CN110470378B - 一种正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统和方法。波长控制和同步采样模块实现激光器输出波长驱动和光电探测器数据的同步采集和传输。所述宽可调谐激光器实现纳秒量级的波长切换速度，通过波长线性扫描获取Fabry–Perot干涉式光纤声传感器的干涉光谱并计算初始腔长，进而选择三个正交波长进行快速动态腔长解调。实时腔长的直流成分用来计算正交相位偏离量，实现三波长的正交相位锁定，从而解决了现有三波长解调技术无法适应大幅度腔长变化导致的正交相位偏离问题。该发明可以解决现有光纤声传感系统的不足，采用三波长解调方式，实现高速、大动态范围、高分辨率和高稳定性解调。

Description

一种正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统和方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，首次提出正交相位保持的共光路三波长腔长解调方案，实现光纤声传感器的高速、高分辨率、高稳定性腔长解调。

背景技术

声学信号的高性能动态传感已得到广泛应用，如无损检测，光声成像和结构状态监测。干涉式光纤声传感器由于其紧凑的结构，高灵敏度，抗电磁干扰，远程监测和多路复用能力等特性，是一种有很大潜力的声传感技术，尤其在极端温度、强电磁干扰等其他无法使用传统电学声传感器的使用场景。通常基于四种基本结构：光纤Mach-Zehnder干涉仪，光纤迈克尔逊干涉仪，光纤Sagnac干涉仪和光纤Fabry–Perot干涉仪。其中Fabry–Perot干涉声传感器由于具有结构简单，体积小，稳定性高等优势得到了广泛的应用。当前使用最为广泛的光纤Fabry–Perot声传感器解调方法是强度解调方法，输出波长固定在正交点(Q点)，以确保最大的灵敏度和线性度。然而，Q点可能会因为环境温度或背景压力变化产生大的漂移，从而使检测到的信号失真。另外，强度解调法的检测动态范围很小，难以检测大声压。白光干涉腔长解调方法通常通过使用宽带光源和光谱分析仪。通过互相关算法或快速傅立叶变换，可以从频谱中解调绝对腔长。通常具有高精度和大动态范围，但系统成本高，测量速度慢，难以胜任高速动态信号的解调。而双波长或三波长正交相位解调技术因其高频响应，高灵敏度和大动态范围的特性而被广泛应用。其中三波长解调方法由于无需计算干涉光谱的直流分量，直接根据三个正交波长的强度数据就能解调出相位值，相对双波长解调方法，稳定性更高，更适合于工程应用。

然而，三波长正交相位解调方法的前提是要满足正交相位条件，当Fabry–Perot声传感器的腔长由于外界环境温度或压力变化发生大幅度腔长变化时，原有的正交相位条件将无法满足，此时继续按照原来的方式解调得到的数据将存在不可忽略的误差。在实际工程应用中，由于环境恶劣或者需要长期监测，有很大可能会出现大幅度腔长变化，这给三波长正交解调方式的有效性带来了很大的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种正交相位保持的三波长解调式声传感系统和方法。

本发明的技术方案：

一种正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统，包括波长控制和同步采样模块1、快速宽可调谐激光器2、光纤环形器3、Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4、光电探测器5和数据处理模块6；

所述的波长控制和同步采样模块1是计算机、单片机或FPGA核心板，内置控制激光波长对应的电流查找表；波长控制和同步采样模块1分别与快速宽可调谐激光器2、光电探测器5和数据处理模块6相连接，波长控制和同步采样模块1实现快速宽可调谐激光器2的波长控制和输出，并通过时钟同步，同时进行光电探测器5数据的采集、转换和传输至数据处理模块6中；

所述的光纤环形器3，分别与快速宽可调谐激光器2、Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4和光电探测器5相连接；光纤环形器3用于光信号的传输，将来自快速宽可调谐激光器2的光信号引入Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4，反射光信号再次经过光纤环形器3被光电探测器5探测；

所述的光电探测器5是具备光纤输入接口、直流耦合的高速光电探测器，将探测到的光强信号转换为模拟信号，经波长控制和同步采样模块1采集后传输给数据处理模块6进行信号处理和反馈控制；

所述的数据处理模块6可实现三个波长对应的光强信号的分离和腔长解调，并根据解调的腔长推导的正交相位偏离量判断是否触发波长控制和同步采样模块1调整三个输出波长。

所述的波长控制和同步采样模块1，根据接收的用户指令选择进行全光谱扫描模式或三波长扫描模式。

本发明还提出一种根据权利要求1所述的三波长腔长解调式光纤声传感系统的腔长解调方法，包括以下步骤：

1)波长控制和同步采样模块1控制快速宽可调谐激光器2进行线性波长扫描，通过光电探测器5同步采集强度数据，获取Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4的干涉光谱.

