CN109883460B - 一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用装置及方法，属于光纤传感技术领域。该装置包括光源、伪随机码编码解码装置、多路光纤干涉仪级联阵列、信号探测采集及解调装置四部分。该方法采用伪随机码实现多路光纤干涉仪复用技术，利用伪随机码对阵列输入光信号编码并利用延时光纤控制各路传输光信号延时，在传输光路末端通过匹配各路光信号的传输时延完成解码与信号提取。该方法实现了单根光纤的多路光纤干涉仪阵列传输信号的复用集成，减少了大规模复用阵列传输光路系统的复杂性，且伪随机码具有尖锐的自相关性且与噪声的互相关值很小，可以降低传输系统噪声，实现系统噪声抑制。该方法适合于大规模干涉型光纤传感器阵列中应用。

Description

一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用装置及方法

技术领域

本发明属光纤传感技术领域，具体涉及一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用装置及方法。

背景技术

光纤干涉仪是光纤传感器的常见的核心元件，干涉型光纤传感器是利用光路中的相位变化来测量物理量，包括震动，应力，位移，速度等。干涉型光纤传感器具有灵敏度高，线性度好，带宽宽，动态范围大以及测量对象广泛等特点，典型应用包括光纤水听器、光纤地震计、光纤应变仪等。在实际应用场合中，往往需要级联大量的干涉型光纤传感器组成阵列用于实现多点参量同时测量的功能，例如干涉型光纤地震计阵列布设及干涉型光纤水听器阵列等。随着光纤干涉仪阵列规模的扩大，光路系统也越来越复杂，为简化光纤干涉仪阵列系统，光路复用技术应运而生。

光纤干涉仪阵列系统的复用技术与光通信中复用技术有诸多的共同点，主要通过单根光纤或者一对光纤传输多路信号，充分利用光纤的巨大带宽资源，降低系统的造价，使系统能够复用更多的干涉仪基元。经过长期的研究与探索，以及借鉴光通信中的成熟技术与器件，光纤干涉仪阵列的复用技术取得了长足的进步，已有多种成熟的方案，目前研究较多的有：空分复用(SDM)、频分复用(FDM)、相干复用(CM)、时分复用(TDM)以及波分复用(WDM)等。

空分复用是实现多路复用最简单的方法，现有的空分复用方案大体一致，利用采用公共光源结合多路光纤干涉仪阵列组成复用网路，并通过增加光纤分束器和探测器提升阵列中的基元数，实现每路基元具有相应的输入光纤以及探测器，例如2006年哈尔滨工程大学的苑立波、杨军等人提出的基于空分复用技术的多路光纤干涉仪阵列(CN200610151043.5、CN200810136824.6)。空分复用技术具有结构简单易于实现且无串扰等优点，但其传输效率较低，浪费光纤带宽资源，不适合用于大规模复用阵列的应用场合，且在远程传输的应用中系统代价很大。

频分复用技术一般是指相位生成载波(PGC)的频分复用，其基本原理是对阵列中各路光纤干涉仪的调制信号频率进行差异化加载，使得每路干涉仪的调制频率各不相同，最后将不同调制频率的干涉仪输出信号有一根光纤传输至同以探测器，最后利用各调制频率相应的信号解调处理获得各自独立的输出。美国海军研究实验室利用该技术实现了总数为48单元的水听器复用阵列并成功进行了海上实验(Dandridge A,Tveten A B,Kersey AD,et al.Multiplexing of interferometric sensors using phase carriertechniques[J].Journal of Lightwave Technology,1987,5(7):947-952.)，结果显示其具有低阈值检测能力和低串扰特点。但是采用该复用技术的光纤干涉仪阵列的复用规模受到光源光功率以及带通滤波器带宽的限制。

