CN110044401B - 一种光纤传感器的信号解调方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤传感器的信号解调方法，应用于光纤传感技术领域，通过将一调制后的信号入射到将被测光纤传感器，光纤传感器的反射光与光源信号相干，然后通过多路耦合器提取出相干之后的相位，可以直接解调出被测光纤传感器的相位变化，适用于对动态信号的测量。本发明基于上述方法还公开了一种光纤传感器的信号解调系统。本发明通过上述设计可以消除信号的幅度变化对解调信号的影响，并且在基于对信号的幅度没有要求的情况下，能够降低对信号采样的要求并且提高信号的信噪比和信号解调的精度。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤传感器的信号解调方法及系统。
背景技术
随着光纤传感走向实际应用，传感信号的解调技术成为了关键点。特别是对光纤传感信号的解调，由于其在温度、压力等测量领域有着举足轻重的地位，其技术逐渐在特殊的测量领域中得到应用，并朝着高精度、低成本、高可靠性、实时性等方向发展。
对于反射型光纤传感器，它是光纤传感器中应用最广泛的传感器，一般有光谱解调方法和光程差解调方法等是最常用的传感信号解调方法，其中，光程差解调方法可以实现高分辨率的动态测量。目前出现的光纤传感器光程差解调方法中，大多使用载频相干解调、Hybrid光学器件相干解调、干涉仪解调等方法。载频相干解调需要高速采样，因而成本较高，Hybrid光学器件相干解调低频解调特性不好，干涉仪解调失真度大，为此，本发明为了解决这些不足，提出基于多个M×N多路耦合器相干解调的方法，构建光程差解调的方程组，精确解调出光程差变化。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种光纤传感器的信号解调方法及系统可以消除信号的幅度变化对解调信号的影响，适用于对动态信号的测量，能够降低对信号采样的要求并且提高信号的信噪比和信号解调的精度。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种光纤传感器的信号解调方法，包括如下步骤：
S1、将窄线宽光源输出的光通过第一1×K的分路器分成两路，其中一路光接入光调制器进行调制得到脉冲光，另一路光通过第一1×K的分路器分成K路光；
S2、将所述脉冲光通过环形器入射至光纤传感器中，并将所述光纤传感器返回的反射光通过所述环形器输出至第二1×K的分路器中，其中，K为分路器的输出端的端口数，且K>1；
S3、将所述第一1×K的分路器分成的K路光与所述第二1×K的分路器输出的反射光分别传输至J个M×N耦合器的两个输入端，并通过所述J个M×N耦合器输出N路相干信号，其中，J表示M×N耦合器的个数，M表示耦合器的输入端的端口数，N表示耦合器的输出端的端口数，且M≥2,N≥3；
S4、将所述J个M×N耦合器输出的N路相干信号分别传输至X个光电探测器中，并通过所述X个光电探测器输出A个N路电信号，其中，A表示N路电信号的数量，且A＝J，X表示光电探测器的数量，且X＝N；
S5、通过采集卡采集所述A个N路电信号，并构建光程差解调的方程组对所述A个N路电信号求解，得到光纤传感器的传感信号；
S6、根据所述光纤传感器的传感信号通过J个M×N耦合器解调出Y个传感器信号，并将Y个传感信号进行平均处理，从而完成对光纤传感器的解调，其中，Y表示传感器信号的数量，且Y＝J。
进一步地，所述步骤S1中窄线宽光源的线宽小于100MHz。
再进一步地，所述步骤S1中脉冲光的重复频率fr的表达式如下：
其中，c表示脉冲光的光速，n表示脉冲光的折射率，L表示光纤传感器的长度。
再进一步地，所述步骤S3中通过M×N耦合器输出的N路相干信号其具体为：
通过M×N耦合器按相邻相位之间相差
弧度的顺序输出N路光信号，其中，M表示耦合器的输入端的端口数，N表示耦合器的输出端的端口数，且M≥2,N≥3。
再进一步地，所述按相邻相位之间相差
弧度的顺序输出N路光信号，其表达式如下：
...
...
