CN110617875B - 一种波长移相式光纤声传感阵列解调系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波长移相式光纤声传感阵列解调系统和方法，将相移干涉技术用于光纤声传感器解调。其中，相移由波长快速切换产生。利用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干涉式光纤声传感器阵列中每个传感器的干涉光谱并计算对应的初始腔长。根据平均腔长确定能产生正交相移的五个波长进行波长切换。由波长切换给每个传感通道引入的相移步长可以精确计算，进而通过五步相移算法计算实时腔长变化。解调腔长的交流量用于表征声信号，直流量用于实时校准每个通道的相移步长。该发明可以解决现存干涉式光纤声传感阵列解调难题，采用波长移相方式，实现大规模声传感器的高速、大动态范围和高稳定性解调。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，首次提出并构建波长移相式光纤声传感阵列解调系统，解决干涉型光纤声传感器的复用难题。
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。干涉型光纤声传感器由于其紧凑的结构，高灵敏度，抗电磁干扰和远程监测等特性，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(FP)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，强度解调法的检测动态范围很小，难以检测大声压；另外，Q点可能会因为环境温度或背景压力变化产生大的漂移，每个传感器的Q点变化很难完全一致，因此，固定正交工作点的强度解调方法无法用来同时解调多个声传感器。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，可以通过空分复用的方式从多个传感器的干涉光谱中解调各自的腔长变化。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。而常规的双波长或三波长正交相位解调技术也是单点解调技术，无法实现光纤声传感器的大规模复用。
相移干涉术(Phase-shifting interferometry,PSI)是一种成熟的高精度，快速和定量的相位检索技术，广泛用于表面轮廓测试，3D形状测量和活细胞成像。通常需要3到8个相移帧进行精确的数字相位解调。相移通常通过压电换能器(PZT)实现。但是，由于PZT的非线性和温度漂移影响，PZT移相易引起相移误差。另外，机械移相的方式导致移相频率有限。天津大学江俊峰等人在非专利文献1("Optical fiber Fabry–Perot interferometerbased on phase-shifting technique and birefringence crystals."，Opticsexpress，2018，26(17):21606-21614.)提出了一种基于相移技术和双折射晶体的FP声传感器的新型相位解调方法。使用具有不同厚度的四个双折射晶体来获得正交相移信号。可以通过四步相移算法(Phase-shifting algorithm，PSA)成功监控21kHz和40kHz的正弦声信号。另一个方案是波长移相干涉(WSI)，它通过光源的波长变化产生相移。对于固定的波长偏移和已知初始腔长的FP传感器，可以基于双光束干涉的理论模型准确地计算相应的相移值。对于另一个不同腔长的FP传感器，也可以计算其对应的相移值，从而使同时解调多个FP传感器成为可能。需要说明的是，该解调方案中，无需多个FP传感器的腔长完全不同或完全一致，从而极大降低了制造难度并降低了生产成本，这对于批量生产和工业应用是有明显优势的。迄今为止，波长移相干涉技术主要应用于表面轮廓和厚度测量，以及相对低频的定量相位成像，如非专利参考文献2(“Wavelength-tuning point diffractioninterferometer resisting inconsistent light intensity and environmentalvibration:application to high-precision measurement of a large-aperturespherical surface”,Applied optics,2019,58(5):1253-1260.)和非专利参考文献3(“Low-coherence wavelength shifting interferometry for high-speedquantitative phase imaging”,Optics letters,2016,41(15):3431-3434.)。高速切换，高稳定性的波长可调激光器的发展使波长移相干涉技术成为多路复用光纤声传感器的潜在方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种波长移相式光纤声传感阵列解调系统和方法。
本发明的技术方案：
一种波长移相式光纤声传感阵列解调系统，包括波长控制和同步采样模块1、快速宽可调谐激光器2、1*N光纤耦合器3、光纤环形器4、干涉式光纤声传感器阵列5、多通道光电探测器6和数据处理模块7；