相干复用是通过远端光程匹配技术来实现的。J.L.Brooks等人与1985年提出一种基于相干复用技术的干涉型光纤传感器阵列系统(Brooks J,Wentworth R,Youngquist R,et al.Coherence multiplexing of fiber-optic interferometric sensors[J].Journal of Lightwave Technology,1985,3(5):1062-1072.)，在该阵列系统中的光纤干涉仪单元采用臂长差各不相同的非平衡干涉仪结构，阵列末端串联可变臂长的匹配干涉仪，臂长调整范围涵盖阵列中所有干涉仪的臂长差。阵列系统采用光源的相干长度小于干涉仪的最小臂长差，这使得光信号无法在阵列中进行干涉，只能通过调整匹配干涉仪的可调臂长度分别对阵列中各干涉仪进行光程匹配来满足相干条件。由于阵列中各干涉仪的臂长差均不相同，因此利用匹配干涉仪的匹配臂长可以标定唯一的干涉仪，通过扫描匹配干涉仪的臂长使其在不同时刻分别与阵列中每个干涉仪进行光程匹配，便可测得阵列中各路光纤干涉仪的检测信号，达到多路复用目的。采用相干多路复用技术的阵列结构复杂较为复杂，且系统采用低相干光源会产生较大相位噪。

时分复用技术是采用最早也是目前发展最为成熟的技术，国内外学者多有研究，例如：2010年，中国科学院声学研究所提出了一种采用时分复用技术的光纤水听器阵列的光路结构(CN201010540799.5)，在此基础上，清华大学又提出了基于时分复用系统的噪声抑制方法(CN201210143601.9)。时分复用技术原理为采用光脉冲并利用延迟光纤控制光脉冲注入到阵列中各光纤干涉仪单元的时间，通过严格匹配控制各路光信号时延以及光脉冲间隔，可以使探测器检测到不同时刻光脉冲，如此便可探测到阵列中各路光纤干涉仪的信息。时分复用大大减少了阵列系统中光源、传输光纤及探测器的数量，提高了器件利用率和复用效率，具有结构简单、相位噪声小以及成本低等特点，并且易与其它复用技术相结合，进一步提高系统复用能力。但是，时分复用技术自身最大复用能力要受制于光功率、信号采样率以及系统串扰等因素。

波分复用技术是由光纤通信技术演化而来并且对器件有较高的性能要求，其相对于频分复用、时分复用以及相干复用起步较晚，但也获得了众多研究者的关注，例如威海北洋光电信息技术股份有限公司2016年提出的基于PGC原理的光纤水听器系统(CN201611053984.5)便采用了波分复用技术。波分复用技术是指多个不同波长的光信号混合后经过单根光纤传输，达到阵列后由波分复用器分成单一波长多路光信号输送至各路干涉仪，阵列中各路干涉仪的输出信号经过合束再由单根光纤传输至探测端，最后经过解复用后由不同波长响应的探测器探测得到多路信号。波分复用技术中较多的光学器件增加了系统失效及故障的概率且造价昂贵，此外光纤非线性效应可能影响到某些功能设计(信道数量少、距离段等)，最后实际应用时必须考虑信道间隔、中心频率等方面的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用装置及方法，利用此方法可以实现单根光纤的多路光纤干涉仪阵列传输信号的复用集成，减少大规模复用阵列传输光路系统的复杂性，同时还可以降低传输系统噪声，实现阵列系统噪声抑制。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用装置，包括光源1、伪随机码编码解码装置2、多路光纤干涉仪级联阵列3、信号探测采集及解调装置4四个部分；所述光源1通过输入光纤101先后连接隔离器102、伪随机码编码解码装置2中的编码器202，最终接入多路光纤干涉仪级联阵列3中的第一输入分束器311；多路光纤干涉仪级联阵列3中第一输出合束器312通过输出光纤103先后连接伪随机码编码解码装置2中的第一解码器221、第二解码器222，最终接入信号探测采集及解调装置4中的探测器401。

所述的伪随机码编码解码装置2包括伪随机码发生器201、编码器202、第一延时器211、第二延时器212、第一解码器221、第二解码器222，伪随机码发生器201同时与编码器202、第一延时器211、第二延时器212三者相连；第一延时器211、第二延时器212分别与第一解码器221、第二解码器222相连。

所述多路光纤干涉仪级联阵列3由多个类似的光纤干涉仪模块310、320、…、3N0串联组成，第一路光纤干涉仪310通过第一输入分束器311、第一输出合束器312分别与输入光纤101、输出光纤103连接；第二路光纤干涉仪320输入端由第二输入分束器通过第一延迟光纤302与上一路的第一输入分束器311连接，第二路光纤干涉仪320输出端通过第二输出合束器322与上一路的第一输出合束器312连接；第N路光纤干涉仪3N0输入端由第N输入分束器3N1通过第N-1延迟光纤30N与上一路的第N-1输入分束器3(N-1)1连接，第N路光纤干涉仪3N0输出端通过第N输出合束器3N2与上一路的第N-1输出合束器3(N-1)2连接。