VN＝A+Bcos(2π+φ)＝A+Bcosφ
其中，Vi表示M×N耦合器的第i路输出分别被探测到的实测光强信号，N表示耦合器的输出端的端口数，A表示一个与光源功率相关的常量，B表示与光强和干涉对比度相关的常量，φ表示光程差，cos(·)表示余弦值函数，xi表示光信号的输出路数，i＝1,2,...,N。
基于上述方法，本发明还提供了一种光纤传感器的信号解调系统，包括光源子系统，以及分别与所述光源子系统连接的光纤传感子系统和信号解调子系统；
所述光源子系统包括窄线宽光源、光调制器以及环形器，所述窄线宽光源的输出端与所述光调制器的输入端连接，所述光调制器的输出端与所述环形器连接，所述窄线宽光源用于获取光信号，所述光调制器将光信号的其中一路光信号调制成脉冲光，并通过环形器传输至所述光纤传感子系统；
所述光纤传感子系统包括光纤传感器，所述光纤传感器的输入端通过环形器与所述光调制器的输出端连接，所述光纤传感器通过环形器接收的所述光调制器输出的脉冲光，并将反射光通过环形器输出至信号解调子系统；
所述信号解调子系统包括第一1×K分路器、第二1×K分路器、J个M×N耦合器、X个光电探测器以及采集卡，所述第一1×K分路器连接于所述窄线宽光源与所述光调制器之间，所述第二1×K分路器连接于所述光调制器与所述环形器之间，所述第一1×K分路器与第二1×K分路器分别与所述J个M×N耦合器连接，所述J个M×N耦合器还与所述X个光电探测器连接，所述X个光电探测器还与所述采集卡连接，其中，
所述第一1×K分路器用于将所述窄线宽光源获取光信号分成两路，其中一路光输出至光调制器中，另一路光分成K路输出至J个M×N耦合器中；
所述第二1×K分路器用于将所述光纤传感器的反射光输出至J个M×N耦合器中；
所述J个M×N耦合器用于将所述第一1×K的分路器分成的K路光与所述第二1×K的分路器输出的反射光进行两路相干处理，得到N路相干信号，并将N路相干信号传输至X个光电探测器中，以及将所述光纤传感器的传感器信号进行解调；
通过M×N耦合器输出的N路相干信号其具体为：
通过M×N耦合器按相邻相位之间相差
弧度的顺序输出N路光信号，其中，M表示耦合器的输入端的端口数，N表示耦合器的输出端的端口数，且M≥2,N≥3；
所述按相邻相位之间相差
弧度的顺序输出N路光信号，其表达式如下：
...
...
VN＝A+Bcos(2π+φ)＝A+Bcosφ
其中，Vi表示M×N耦合器的第i路输出分别被探测到的实测光强信号，N表示耦合器的输出端的端口数，A表示一个与光源功率相关的常量，B表示与光强和干涉对比度相关的常量，φ表示光程差，cos(·)表示余弦值函数，xi表示光信号的输出路数，i＝1,2,...,N；
所述X个光电探测器用于根据N路相干信号输出A个N路电信号，并传输至所述采集卡中；
所述采集卡用于构建光程差解调的方程组对所述A个N路电信号求解，得到光纤传感器的传感信号。
作为优选，所述光纤传感器可替换为光纤光栅传感器、光纤珐珀干涉传感器或光纤本身。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过将一调制后的信号入射到将被测光纤传感器，光纤传感器的反射光与光源信号相干，然后通过一个或多个多路耦合器提取出相干之后的相位，可以直接解调出被测光纤传感器的相位变化，突破了传统基于两路输出耦合器零差相干系统无法直接解调出相位的难题，还可解决传统两路输出耦合器外差相干系统需要远高于外差载频信号频率采样率的限制，有效降低对信号采样率的要求，该方法和系统适用于对动态信号的测量，解调相位结果与信号幅度无关，提高了信号的信噪比和信号解调的精度，本发明提出的方法与采用多路光混合器件(hybrid)相干系统相比，多路光hybrid器件内部光信号走了不同通路实现相移从而导致其解调稳定性不好，对低频信号解调分辨率低，而本发明提出的方法中，多路光在耦合器偶合区走的是相同通路，耦合器各路输出的相干信号稳定性好，特别是低频响应特性远优于采用hybrid器件的系统；
(2)本发明采用K个M×N耦合器中的一个即可解调出相位，耦合器输出至少三路光，得到至少三个方程，不仅能准确解调出光程差φ，还可以消除信号的幅度变化对解调信号的影响，同时通过多个耦合器解调出的多个信号平均提高了解调精度。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的系统控制示意图。
