光经过光纤环形器5进入到参考传感器6和弱反射光纤光栅水声传感阵列7。

经过参考传感器6和弱反射光纤光栅水声传感阵列7反射回来的脉冲序列先后经环形器8和3×3耦合器9进入到带相位调制器10的臂长差为相邻光栅间距的法拉第旋转镜中，其中非平衡干涉仪由3×3耦合器9和臂长差等于光栅间距的第一法拉第旋转镜11、第二法拉第旋转镜12组成。非平衡干涉仪内单臂加入相位调制器以加入外调制信号。通过光程补偿的相邻两个反射脉冲在3×3耦合器9发生干涉，输出的三路干涉信号经过光电探测器13转化为电信号，最终进入到工控机14进行数据采集与信号处理。

光源1是一种窄线宽激光器，中心波长为1550nm，参考传感器6与水声传感器7使用弱反射光纤光栅需具备稳定一致性，且使用的啁啾光栅中心波长为1550nm。

本发明中光源1、信号发生器2、声光调制器3完成的功能可由单独的脉冲激光器模块代替，直接产生脉冲光。

参考传感器6和弱反射光纤光栅水声传感阵列7可在一根光纤上，该光纤刻有光栅阵列，前段部分的光纤光栅作为参考传感器6，可对该部分的光纤光栅及中间光纤部分整体做减敏封装，避免外界环境干扰，同时置于系统“干端”，与系统“湿端”隔绝。该光纤的其余部分为弱反射光纤光栅水声传感阵列7，置于系统湿端。弱反射光纤光栅水声传感阵元间距可调，以适应水声探测频率半波长。

光纤光栅水声传感阵列的传感部分为在光栅之间的光纤部分，阵列中光纤光栅用作光脉冲反射节点，传感器两端由反射点构成，因此不仅限于弱反射光纤光栅，还可用一般反射率光纤光栅或者其他可进行光学反射的节点构成，但需满足反射率一致性原则。

非平衡干涉仪中单臂添加相位调制器10进行外调制，以满足本系统要求。

本发明的原理如下：利用参考传感器获得仅含有外调制载波相位的干涉信号，通过两路正交信号分别与延时后的不同水声传感器干涉信号进行交叉相乘滤波，可以将水声信号引起的相位变化解调出来。根据水声传感器所得干涉信号表达式：I_ak＝D₁+I_m1cos(φ_c(t)+φ_s(t)+φ_n1(t)-(k-1)2π/3)(k＝1,2,3)，式中D₁是探测光强平均值和I_m1是干涉光强幅值，φ_c(t)，φ_s(t)，φ_n1(t)分别表示水声信号、外调制信号、噪声引起的相位变化。其中φ_s(t)＝B sin(2πf_st)，B是外调制信号调制深度，f_s是外调制信号频率。参考传感器对应干涉信号表达式：I_bk＝D₀+I_m0cos(φ_c(t)+φ_n0(t)-(k-1)2π/3)(k＝1,2,3)，式中D₀是探测光强平均值和I_m0是干涉光强幅值。由上式可以看出来参考传感器由于不包含水声信号相位但是包含外调制相位，因此对两式进行数学运算可以解调水声信号引起的相位变化φ_s(t)，此时外调制深度或频率变化时，参考传感器和水声传感器干涉信号内部与外调制相位有关的参数均同时变化，因此有效得解决了信号稳定解调问题。使之对外调制信号参数变化不敏感，更加有利于系统整体工作稳定性。

对单个水声传感器解调时需对参考传感器6所得干涉信号进行对应时延，时延时间根据光脉冲返回时间确定，由于光栅间距已知，因此各个传感器均对应固定时延参数。

参考传感器与水声传感器阵列信号交叉相乘的算法需要提前将他们变换为两路正交信号，同时为满足时延匹配，需要将参考传感器信号经过相应固定时延器进行延时，最后进行交叉相乘滤波步骤。

通过参考传感器干涉信号和水声传感器干涉信号的交叉相乘滤波解调水声信号相位，不需要进行Bessel函数展开所需苛刻的参数限制，因此解调结果不受外调制信号频率漂移、调制深度波动、相位延迟等参数影响。