所述的信号探测采集及解调装置4包括探测器401、采集卡402以及信号处理器403，探测器401与采集卡402连接，采集卡402与信号处理器403连接；探测采集及解调装置4中的采集卡402同时与伪随机码编码解码装置2中的第一延时器211、第二延时器212相连。

一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用方法，利用伪随机码(PRN code)发生器产生伪随机码(PRN code)，并对多路光纤干涉仪阵光源的输出光信号进行编码，使其随机产生0或π的相移；通过不同的延迟光纤控制编码光信号注入到阵列中各光纤干涉仪单元的时间，在各路干涉仪输出端将具有不同编码延时的各路输出干涉信号通过一根光纤传输，最后在阵列系统传输光路末端通过匹配各路光纤干涉仪光信号的传输时延对编码信号进行解码恢复，通过改变解码信号的匹配时延实现对各路光信号的分别提取。

第k路光纤干涉仪利用伪随机码对传输光信号调制编码与信号解码提取的具体过程为：

输入光信号经过光纤分束器后分别传输到两个干涉臂中，经过两干涉臂中的传感光纤传输后最终回合发生干涉，干涉前两臂传输的光信号分别为

式中，φ₁、φ₂为第k路光纤干涉仪两传感臂光纤产生的相位，τ₁、τ₂为第k路光纤干涉仪两传感臂光纤产生的时延，E₁、E₂为输入光信号的电场数值，c(t-τ₁)、c(t-τ₂)为伪随机码；

信号发生干涉后，第k路光纤干涉仪的输出干涉信号为

当含有两个延时编码信息的传输光信号经过第一个解码器时，在实现施加解码PRN码分别与之前编码的PRN码相匹配情况下有

c(t-τ₁)c(t-τ₁)＝1

当传输光信号经过第二个解码器时，在实现施加解码PRN码分别与之前编码的PRN码相匹配情况下有

c(t-τ₂)c(t-τ₂)＝1

经过两个解码器解码后最终得到的信号即为第一路光纤干涉仪光路输出干涉信号为

V_d(t)＝E₁E₂cos(φ₁-φ₂)

本发明有益效果在于：

(1)本发明采用伪随机码实现大规模的多路光纤干涉仪复用技术，在单根光纤上完成多路光纤干涉仪阵列传输信号的复用集成，大大减少了大规模光纤干涉仪阵列传输光路系统的复杂性，适合于大规模光纤干涉仪传感器阵列应用，且该方案对光路改动较小，系统结构简单，易于实现；

(2)本发明采用伪随机码对传输光信号进行编码解码，由于伪随机码具有尖锐的自相关性以及与噪声等随机序列的互相关值很小的特性，因此可将与待测信号不相关的信息隔离和消除，降低单频噪声并抑制窄带噪声，有效减少噪声干扰影响，实现光路系统噪声抑制，提高系统的信噪比；

(3)本发明采用伪随机码在光路输入始端以及光路输出末端对光信号进行编码、解码，结合光源调制的PGC解调法，可实现全光纤化的多路光纤干涉仪级联阵列，适用于恶劣环境下(如深井)全光纤传感阵列。

附图说明

图1为一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用装置图；

图2为编码与解码时，伪随机码匹配、不匹配情况，测量信号变化示意表；

图3为伪随机码编码解码对光路系统噪声抑制示意图；

图4为一种基于伪随机码的四路Michelson干涉仪复用方案；

图5为一种基于伪随机码的四路光源调制Mach-Zehnder干涉仪复用方案。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步描述。