图3为本发明中光纤传感器解调系统的结构示意图。
图4为本发明中光纤传感器解调系统的具体示意图。
图5为本发明中M×N耦合器的N路输出示意图。
图6为本发明的实施例中2×6耦合器的系统示意图。
图7为本发明不同类型传感器的连接示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1与图3所示，一种光纤传感器的信号解调方法，包括如下步骤：
S1、将窄线宽光源输出的光通过第一1×K的分路器分成两路，其中一路光接入光调制器进行调制得到脉冲光，另一路光通过第一1×K的分路器分成K路光，其中，
所述窄线宽光源的线宽小于100MHz
所述脉冲光的重复频率fr的表达式如下：
其中，c表示脉冲光的光速，n表示脉冲光的折射率，L表示光纤传感器的长度；
S2、将所述脉冲光通过环形器入射至光纤传感器中，并将所述光纤传感器返回的反射光通过所述环形器输出至第二1×K的分路器中，其中，K为分路器的输出端的端口数，且K>1；
S3、如图5所示，将所述第一1×K的分路器分成的K路光与所述第二1×K的分路器输出的反射光分别传输至J个M×N耦合器的两个输入端，并通过所述J个M×N耦合器输出N路相干信号，其中，J表示M×N耦合器的个数，M表示耦合器的输入端的端口数，N表示耦合器的输出端的端口数，且M≥2,N≥3，其中，
通过M×N耦合器输出的N路相干信号其具体为：
通过M×N耦合器按相邻相位之间相差
弧度的顺序输出N路光信号，其中，M表示耦合器的输入端的端口数，N表示耦合器的输出端的端口数，且M≥2,N≥3；
所述按相邻相位之间相差
弧度的顺序输出N路光信号，其表达式如下：
...
...
VN＝A+Bcos(2π+φ)＝A+Bcosφ
其中，Vi表示M×N耦合器的第i路输出分别被探测到的实测光强信号，N表示耦合器的输出端的端口数，A表示一个与光源功率相关的常量，B表示与光强和干涉对比度相关的常量，φ表示光程差，cos(·)表示余弦值函数，xi表示光信号的输出路数，i＝1,2,...,N；
S4、将所述J个M×N耦合器输出的N路相干信号分别传输至X个光电探测器中，并通过所述X个光电探测器输出A个N路电信号，其中，A表示N路电信号的数量，且A＝J，X表示光电探测器的数量，且X＝N；
S5、通过采集卡采集所述A个N路电信号，并构建光程差解调的方程组对所述A个N路电信号求解，得到光纤传感器的传感信号；
S6、根据所述光纤传感器的传感信号通过J个M×N耦合器解调出Y个传感器信号，并将Y个传感信号进行平均处理，从而完成对光纤传感器的解调，其中，Y表示传感器信号的数量，且Y＝J。
如图2与图4所示，基于上述方法，本发明还提供了一种光纤传感器的信号解调系统，包括光源系统，以及分别与所述光源系统连接的光纤传感系统和信号调解系统：其中，
所述光源子系统包括窄线宽光源、光调制器以及环形器，所述窄线宽光源的输出端与所述光调制器的输入端连接，所述光调制器的输出端与所述环形器连接，所述窄线宽光源用于获取光信号，所述光调制器将光信号的其中一路光信号调制成脉冲光，并通过环形器传输至所述光纤传感子系统；
所述光纤传感系统包括光纤传感器，所述光纤传感器的输入端通过环形器与所述光调制器的输出端连接，所述光纤传感器通过环形器接收的所述光调制器输出的脉冲光，并将反射光通过环形器输出至信号调解系统，其中，所述光纤传感器可替换为光纤光栅传感器、光纤珐珀干涉传感器或光纤本身；
所述信号解调系统包括第一1×K分路器、第二1×K分路器、J个M×N耦合器、X个光电探测器以及采集卡，所述第一1×K分路器连接于所述窄线宽光源与所述光调制器之间，所述第二1×K分路器连接于所述光调制器与所述环形器之间，所述第一1×K分路器与第二1×K分路器分别与所述J个M×N耦合器连接，所述J个M×N耦合器还与所述X个光电探测器连接，所述X个光电探测器还与所述采集卡连接，其中，
所述第一1×K分路器用于将所述窄线宽光源获取光信号分成两路，其中一路光输出至光调制器中，另一路光分成K路输出至J个M×N耦合器中；
所述第二1×K分路器用于将所述光纤传感器的反射光输出至J个M×N耦合器中；
所述J个M×N耦合器将所述第一1×K的分路器分成的K路光与所述第二1×K的分路器输出的反射光进行两路相干处理，得到N路相干信号，并将N路相干信号传输至X个光电探测器中，以及将所述光纤传感器的传感器信号进行解调；