信号处理过程中光电探测器将获得三路干涉信号强度光谱图。

本发明实施例的基于Fizeau干涉光纤水声传感阵列的解调方法如图2所示，主要包括步骤：

通过寻找参考传感器6和光纤光栅水声传感阵列7中各个传感器的位置分别寻得参考传感器干涉信号与水声传感阵列干涉信号13，式(1)为光纤光栅水声传感阵列7所得干涉信号，式(2)为光纤参考传感器6所得干涉信号。

I_ak＝D₁+I_m1cos(φ_c(t)+φ_s(t)+φ_n1(t)-(k-1)2π/3) (k＝1,2,3) (1)

I_bk＝D₀+I_m0cos(φ_c(t)+φ_n0(t)-(k-1)2π/3) (k＝1,2,3) (2)

其中要对参考传感器信号进行相应延时器14延时，延时时间是光脉冲从对应水声传感器到参考传感器所用时间，以匹配阵列中不同传感器反射光脉冲延时得到同步解调信号。

对三路信号可得到直流信号，即

将三路干涉信号15取出后，对三路信号求和得到直流电压，再将其中两路信号分别去除信号中直流分量16得到水声传感器交流信号I’_a1、I’_a3和参考传感器交流信号I’_b1、I’_b3。然后经过幅值补偿，得到等步骤得到两两正交的信号

(I′_a1+I′_a3)/(-1)＝I_m0[cos(φ_c(t)+φ_s(t)+φ_n0(t)-2π/3)+cos[(φ_c(t)

+cos(φ_c(t)+φ_s(t)+φ_n0(t)+2π/3))]/(-1)

＝I_m0cos(φ_c(t)+φ_s(t)+φ_n0(t)) (4a)

(I′_b1+I′_b3)/(-1)＝I_m0[cos(φ_c(t)+φ_n0(t)-2π/3)+cos[(φ_c(t)

+cos(φ_c(t)+φ_n0(t)+2π/3))]/(-1)

＝I_m0cos(φ_c(t)+φ_n0(t)) (4c)

经过两路信号相加减然后进行幅值补偿17分别得到两种传感器归一化的两路正交混频信号I_P、I_Q和I_M、I_N

I_M＝I_m0cos(φ_c0(t)) (5a)

I_N＝I_m0sin(φ_c0(t)) (5b)

I_P＝I_m1cos(φ_c(t)+φ_s(t)+φ_n1(t))

＝I_m1cos(φ_c0(t)+φ_s(t)+φ_n1(t)-φ_n0(t)) (5c)

I_Q＝I_m1sin(φ_c(t)+φ_s(t)+φ_n1(t))

＝I_m1sin(φ_c0(t)+φ_s(t)+φ_n1(t)-φ_n0(t)) (5d)

公式(6a)、(6b)、(7)表示了对传感器正交信号交叉相乘相减18得到滤除载波相位的信号，再通过低通滤波器19去除载波高次倍频。

I_Q×I_M-I_P×I_N＝I_m1I_m0sin(φ_s(t)+φ_n1(t)-φ_n0(t)) (6a)

I_P×I_M+I_Q×I_N＝I_m1I_m0cos(φ_s(t)+φ_n1(t)-φ_n0(t)) (6b)

公式(8)表示了通过反正切算法和相位纠正20，最后经高通滤波器21滤除低频噪声信号输出得到所需水声传感阵列接收的水声信号。通过参考信号与经过延时器的传感器阵列信号进行交叉相乘，使最终传感器阵列的水声信号解调在相位上完全同步，同时不受调制信号源调制深度以及调制频率的漂移影响。

本发明所产生的两路正交混频信号的方法是通过寻找参考传感器信号得到的，是一种不需要其他外信号源的方法。该参考传感器将极大程度地提高解调信号稳定性，不受调制深度、载波频率漂移影响，同时降低了硬件成本。