本发明提供了一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用方法，包括光源、伪随机码编码解码装置、多路光纤干涉仪级联阵列、信号探测采集及解调装置四部分。基于伪随机码(PRN码)的信号编码与解码技术是新型数字信号处理技术，利用伪随机码可以实现高精度信号编码调制与解码提取。该方法采用伪随机码实现多路光纤干涉仪复用技术，利用为随机码对多路光纤干涉仪阵光源的输出光信号进行编码，通过不同的延迟光纤控制编码光信号注入到阵列中各光纤干涉仪单元的时间，在各路干涉仪输出端将具有不同编码延时的各路输出干涉信号通过一根光纤传输，最后在阵列系统传输光路末端通过匹配各路光纤干涉仪光信号的传输时延对编码信号进行解码恢复，改变解码信号的匹配时延便可实现对各路光信号的分别提取。该方法利用伪随机码实现了单根光纤的多路光纤干涉仪阵列传输信号的复用集成，减少了大规模复用阵列传输光路系统的复杂性，同时由于伪随机码具有尖锐的自相关性以及与噪声等随机序列的互相关值很小的特性，可以有效抵抗传输链路中的噪声以及窄带噪声，实现光路系统噪声抑制。该方法适合于大规模干涉型光纤传感器阵列中应用。

基于伪随机码(PRN码)的信号编码与解码技术是新型数字信号处理技术，利用伪随机码可以实现高精度信号编码调制与解码提取。其工作原理是：利用伪随机码(PRNcode)发生器产生伪随机码(PRN code)，并通过编码器对系统输入光信号进行调制编码，使其随机产生0或π的相移，然后进阵列系统各路单元。由于阵列系统中各路单元的光信号传输路径不一致，因此各路传输光信号具有不同时间延迟，在阵列系统输出端同样利用伪随机码(PRN码)通过解码器对阵列系统各路单元的输出光进行解码，通过延时器精确匹配各路光信号延时，利用伪随机码(PRN code)分别对各路光信号进行解码(即利用PRN code与输出光信号进行相关运算)，实现信号的提取。该解码PRN code需与之前进行编码的PRNcode相匹配，只有编码PRN code与解码PRN code相匹配，干涉信号光中的信号才能被提取出；如过两者不匹配，干涉信号光便会成为宽带噪声，无法提取，具体过程如附图2所示。附图2中，第一行为未采用PRN编码时所得到的信号，在利用PRN编码器发出的如A所示的PRN码对信号进行编码调制，该信号发生0或π的相移，得到如B所示的信号。该信号进入信号后处理系统进行解码，若解码PRN码与编码PRN码相匹配时(即附图2中A、C1所示)，可以将信号B进行恢复，得到信号D1，实现信号的提取；若两者不相匹配(即附图2中A、C2所示)，则使信号成为宽带噪声，无法进行信号的恢复。

以第一路光纤干涉仪为例，利用伪随机码对传输光信号调制编码与信号解码提取的具体过程为如下：

经过伪随机码发生器发出的伪随机码(PRN code)编码后，阵列中第n路光纤干涉仪的输入光信号可表示为：

式中，E_n为输入光信号的电场数值，c(t-τ_n)为伪随机码(PRN码)，τ_n为经过延迟光纤传输引起的时延。

对于第一路光纤干涉仪光路，输入光信号经过光纤分束器后分别传输到两个干涉臂中，经过两干涉臂中的传感光纤传输后最终回合发生干涉，干涉前两臂传输的光信号分别为：

式中，φ₁、φ₂为第一路光纤干涉仪两传感臂光纤产生的相位，τ₁、τ₂为第一路光纤干涉仪两传感臂光纤产生的时延。

信号发生干涉后，第一路光纤干涉仪的输出干涉信号为：

通常情况下对于只包含一个延时编码信息c(t-τ_n)的传输光信号，解码时只需要一个解码器施加解码PRN码，通过匹配时延，使与之前编码的PRN码相匹配的解码PRN码与该路干涉光信号做相关运算，当编码PRN码与解码PRN码相匹配时，则有c(t-τ_n)c(t-τ_n)＝1。

而从式(4)可以看出，第一路光纤干涉仪的输出干涉信号存在两个时延τ₁与τ₂，由于外界扰动的存在以及干涉仪两臂传感光纤长度不一定相等，因此多数情况下存在τ₁≠τ₂。对于包含有两个延时编码信息的传输光信号，其解码时需要两个延时匹配才能实现解码，因此需要在光路输出端设置两个解码器，通过分别匹配两个解码器的时延使之施加解码PRN码分别与之前编码的PRN码相匹配。即当含有两个延时编码信息的传输光信号经过第一个解码器时，在实现施加解码PRN码分别与之前编码的PRN码相匹配情况下有：

c(t-τ₁)c(t-τ₁)＝1 (5)