2)根据Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4干涉光谱计算出初始腔长L₀，并确定具有正交相位差关系的三个波长λ₁,λ₂和λ₃。

波长选择的原理为：

对于Fabry–Perot干涉式光纤声传感器，三个波长对应的光强度满足：

其中A为干涉光谱的直流分量，B为干涉光谱的对比度；为编号i的波长对应的相位角；n为Fabry–Perot腔的折射率，在此处为1；L为腔长。

为了满足正交相位关系，三个波长之间的相位差和波长间隔需要满足：

其中k为整数，根据以上条件确定符合要求的三个输出波长。

3)通过波长控制和同步采样模块1控制快速宽可调谐激光器2进行三个选定波长的连续快速切换。

4)由三波长对应的强度数据I₁,I₂和I₃计算Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4的实时腔长，公式如下：

其中为波长λ₂对应的相位角；m为整数，用以补偿相位跳变；/>为相位变化量，ΔL为对应的腔长变化量；n为Fabry–Perot腔的折射率，在此处为1；L_t为实时腔长。

5)实时腔长L_t的交流成分L_AC用以表征声信号；根据实时腔长L_t的直流成分L_DC计算三波长之间的正交相位偏离百分比ε,

6)当正交相位偏离百分比ε大于某一值X时，触发正交相位锁定步骤1)和2)，控制输出满足正交相位差关系的三个波长。并在此基础上依次执行步骤3)至步骤6)，其中X的取值范围为1％～10％.

本发明的有益效果：本发明解决了在实际工程应用和长期监测过程中，由于大幅度腔长变化导致的三波长正交解调方法误差增大的问题，提出反馈控制方案实现正交相位保持。该共光路三波长解调式光纤声传感系统结构紧凑，稳定性高，可灵活解调不同腔长的传感器，极具推广应用价值。

附图说明

图1为三波长腔长解调式光纤声传感系统示意图。

图中：1波长控制和同步采样模块；2快速宽可调谐激光器；3光纤环形器；4Fabry–Perot干涉式光纤声传感器；5光电探测器；6数据处理模块。

图2为正交相位保持的三波长解调方法流程图。

图3为应用该系统全谱扫描获得的干涉光谱。

图4为模拟的腔长大幅度变化导致的解调误差。

图5为时域上分离得到的三波长对应的强度数据。

图6为解调后的腔长变化曲线。

图7为解调信号的频谱图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式，但不应以此限制本发明的保护范围。

参见图1所示，一种正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统，包括波长控制和同步采样模块1、快速宽可调谐激光器2、光纤环形器3、Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4、光电探测器5和数据处理模块6，可以在同一个光路中实现Fabry–Perot干涉式光纤声传感器的高速腔长解调。

所述的波长控制和同步采样模块1采用FPGA实现，数据处理模块6采用计算机实现；FPGA控制板实现快速宽可调谐激光器2输出波长驱动和光电探测器5数据的同步采集和传输。FPGA实现电流源电流同步控制和输出，从而控制快速宽可调谐激光器2的输出波长。

FPGA内置控制激光波长的电流查找表，通过时钟同步，同时进行光电探测器5数据的采集、转换和传输至数据处理模块中；同步时钟设置为600kHz。

所述波长控制和同步采样模块，根据数据处理模块发出的命令选择进行全光谱扫描模式或是三波长切换模式；波长切换频率为600kHz。

所述的快速宽可调谐激光器2，选用VT-DBR激光器，输出波长由5路注入电流控制，分别为左反射器电流，右反射器电流，相位区电流，增益电流和半导体光放大器(SOA)电流。通过左反射器电流、右反射器电流和相位区电流控制输出波长，通过SOA注入电流调整输出光功率，可以实现纳秒量级的波长切换。

所述的快速宽可调谐VT-DBR激光器，其调谐波段可覆盖C波段，具体为1527nm至1567nm。

所述的光纤环形器3，用于光信号的传输，来自快速宽可调谐VT-DBR激光器的光信号经过光纤环形器3后引入Fabry–Perot传感器，反射光信号再次经过光纤环形器3被光电探测器5探测。

所述的光电探测器5是具备光纤输入接口、直流耦合的1550波段高速光电探测器，将探测到的光强信号转换为模拟信号，经波长控制和同步采样模块采集后传输给数据处理模块进行信号解调。

采用腔长为127.782μm的一个膜片式Fabry–Perot干涉传感传感器进行该解调系统解调性能的验证。图2显示了正交相位保持的三波长解调步骤流程图。首先，在全光谱扫描模式下，可以获取Fabry–Perot传感器的干涉光谱。如图3所示为没有外界声信号条件下的干涉光谱图，根据干涉光谱可以计算Fabry–Perot传感器实际初始腔长，并选择的两个用于三波长正交相位解调的工作波长，波长选择的原理为：