本发明基于Fizeau干涉的大规模拉丝塔光纤光栅水声传感阵列解调方法可以从根本上解决相位生成载波PGC算法中，由于外调制相位载波频率漂移、调制深度波动、阵列信号各个传感器相位延迟等引起的解调信号不佳问题。另一方面，从参考传感器获得解调所需的混频信号，代替了PGC算法中的外接一倍、二倍频载波信号，极大程度地减少了时钟不同步问题，降低了软硬件运行成本。经过阵列算法解调在外调制信号参数发生漂移时解调幅度响应平坦度均在1dB以内。本发明将大幅度提高Fizeau干涉型光纤水声传感阵列解调稳定性，为长时间监控、大规模阵列解调水声探测提供了一种新的高性能的解决方案。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于Fizeau干涉的光纤光栅水声传感阵列的解调系统，其特征在于，包括光源(1)、信号发生器(2)、声光调制器(3)、光纤掺铒放大器(4)、第一光纤环形器（5）、参考传感器(6)、光纤光栅水声传感阵列(7)、第二光纤环形器（8）、 非平衡干涉仪、光电探测器(13)和工控机(14)；

其中，非平衡干涉仪包括3×3耦合器(9)、相位调制器(10)、第一法拉第旋转镜(11)、第二法拉第旋转镜(12)，非平衡干涉仪臂长差等于光栅间距；相位调制器(10)设置在3×3耦合器(9)和第二法拉第旋转镜(12)之间；

光源(1)发出的窄线宽连续光进入由信号发生器(2)驱动的声光调制器(3)中调制成脉冲光，脉冲光通过光纤掺铒放大器(4)放大后，再经过光纤环形器(5)进入到参考传感器(6)和光纤光栅水声传感阵列(7)中，经过光纤光栅水声传感阵列(7)反射回来的脉冲序列经第二光纤环形器(8)、进入到非平衡干涉仪，其中非平衡干涉仪包括3×3耦合器（9）和臂长差等于光栅间距的第一法拉第旋转镜（11）、第二法拉第旋转镜（12）；第一法拉第旋转镜(11)和第二法拉第旋转镜(12)对反射回来的脉冲序列进行光程补偿，使相邻两个反射脉冲在3×3耦合器(9)中发生干涉，3×3耦合器(9)输出的三路干涉信号经过光电探测器(13)转化为电信号，最终进入到工控机(14)进行数据采集与信号处理；

参考传感器(6)为振动和温度减敏封装结构，与光纤光栅水声传感阵列(7)隔绝；该解调系统工作时，仅光纤光栅水声传感阵列(7)置于液体中。

2.根据权利要求1所述的基于Fizeau干涉光纤光栅水声传感阵列的解调系统，其特征在于，用脉冲激光器替代光源(1)、信号发生器(2)和声光调制器(3)。

3.根据权利要求1所述的基于Fizeau干涉光纤光栅水声传感阵列的解调系统，其特征在于，光纤光栅水声传感阵列(7)的传感部分为光栅之间的光纤部分，是一种基于Fizeau干涉的水声敏感单元。

4.根据权利要求1所述的基于Fizeau干涉光纤光栅水声传感阵列的解调系统，其特征在于，光纤光栅水声传感阵列(7)为弱反射光纤光栅水声传感阵列。

5.根据权利要求1所述的基于Fizeau干涉光纤光栅水声传感阵列的解调系统，其特征在于，所述光纤光栅水声传感阵列(7)为大规模拉丝塔光纤光栅制成。

6.一种基于Fizeau干涉光纤光栅水声传感阵列的解调方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-5中任一项的系统，包括以下步骤：

将外调制信号通过相位调制器施加到非平衡干涉仪中以产生高频调制信号，根据参考传感器和光纤光栅水声传感阵列的位置，分别寻得参考传感器干涉信号与水声传感阵列干涉信号；

对参考传感器信号进行延时，延时时间是光脉冲从对应水声传感器到参考传感器所用时间，以匹配阵列中不同传感器反射光脉冲延时得到同步解调信号；

将三路干涉信号取出后，对三路信号求和得到直流电压，再将其中两路信号分别去除信号中直流分量得到水声传感器交流信号I ^’ _a1 、I ^’ _a3 和参考传感器交流信号I ^’ _b1 、I ^’ _b3 ，经过两路信号相加减然后进行幅值补偿分别得到两种传感器归一化的两路正交信号I _P 、I _Q 和I _M 、 I _N ；

对传感器正交信号交叉相乘相减得到滤除载波相位的信号，再通过低通滤波器去除载波高次倍频，然后通过反正切算法和相位纠正，最后经高通滤波器滤除低频噪声信号输出得到所需水声传感阵列接收的水声信号。

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