当传输光信号继续经过第二个解码器时，在实现施加解码PRN码分别与之前编码的PRN码相匹配情况下有：

c(t-τ₂)c(t-τ₂)＝1 (6)

因此对于有两个延时编码信息的传输光信号(即式(4))，再经过两个解码器解码后最终得到的信号即为第一路光纤干涉仪光路输出干涉信号为：

V_d(t)＝E₁E₂cos(φ₁-φ₂) (7)

以上解码编码过程适用于伪随机码多路光纤干涉仪阵列复用方案中的任何一路光纤干涉仪的输出信号。

基于伪随机码的信号调制技术，在对信号进行高精度解码与编码的同时，还能够抑制光路系统噪声，由于伪随机码具有尖锐的自相关性以及与噪声等随机序列的互相关值很小的特性，可以有效抵抗传输链路中的噪声以及窄带噪声，实现光路系统噪声抑制。光路系统噪声抑制过程如附图3所示，阵列系统中光源发出的光中包含信号(信息码元)与干扰噪声(附图3(a))，经过调制编码器时，信号(信息码元)被伪随机码(PRN码)进行调制并被扩展到一个很宽的频带(扩频)，而干扰噪声不被扩频(附图3(b))。被伪随机码(PRN码)调制编码的传输光信号在末端通过解码器解码过程即是对信号进行解扩的过程，也就是将该束光与之前进行扩频时相匹配的伪随机码进行相关运算，使信息码元的频带又恢复为扩频前的情况。干扰噪声由于与该伪随机码不相关，因此其频谱被大大扩展(附图3(c))。经过解扩之后的光信号经过低通滤波器滤波处理，可以滤除信号(信息码元)中大部分的干扰噪声(附图3(d))，使输出信号中干扰噪声功率大大降低，从而有效的减少了干扰噪声的影响，实现了光路系统噪声抑制，提高了系统的信噪比。

为清楚地说明本发明，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施案例1：一种基于伪随机码的四路外调制Michelson干涉仪复用方案

一种基于伪随机码的四路外调制Michelson干涉仪复用方案如附图4所示，包括光源1、伪随机码编码解码装置2、四路光纤干涉仪级联阵列3、信号探测采集及解调装置4四部分，连接方式为：

1)光源1的输入光纤101先后连接隔离器102、伪随机码编码解码装置2中的编码器202和光纤环形器203，最终接入四路光纤干涉仪级联阵列3中的第一光纤耦合器311；

2)伪随机码编码解码装置2中的光纤环形器203通过输出光纤103先后连接第一解码器221、第二解码器222，最终接入信号探测采集及解调装置4中的探测器401；

3)探测采集及解调装置4中的采集卡402同时与伪随机码编码解码装置2中的第一延时器211、第二延时器212以及四路光纤干涉仪级联阵列3中的第一、二、三、四光纤干涉仪相位调制器313、323、333、343相连接。

伪随机码编码解码装置2，包括伪随机码发生器201、编码器202、第一延时器211、第二延时器212、第一解码器221、第二解码器222，其中伪随机码发生器201同时与编码器202、第一延时器211、第二延时器212三者相连，其中第一延时器211、第二延时器212分别与第一解码器221、第二解码器222相连；

四路光纤干涉仪级联阵列3由四路Michelson干涉仪310、320、330、340并联组成，相位解调算法采用相位生成载波解调法(PGC)，调制方式采用外调制，其中：

1)第一路光纤干涉仪310通过第一光纤耦合器311与光纤环形器203连接，第二路光纤干涉仪320通过第二光纤耦合器321以及第一延迟光纤302与第一光纤耦合器311连接，第三路光纤干涉仪330通过第三光纤耦合器331以及第二延迟光纤303与第二光纤耦合器321连接，第四路光纤干涉仪340通过第三延迟光纤304与第三光纤耦合器331连接，第一、二、三光纤耦合器311、321、331以及第三延迟光纤304分别连接第一、二、三、四光纤干涉仪耦合器312、322、332、342；