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、多通道光电探测器6和数据处理模块7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，同时进行多通道光电探测器6数据的采集、转换和传输至数据处理模块7中；
所述的光纤环形器4，分别与1*N光纤耦合器3、干涉式光纤声传感器阵列5和多通道光电探测器6相连接；光纤环形器4用于光信号的传输，将来自快速宽可调谐激光器2的光信号通过1*N光纤耦合器3引入干涉式光纤声传感器阵列5中的传感器，反射光信号再次经过光纤环形器4被多通道光电探测器6探测；
所述的多通道光电探测器6是具备光纤输入接口、直流耦合的多通道高速光电探测器，将探测到的每个通道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7进行信号处理和反馈控制；
所述的数据处理模块7实现多个移相波长对应的光强信号的分离和腔长解调，并根据解调的腔长实时校准每个传感通道对应的相移步长。
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波长移相模式。
一种波长移相式光纤声传感阵列解调方法，具体为采用一种波长移相式光纤声传感阵列解调系统的自校准五步相移算法，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，通过多通道光电探测器6同步采集各个通道对应的强度数据，获取干涉式光纤声传感器阵列5的每一个传感器的干涉光谱；
2)根据干涉式光纤声传感器阵列5中每个传感器的干涉光谱计算出各自的初始腔长L0m，m代表传感器序号；并基于传感器阵列的平均腔长Lavg确定具有正交相位差关系的五个波长λ1,λ2,λ3,λ4,λ5，以产生五步相移信号用于计算实时相位；
波长选择的方式为：
对于FP干涉式光纤声传感器，五个波长对应的光强表达为：
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；
是初相位，为常数；n为FP腔的折射率，在此处为1；L为腔长；为了满足正交相位关系，五个波长之间的相位差满足：
对应的相邻波长间隔换算为：
将λ3设置为固定波长，其余四个波长通过波长间隔Δλ计算出来；对于传感器阵列来说，要产生其平均腔长的等效正交相移，相邻波长间隔Δλ的表达式为：
由于波长漂移给第m个传感器引入的真实相移步长θm计算为：
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进行五个选定波长的连续快速切换；对于第m个传感器，5个波长对应的强度表示为：
其中，A为干涉光谱的直流分量，B为干涉光谱的对比度；
为波长λ3对应的相位角；
为初相位，为常数；
4)计算FP干涉式光纤声传感器阵列5中每一个传感器的实时腔长，公式如下：
其中，Φ为包含初始相位
的相位角；
和ΔΦ为相位变化量，ΔL为对应的腔长变化量；n为FP腔的折射率，在此处为1；Lt为实时腔长；
5)实时腔长Lt的交流成分LAC用以表征声信号；根据实时腔长Lt的直流成分LDC实时校准θm：
本发明的有益效果：本发明解决了大规模干涉式光纤声传感器的复用难题，提出并实现波长移相式光纤声传感阵列解调系统。该系统结构紧凑，稳定性高，可灵活解调不同腔长的声传感器，极具推广应用价值。
附图说明
图1为波长移相式光纤声传感阵列解调系统示意图。
图2为自校准五步相移解调算法流程图。
图3为应用该系统全谱扫描获得的四个通道传感器的干涉光谱。
图4为通道1的传感器五个工作波长对应的原始强度数据。
图5为通道1的传感器解调后的腔长变化曲线。
图6通道1的传感器解调信号的频谱图。
图中：1波长控制和同步采样模块；2快速宽可调谐激光器；31*N光纤耦合器；4光纤环形器；5干涉式光纤声传感器阵列；6多通道光电探测器；7数据处理模块。
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，构建了一种波长移相式光纤声传感阵列解调系统，此处包含四个传感通道作为示例。包括波长控制和同步采样模块1、快速宽可调谐激光器2、1*N光纤耦合器3、光纤环形器/4、干涉式光纤声传感器5、多通道光电探测器6和数据处理模块7，可以同时实现干涉式光纤声传感器阵列的高速腔长解调。
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7采用计算机实现；FPGA控制板实现快速宽可调谐激光器2输出波长驱动和多通道光电探测器6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，同时进行多通道光电探测器6数据的采集、转换和传输至数据处理模块7中；同步时钟设置为500kHz。
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五波长切换模式；波长切换频率为500kHz。
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4，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4后引入光纤声传感器，反射光信号再次经过光纤环形器4被多通道光电探测器6探测。