所述X个光电探测器根据N路相干信号输出A个N路电信号，并传输至所述采集卡中；
所述采集卡构建光程差解调的方程组对所述A个N路电信号求解，得到光纤传感器的传感信号。
本实施例中，光源系统发出的未入射至光纤传感系统的直流光可以经过移频后相干，将相干信号搬移到易于处理的低频带，如图7所示，所述光纤传感器还可以为光纤光栅传感器、光纤珐珀干涉传感器以及光纤本身，这些不同种类的传感器连接类似，都是利用它们的反射特性，通过获取光纤上某个传感器反射信号的相位变化来传感。对于光纤光栅传感器，可以通过获得相连两个传感器的反射信号相位变化之差来传感两个传感器之间的光纤的相位变化；对于光纤珐珀干涉仪，可以通过获得珐珀干涉仪两个反射面的反射信号相位变化之差来得到该干涉仪的相位变化；对于光纤本身，可以通过获得光纤相近两个点的瑞利反射信号相位变化之差来得到该两点之间光纤的相位变化来传感。
为了进一步说明，如图6所示，本实施例中，采用2×6耦合器，即M＝2,N＝6，其中，耦合器的输入端的端口数为2，耦合器的输出端的端口数为6，所述窄线宽光源输出的光一分为二，其中一路接入光调制器，经过光调制器调制为脉冲光，脉宽为t，脉冲光再经过环形器输入到光纤传感器中，光纤传感器返回的反射光通过环形器输出；窄线宽光源发出的另一路光与光纤传感器返回的光分别进入2×6耦合器的两个输入端，2×6耦合器输出6路按某种顺序相位彼此相差60度的光信号，将这6路光分别输入到6个光电探测器中，输出6路相应的电信号，采集6路电信号后建立6个方程即可求解出传感器的相位，从而可解调出光纤传感器中的传感信号。
本实施例中，由于输出脉冲光的重复频率fr取决于光纤传感器的长度L，需满足
其中，c表示脉冲光的光速，n表示脉冲光的折射率，L表示光纤传感器的长度，使得输出的脉冲光不重合，即满足一个脉冲光传输完成回到信号采集解调系统后，下一个脉冲才开始进入光纤传感器，即光纤传感器中始终只有一个脉冲光传输。
Claims (7)
1.一种光纤传感器的信号解调方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将窄线宽光源输出的光通过第一1×K的分路器分成两路，其中一路光接入光调制器进行调制得到脉冲光，另一路光通过第一1×K的分路器分成K路光；
S2、将所述脉冲光通过环形器入射至光纤传感器中，并将所述光纤传感器返回的反射光通过所述环形器输出至第二1×K的分路器中，其中，K为分路器的输出端的端口数，且K>1；
S3、将所述第一1×K的分路器分成的K路光与所述第二1×K的分路器输出的反射光分别传输至J个M×N耦合器的两个输入端，并通过所述J个M×N耦合器输出N路相干信号，其中，J表示M×N耦合器的个数，M表示耦合器的输入端的端口数，N表示耦合器的输出端的端口数，且M≥2,N≥3；
S4、将所述J个M×N耦合器输出的N路相干信号分别传输至X个光电探测器中，并通过所述X个光电探测器输出A个N路电信号，其中，A表示N路电信号的数量，且A＝J，X表示光电探测器的数量，且X＝N；
S5、通过采集卡采集所述A个N路电信号，并构建光程差解调的方程组对所述A个N路电信号求解，得到光纤传感器的传感信号；
S6、根据所述光纤传感器的传感信号通过J个M×N耦合器解调出Y个传感器信号，并将Y个传感信号进行平均处理，从而完成对光纤传感器的解调，其中，Y表示传感器信号的数量，且Y＝J。
2.根据权利要求1所述的光纤传感器的信号解调方法，其特征在于，所述步骤S1中窄线宽光源的线宽小于100MHz。
3.根据权利要求1所述的光纤传感器的信号解调方法，其特征在于，所述步骤S1中脉冲光的重复频率fr的表达式如下：
其中，c表示脉冲光的光速，n表示脉冲光的折射率，L表示光纤传感器的长度。
4.根据权利要求1所述的光纤传感器的信号解调方法，其特征在于，所述步骤S3中通过M×N耦合器输出的N路相干信号其具体为：
通过M×N耦合器按相邻相位之间相差
弧度的顺序输出N路光信号，其中，M表示耦合器的输入端的端口数，N表示耦合器的输出端的端口数，且M≥2,N≥3。
5.根据权利要求4所述的光纤传感器的信号解调方法，其特征在于，所述按相邻相位之间相差
弧度的顺序输出N路光信号，其表达式如下：
...