2)四路Michelson干涉仪310、320、330、340具有相同结构，第一、二、三、四光纤干涉仪耦合器312、322、332、342一输出端通过第一、二、三、四光纤干涉仪参考臂传感光纤315、325、335、345连接第一、二、三、四光纤干涉仪参考臂反射镜316、326、336、346，第一、二、三、四光纤干涉仪耦合器312、322、332、342另一输出端光纤通过第一、二、三、四光纤干涉仪相位调制器313、323、333、343连接第一、二、三、四光纤干涉仪测量臂传感光纤314、324、334、344连接第一、二、三、四光纤干涉仪测量臂反射镜317、327、337、347。信号探测采集及解调装置4，包括探测器401、采集卡402以及信号处理器403，其中：探测器401与采集卡402连接，采集卡402与信号处理器403连接。

一种基于伪随机码的四路外调制Michelson干涉仪复用方案选用的光纤器件的详细性能参数如下所述：

1)一种基于伪随机码的四路外调制Michelson干涉仪复用方案中所有传输光纤和传感光纤均采用单模光纤，所有器件及器件尾纤均为单模光纤器件及单模光纤；

2)光源1采用窄线宽激光光源，工作波长为1550±20nm，中心波长1550nm，出纤功率大于10mW，光谱线宽小于1pm；

3)光纤环形器203的为三端口环行器，工作波长为1550nm，插入损耗1dB，回波损耗大于55dB，尾纤为单模光纤；

4)编码器202、第一解码器221以及第二解码器222采用电光调制器(EOM)；

5)四路Michelson干涉仪310、320、330、340为臂长相等的平衡光纤干涉仪，第一、二、三、四光纤干涉仪参考臂传感光纤315、325、335、345及第一、二、三、四光纤干涉仪测量臂传感光纤314、324、334、344长度均为100m；

6)第一、二、三光纤耦合器311、321、331均采用1分2的单模光纤耦合器，工作波长为1550nm，分光比分别为3:1、2:1以及1:1；

7)第一、二、三、四光纤干涉仪耦合器312、322、332、342均采用1分2的单模光纤耦合器，工作波长为1550nm，分光比均为1:1；

8)第一、二、三、四光纤干涉仪相位调制器313、323、333、343采用压电陶瓷环实现相位调制，其直径为30mm，缠绕光纤长度为1000mm，绕制光纤为单模光纤，调制幅度大于2π，调制频率为20kHz；

9)第一、二、三、四光纤干涉仪参考臂反射镜316、326、336、346及第一、二、三、四光纤干涉仪测量臂反射镜317、327、337、347均为光纤法拉第旋镜，尾纤为单模光纤，旋转角度为90°，插入损耗小于0.4dB。

实施案例2：一种基于伪随机码的四路光源调制Mach-Zehnder干涉仪复用方案

一种基于伪随机码的四路光源调制Mach-Zehnder干涉仪复用方案如附图5所示，包括光源1、伪随机码编码解码装置2、四路光纤干涉仪级联阵列3、信号探测采集及解调装置4四部分，连接方式为：

1)光源1的输入光纤101先后连接隔离器102、伪随机码编码解码装置2中的编码器202，最终接入四路光纤干涉仪级联阵列3中的第一输入光纤耦合器311；

2)四路光纤干涉仪级联阵列3中第一输出耦合器312通过输出光纤103先后连接伪随机码编码解码装置2中的第一解码器221、第二解码器222，最终接入信号探测采集及解调装置4中的差分探测器401一接收端，四路光纤干涉仪级联阵列3中第二输出耦合器313通过输出光纤104先后连接伪随机码编码解码装置2中的第三解码器223、第四解码器224，最终接入信号探测采集及解调装置4中的差分探测器401另一接收端；

3)探测采集及解调装置4中的采集卡402同时与伪随机码编码解码装置2中的第一延时器211、第二延时器212以及光源1相连。

伪随机码编码解码装置2，包括伪随机码发生器201、编码器202、第一延时器211、第二延时器212、第一解码器221、第二解码器222、第三解码器223、第四解码器224，其中伪随机码发生器201同时与编码器202、第一延时器211、第二延时器212三者相连，其中第一延时器211同时与第一解码器221及第三解码器223连接、第二延时器212同时与第二解码器221及第四解码器224连接；