所述的多通道光电探测器6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7进行信号解调。
采用腔长为152.845μm,147.205μm,126.481μm和136.766μm的四个膜片式FP干涉声传感器进行该解调系统解调性能的验证。图2显示了自校准五步相移解调步骤流程图。首先，在全光谱扫描模式下，可以获取传感器的干涉光谱。如图3所示为没有外界声信号条件下的四个传感器的干涉光谱图，根据干涉光谱可以计算传感器实际初始腔长，基于平均腔长选择五个正交相位关系的工作波长，分别为1551.256nm,1549.128nm,1547.000nm,1544.872nm和1542.744nm。每个传感通道对应的实际相移步长为97.7°,94.1°,80.8°,和87.4°。根据五步相移算法可以解调每个通道传感器的实时腔长变化，其中交流腔长LAC体现了声信号，直流腔长LDC用于实时校准每个通道的相位步长θm。
以通道1的解调结果为例，显示该解调系统的解调效果。图4为当外界施加4kHz正弦波声信号时，传感通道1的五个波长对应的原始强度数据；图5为解调后的腔长变化曲线。图6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，验证了该波长移相式光纤声传感阵列解调系统的有效性。
Claims (2)
1.一种波长移相式光纤声传感阵列解调方法，其特征在于，采用一种波长移相式光纤声传感阵列解调系统的自校准五步相移算法，其中，该波长移相式光纤声传感阵列解调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)、1*N光纤耦合器(3)、光纤环形器(4)、干涉式光纤声传感器阵列(5)、多通道光电探测器(6)和数据处理模块(7)；
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)、多通道光电探测器(6)和数据处理模块(7)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，同时进行多通道光电探测器(6)数据的采集、转换和传输至数据处理模块(7)中；
所述的光纤环形器(4)，分别与1*N光纤耦合器(3)、干涉式光纤声传感器阵列(5)和多通道光电探测器(6)相连接；光纤环形器(4)用于光信号的传输，将来自快速宽可调谐激光器(2)的光信号通过1*N光纤耦合器(3)引入干涉式光纤声传感器阵列(5)中的传感器，反射光信号再次经过光纤环形器(4)被多通道光电探测器(6)探测；
所述的多通道光电探测器(6)是具备光纤输入接口、直流耦合的多通道高速光电探测器，将探测到的每个通道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(7)进行信号处理和反馈控制；所述的数据处理模块(7)实现多个移相波长对应的光强信号的分离和腔长解调，并根据解调的腔长实时校准每个传感通道对应的相移步长；
所述的自校准五步相移算法包括以下步骤：
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，通过多通道光电探测器(6)同步采集各个通道对应的强度数据，获取干涉式光纤声传感器阵列(5)的每一个传感器的干涉光谱；
2)根据干涉式光纤声传感器阵列(5)中每个传感器的干涉光谱计算出各自的初始腔长L0m，m代表传感器序号；并基于传感器阵列的平均腔长Lavg确定具有正交相位差关系的五个波长λ1,λ2,λ3,λ4,λ5，以产生五步相移信号用于计算实时相位；
波长选择的方式为：
对于FP干涉式光纤声传感器，五个波长对应的光强表达为：
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；
是初相位，为常数；n为FP腔的折射率，在此处为1；L为腔长；为了满足正交相位关系，五个波长之间的相位差满足：
对应的相邻波长间隔换算为：
将λ3设置为固定波长，其余四个波长通过波长间隔Δλ计算出来；对于传感器阵列来说，要产生其平均腔长的等效正交相移，相邻波长间隔Δλ的表达式为：
由于波长漂移给第m个传感器引入的真实相移步长θm计算为：
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)进行五个选定波长的连续快速切换；对于第m个传感器，5个波长对应的强度表示为：
其中，A为干涉光谱的直流分量，B为干涉光谱的对比度；
为波长λ3对应的相位角；
为初相位，为常数；
4)计算干涉式光纤声传感器阵列(5)中每一个传感器的实时腔长，公式如下：
其中，Φ为包含初始相位
的相位角；
和ΔΦ为相位变化量，ΔL为对应的腔长变化量；n为FP腔的折射率，在此处为1；Lt为实时腔长；
5)实时腔长Lt的交流成分LAC用以表征声信号；根据实时腔长Lt的直流成分LDC实时校准θm：
2.根据权利要求1所述的一种波长移相式光纤声传感阵列解调方法，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五波长扫描模式。
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