...
VN＝A+Bcos(2π+φ)＝A+Bcosφ
其中，Vi表示M×N耦合器的第i路输出分别被探测到的实测光强信号，N表示耦合器的输出端的端口数，A表示一个与光源功率相关的常量，B表示与光强和干涉对比度相关的常量，φ表示光程差，cos(·)表示余弦值函数，xi表示光信号的输出路数，i＝1,2,...,N。
6.一种光纤传感器的信号解调系统，其特征在于，包括光源子系统，以及分别与所述光源子系统连接的光纤传感子系统和信号解调子系统；
所述光源子系统包括窄线宽光源、光调制器以及环形器，所述窄线宽光源的输出端与所述光调制器的输入端连接，所述光调制器的输出端与所述环形器连接，所述窄线宽光源用于获取光信号，所述光调制器将光信号的其中一路光信号调制成脉冲光，并通过环形器传输至所述光纤传感子系统；
所述光纤传感子系统包括光纤传感器，所述光纤传感器的输入端通过环形器与所述光调制器的输出端连接，所述光纤传感器通过环形器接收的所述光调制器输出的脉冲光，并将反射光通过环形器输出至信号解调子系统；
所述信号解调子系统包括第一1×K分路器、第二1×K分路器、J个M×N耦合器、X个光电探测器以及采集卡，所述第一1×K分路器连接于所述窄线宽光源与所述光调制器之间，所述第二1×K分路器连接于所述光调制器与所述环形器之间，所述第一1×K分路器与第二1×K分路器分别与所述J个M×N耦合器连接，所述J个M×N耦合器还与所述X个光电探测器连接，所述X个光电探测器还与所述采集卡连接，其中，
所述第一1×K分路器用于将所述窄线宽光源获取光信号分成两路，其中一路光输出至光调制器中，另一路光分成K路输出至J个M×N耦合器中；
所述第二1×K分路器用于将所述光纤传感器的反射光输出至J个M×N耦合器中；
所述J个M×N耦合器用于将所述第一1×K的分路器分成的K路光与所述第二1×K的分路器输出的反射光进行两路相干处理，得到N路相干信号，并将N路相干信号传输至X个光电探测器中，以及将所述光纤传感器的传感器信号进行解调；
通过M×N耦合器输出的N路相干信号其具体为：
通过M×N耦合器按相邻相位之间相差
弧度的顺序输出N路光信号，其中，M表示耦合器的输入端的端口数，N表示耦合器的输出端的端口数，且M≥2,N≥3；
所述按相邻相位之间相差
弧度的顺序输出N路光信号，其表达式如下：
...
...
VN＝A+Bcos(2π+φ)＝A+Bcosφ
其中，Vi表示M×N耦合器的第i路输出分别被探测到的实测光强信号，N表示耦合器的输出端的端口数，A表示一个与光源功率相关的常量，B表示与光强和干涉对比度相关的常量，φ表示光程差，cos(·)表示余弦值函数，xi表示光信号的输出路数，i＝1,2,...,N；
所述X个光电探测器用于根据N路相干信号输出A个N路电信号，并传输至所述采集卡中；
所述采集卡用于构建光程差解调的方程组对所述A个N路电信号求解，得到光纤传感器的传感信号。
7.根据权利要求6所述的光纤传感器的信号解调系统，其特征在于，所述光纤传感器可替换为光纤光栅传感器、光纤珐珀干涉传感器或光纤本身。
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