四路光纤干涉仪级联阵列3由四路Mach-Zehnder干涉仪310、320、330、340并联组成，四路Mach-Zehnder干涉仪310、320、330、340采用非平衡光纤干涉仪结构，相位解调算法采用相位生成载波解调法(PGC)，调制方式采用光源调制，其中：

1)第一路光纤干涉仪310通过第一输入光纤耦合器311输入光纤101连接，

第二路光纤干涉仪320通过第二输入光纤耦合器321以及第一延迟光纤302与第一输入光纤耦合器311连接，第三路光纤干涉仪330通过第三输入光纤耦合器331以及第二延迟光纤303与第二输入光纤耦合器321连接，第四路光纤干涉仪340通过第三延迟光纤304与第三输入光纤耦合器331连接，第一、二、三输入耦合器311、321、331以及第三延迟光纤304分别连接第一、二、三、四光纤干涉仪输入耦合器314、324、334、344；

2)四路Mach-Zehnder干涉仪310、320、330、340具有相同结构，第一、二、三、四光纤干涉仪输入耦合器314、324、334、344一输出端通过第一、二、三、四光纤干涉仪参考臂传感光纤315、325、335、345连接第一、二、三、四光纤干涉仪输出耦合器317、327、337、347一输入端，第一、二、三、四光纤干涉仪输入耦合器314、324、334、344另一输出端通过第一、二、三、四光纤干涉仪测量臂传感光纤316、326、336、346连接第一、二、三、四光纤干涉仪输出耦合器317、327、337、347另一输入端，其中第一、二、三、四光纤干涉仪参考臂传感光纤315、325、335、345长度与对应的第一、二、三、四光纤干涉仪测量臂传感光纤316、326、336、346长度不一致；

3)第一光纤干涉仪输出耦合器317一输出端光纤通过第一输出光纤耦合器312接入输出光纤103、另一输出端光纤通过第二输出光纤耦合器313接入输出光纤104，第二光纤干涉仪输出耦合器327一输出端光纤通过第三输出光纤耦合器322接入第一输出光纤耦合器312、另一输出端光纤通过第四输出光纤耦合器323接入第二输出光纤耦合器313，第三光纤干涉仪输出耦合器337一输出端光纤通过第五输出光纤耦合器332接入第三输出光纤耦合器322、另一输出端光纤通过第六输出光纤耦合器333接入第四输出光纤耦合器323，第四光纤干涉仪输出耦合器347一输出端光纤与第五输出光纤耦合器332连接、另一输出端光纤与第六输出光纤耦合器333连接。信号探测采集及解调装置4，包括差分探测器401、采集卡402以及信号处理器403，其中：探测器401与采集卡402相接，采集卡402与信号处理器403相接。

一种基于伪随机码的四路光源调制Mach-Zehnder干涉仪复用方案选用的光纤器件的详细性能参数如下所述。

1)一种基于伪随机码的四路光源调制Mach-Zehnder干涉仪复用方案中所有传输光纤和传感光纤均采用熊猫型保偏光纤，所有器件及器件尾纤均为熊猫型保偏光纤器件及熊猫型保偏光纤，工作轴均为快轴工作；

2)光源1采用频率可调谐的窄线宽激光光源，中心波长1550nm，出纤功率大于10mW，调频范围600MHz，光谱线宽小于1pm，调制频率为20kHz，尾纤为保偏光纤，输出轴为快轴；

3)编码器202、第一解码器221、第二解码器222以及第三解码器223、第四解码器224均采用电光调制器(EOM)；

4)四路Mach-Zehnder干涉仪310、320、330、340为臂长不相等的非平衡光纤干涉仪，臂长差为10cm，第一、二、三、四光纤干涉仪参考臂传感光纤315、325、335、345长度均为100.1m，第一、二、三、四光纤干涉仪测量臂传感光纤316、326、336、346长度均为100m；

5)第一、二、三输入光纤耦合器311、321、331以及第一、二、三、四、五、六输出光纤耦合器312、313、322、323、332、333均采用1分2的熊猫型保偏光纤耦合器，工作波长为1550nm，工作轴为快轴，消光比优于20dB，分光比分别为3:1、2:1、1:1以及3:1、3:1、2:1、2:1、1:1、1:1；