对于Fabry–Perot干涉式光纤声传感器，三个波长对应的光强度满足：

其中A为干涉光谱的直流分量，B为干涉光谱的对比度；为编号i的波长对应的相位角；n为Fabry–Perot腔的折射率，在此处为1；L为腔长。

为了满足正交相位关系，三个波长之间的相位差和波长间隔需要满足：

其中k为整数，在该具体实施方式中，三波长分别为1544.656nm，1547.000nm和1549.344nm。

由三波长对应的强度数据I₁,I₂和I₃计算Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4的实时腔长，公式如下：

其中为波长λ₂对应的相位角；m为整数，用以补偿相位跳变；/>为相位变化量，ΔL为对应的腔长变化量；n为Fabry–Perot腔的折射率，在此处为1；L_t为实时腔长。

图4显示了在腔长变化范围为[-10μm,10μm]时，模拟的腔长解调误差和相位解调误差。可以发现，随着腔长与初始腔长之间变化量的增大，解调误差也越来越大。为了满足长期监测过程中检测稳定性要求，该发明提出了一种正交相位保持的反馈控制方案。根据实时腔长的直流成分L_DC计算三波长之间的正交相位偏离百分比ε,当ε大于5％时，重新进行全谱扫描以选择三个满足正交相位差的输出波长。

图5为当外界施加8kHz正弦波声信号时，三个波长对应的光强度曲线；图6为解调后的腔长变化曲线。图7为解调信号经过傅里叶变换的频谱图，可见解调信号频率与施加声信号频率一致，验证了该三波长腔长解调系统的有效性。

Claims (3)

1.一种正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统，其特征在于，所述的正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统包括波长控制和同步采样模块(1)、快速宽可调谐激光器(2)、光纤环形器(3)、Fabry–Perot干涉式光纤声传感器(4)、光电探测器(5)和数据处理模块(6)；

所述的波长控制和同步采样模块(1)是计算机、单片机或FPGA核心板，内置控制激光波长对应的电流查找表；波长控制和同步采样模块(1)分别与快速宽可调谐激光器(2)、光电探测器(5)和数据处理模块(6)相连接，波长控制和同步采样模块(1)实现快速宽可调谐激光器(2)的波长控制和输出，并通过时钟同步，同时进行光电探测器(5)数据的采集、转换和传输至数据处理模块(6)中；

所述的光纤环形器(3)，分别与快速宽可调谐激光器(2)、Fabry–Perot干涉式光纤声传感器(4)和光电探测器(5)相连接；光纤环形器(3)用于光信号的传输，将来自快速宽可调谐激光器(2)的光信号引入Fabry–Perot干涉式光纤声传感器(4)，反射光信号再次经过光纤环形器(3)被光电探测器(5)探测；

所述的光电探测器(5)是具备光纤输入接口、直流耦合的高速光电探测器，将探测到的光强信号转换为模拟信号，经波长控制和同步采样模块(1)采集后传输给数据处理模块(6)进行信号处理和反馈控制；

所述的数据处理模块(6)实现三个波长对应的光强信号的分离和腔长解调，并根据解调的腔长推导的正交相位偏离量判断是否触发波长控制和同步采样模块(1)调整三个输出波长。

2.根据权利要求1所述的正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统，其特征在于，所述的波长控制和同步采样模块(1)，根据接收的用户指令选择进行全光谱扫描模式或三波长扫描模式。

3.根据权利要求1所述的正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统的腔长解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)波长控制和同步采样模块(1)控制快速宽可调谐激光器(2)进行线性波长扫描，通过光电探测器(5)同步采集强度数据，获取Fabry–Perot干涉式光纤声传感器(4)的干涉光谱；

2)根据Fabry–Perot干涉式光纤声传感器(4)干涉光谱计算出初始腔长L₀，并确定具有正交相位差关系的三个波长λ₁、λ₂和λ₃；

3)通过波长控制和同步采样模块(1)控制快速宽可调谐激光器(2)进行三个选定波长的连续快速切换；

4)由三波长对应的强度数据I₁、I₂和I₃计算Fabry–Perot干涉式光纤声传感器(4)的实时腔长，公式如下：

其中为波长λ₂对应的相位角，初始值为4nπL₀/λ₂；m为整数，用以补偿相位跳变；/>为相位变化量，可通过实时计算的/>减去其初始值获得，ΔL为对应的腔长变化量；n为Fabry–Perot腔的折射率，在此处为1；L_t为实时腔长；

5)实时腔长L_t的交流成分L_AC用以表征声信号；根据实时腔长L_t的直流成分L_DC计算三波长之间的正交相位偏离百分比ε：

6)当正交相位偏离百分比ε大于某一值X时，触发正交相位锁定步骤1)和2)，控制输出满足正交相位差关系的三个波长，并在此基础上依次执行步骤3)至步骤6)，其中X的取值范围为1％～10％。