6)第一、二、三、四光纤干涉仪输入耦合器314、324、334、344以及第一、二、三、四光纤干涉仪输出耦合器317、327、337、347均采用1分2的熊猫型保偏光纤耦合器，工作波长为1550nm，工作轴为快轴，消光比优于20dB，分光比均为1:1。

Claims (2)

1.一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用装置，包括光源(1)、伪随机码编码解码装置(2)、多路光纤干涉仪级联阵列(3)、信号探测采集及解调装置(4)四部分；其特征在于：光源(1)通过输入光纤(101)先后连接隔离器(102)、伪随机码编码解码装置(2)中的编码器(202)，最终接入多路光纤干涉仪级联阵列(3)中的第一输入分束器(311)；多路光纤干涉仪级联阵列(3)中第一输出合束器(312)通过输出光纤(103)先后连接伪随机码编码解码装置(2)中的第一解码器(221)、第二解码器(222)，最终接入信号探测采集及解调装置(4)中的探测器(401)；探测采集及解调装置(4)中的采集卡(402)同时与伪随机码编码解码装置(2)中的第一延时器(211)、第二延时器(212)相连；

所述的伪随机码编码解码装置(2)包括伪随机码发生器(201)、编码器(202)、第一延时器(211)、第二延时器(212)、第一解码器(221)、第二解码器(222)，伪随机码发生器(201)与编码器(202)、第一延时器(211)、第二延时器(212)三者相连，第一延时器(211)、第二延时器(212)分别与第一解码器(221)、第二解码器(222)相连；

所述的多路光纤干涉仪级联阵列(3)由多个类似的光纤干涉仪模块(310、320、…、3N0)串联组成，第一路光纤干涉仪(310)通过第一输入分束器(311)、第一输出合束器(312)分别与输入光纤(101)、输出光纤(103)连接；第二路光纤干涉仪(320)输入端由第二输入分束器通过第一延迟光纤(302)与上一路的第一输入分束器(311)连接，第二路光纤干涉仪(320)输出端通过第二输出合束器(322)与上一路的第一输出合束器(312)连接；第N路光纤干涉仪(3N0)输入端由第N输入分束器(3N1)通过第N-1延迟光纤(30N)与上一路的第N-1输入分束器(3(N-1)1)连接，第N路光纤干涉仪(3N0)输出端通过第N输出合束器(3N2)与上一路的第N-1输出合束器(3(N-1)2)连接；

所述的信号探测采集及解调装置(4)包括探测器(401)、采集卡(402)和信号处理器(403)，探测器(401)与采集卡(402)连接，采集卡(402)与信号处理器(403)连接。

2.基于权利要求1所述的一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用装置的一种基于伪随机码的多路光纤干涉仪复用方法，其特征在于：利用伪随机码发生器产生伪随机码并对多路光纤干涉仪阵光源的输出光信号进行编码，使其随机产生0或π的相移；通过不同的延迟光纤控制编码光信号注入到阵列中各光纤干涉仪单元的时间，在各路干涉仪输出端将具有不同编码延时的各路输出干涉信号通过一根光纤传输，最后在阵列系统传输光路末端通过匹配各路光纤干涉仪光信号的传输时延对编码信号进行解码恢复，通过改变解码信号的匹配时延实现对各路光信号的分别提取；

第k路光纤干涉仪利用伪随机码对传输光信号调制编码与信号解码提取的具体过程为输入光信号经过光纤分束器后分别传输到两个干涉臂中，经过两干涉臂中的传感光纤传输后最终回合发生干涉，干涉前两臂传输的光信号分别为

式中，φ₁、φ₂为第k路光纤干涉仪两传感臂光纤产生的相位，τ₁、τ₂为第k路光纤干涉仪两传感臂光纤产生的时延，E₁、E₂为输入光信号的电场数值，c(t-τ₁)、c(t-τ₂)为伪随机码；

信号发生干涉后，第k路光纤干涉仪的输出干涉信号为

经过两个解码器解码后最终得到的信号即为第一路光纤干涉仪光路输出干涉信号为V_d(t)＝E₁E₂ cos(φ₁-φ₂)。

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