CN111854812B - 一种基于光子灯笼光纤的传感解调系统及传感解调方法 - Google Patents
一种基于光子灯笼光纤的传感解调系统及传感解调方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种基于光子灯笼光纤的传感解调系统及传感解调方法，宽带光源将第一光信号与第二光信号分别输入第一传感单元与第二传感单元；第一传感单元接收第一光信号，根据所处的环境确定第一光信号对应的第一光传感信号，并将第一光传感信号输入至光信号处理单元；第二传感单元接收第二光信号，根据所处的环境确定第二光信号对应的第二光传感信号，并将第一光传感信号输入至光信号处理单元；光信号处理单元将第一光传感信号与第二光传感信号进行处理，并将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至转化单元；转化单元将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号转化为电流信号，并将电流信号发送至解调单元；解调单元解调电流信号。
Description
技术领域
本申请涉及光学领域，尤其涉及一种基于光子灯笼光纤的传感解调系统及传感解调方法。
背景技术
光纤传感技术起源于20世纪70年代，通过测量传输介质中光波的位移、湿度、pH值、压力、应变、温度、浓度等参数的变化来感知外界环境，从而间接测量了引起外界环境变化的相关信息。近年来，在民用领域，光纤传感系统可应用在钢筋混凝土热应力测量、建筑体健康监测、岩土力学工程监测等方面；在军事领域，光纤传感系统可应用于飞行器健康监测、沿海海防水听监测、陆路安全防卫系统等方面。光纤传感技术吸引了广泛的研究，众多工程领域开始探索高精度、低成本、高速率的传感解调技术，实现分布式、多参量、多功能、智能化的传感解调系统成为当前传感领域的研究热点。
目前，在传统光纤的传感解调系统中，静态量监测通常使用波长偏移测试法，需要使用光谱仪或波长解析器件，造价成本相对较高，且易受解调速度和动态范围限制；动态量通常使用光强度测量法，由于是直接解调虽然提升了解调速度，但易受光源噪声影响，且不能兼容静态量传感解调。以上两类解调方式在终端设备上存在明显差异，且系统传感机理不同，在解调方法上无法做到统一。面对静动态量同时检测的场景，通常需要联合两类解调终端使用，传感解调系统将变得庞大且复杂。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种基于光子灯笼光纤的传感解调系统及方法，用于解决现有光纤传感的传感解调系统中静动态量的解调方法不能一致，传感解调系统结构复杂的问题。
本申请实施例采用下述技术方案：
本申请实施例提供一种基于光子灯笼光纤的传感解调系统，所述系统包括：宽带光源、第一传感单元、第二传感单元、光信号处理单元、转化单元以及解调单元，其中，所述第一传感单元为目标传感单元，所述第二传感单元为参考传感单元，所述光信号处理单元是基于模式选择光子灯笼光纤的处理单元；
宽带光源用于产生第一光信号与第二光信号，并将所述第一光信号与所述第二光信号分别输入所述第一传感单元与所述第二传感单元；
所述第一传感单元用于接收所述第一光信号，并根据所处的环境确定所述第一光信号对应的第一光传感信号，并将所述第一光传感信号输入至所述光信号处理单元；
所述第二传感单元用于接收所述第二光信号，并根据所处的环境确定所述第二光信号对应的第二光传感信号，并将所述第一光传感信号输入至所述光信号处理单元；
所述光信号处理单元用于将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号进行处理，并将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至所述转化单元；
所述转化单元用于将所述处理后的第一光传感信号与第二光传感信号转化为电流信号，并将所述电流信号发送至解调单元；
所述解调单元用于解调所述电流信号。
需要说明的是，本申请实施例通过传感解调系统，可将绝对波长传感量转换为相对强度传感量，实现了静动态传感量解调方法的统一。同时，本申请实施例利用模式选择光子灯笼光纤中的模式循环转换机理，将波长变化转换为强度变化，再通过转化单元，可以从相对强度信号中监测出目标对象的信息，最终利用解调单元得到需要的传感量。因系统中无机械运动部件，其解调频率在理论上只受到转化单元速率的限制，大大提升了系统解调速度和探测范围。其中，传感单元用于将光信号对应的环境传感量变化转换为光传感信号的波长变化，光信号处理用于光传感信号的光强度监测，光信号包括第一光信号与第二光信号。
进一步的，所述第一传感单元包括目标光纤传感器以及与所述目标光纤传感器连接的第一环形器；所述第二传感单元包括参考光纤传感器以及与所述参考光纤传感器连接的第二环形器；
所述目标光纤传感器用于根据所处的环境与所述第一光信号，输出的第一光传感信号，并将第一光传感信号通过所述第一环形器输入至所述光信号处理单元；
所述参考光纤传感器用于根据所处的环境与所述第二光信号，输出的第二光传感信号，并将第二光传感信号通过所述第二环形器输入至所述光信号处理单元。
需要说明的是，传感单元外界环境变化将对该光纤传感器进行传感调谐。使得光信号对应的干涉光谱独立形成波长编码的光传感信号。
进一步的，所述光信号处理单元包括模式选择光子灯笼光纤、少模光纤以及少模光纤光栅；
所述第一传感单元与所述第二传感单元分别用于将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号合并输入至所述模式选择光子灯笼光纤；
所述模式选择光子灯笼光纤用于将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号耦合至所述少模光纤内，并将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号复用到所述少模光纤中不同横模上；
所述少模光纤用于将所述横模上的第一光传感信号与第二光传感信号传输至所述少模光纤光栅；
所述少模光纤光栅用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号反射回所述少模光纤的不同横模中；
所述少模光纤用于将不同横模中的光传感信号发送至所述模式选择光子灯笼光纤；
所述模式选择光子灯笼光纤用于将第一光传感信号第二光传感信号发送至所述转化单元。
需要说明的是，本说明书实施例可以利用模式选择光子灯笼光纤的模式复用功能，将输入模式选择光子灯笼光纤锥区的多个光传感信号近似无损耗的耦合进少模光纤内，并可以复用到少模光纤中不同正交横模上。复用于不同横模上的光传感信号可以独立传输进入少模光纤光栅，并被少模光纤光栅反射回少模光纤中继续传输。反射回的光传感信号再次进入模式选择光子灯笼光纤锥区，可以利用模式选择光子灯笼光纤模式解复用功能，将不同横模的光传感信号低损耗的逆耦合回相应的单模端，实现横模光谱的空间分离，即可以将处理后的光传感信号发送至对应转化单元。
进一步的，所述转化单元包括所述第一环形器、所述第二环形器以及平衡光电探测器；
所述光信号处理单元用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号分别发送至所述第一环形器与第二环形器；
所述第一环形器与所述第二环形器用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至平衡光电探测器；
所述平衡光电探测器用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号转化为电流信号。
需要说明的是，由于系统将某一传感通道作为参考光路，与承载传感信息通道进入平衡光电探测器，实现两个通道光强相减，可有效滤除光源抖动、环境温湿度变化等所引起的非感知信号的强度累积漂移和重复性误差，实现长时间的稳定传感解调，使其可兼顾用于静态传感信号检测；同时，利用参考通道去感知系统中非目标量，使其将传感系统中该干扰项与目标传感量进行解耦。
进一步的，所述解调单元包括跨阻放大器、低通滤波器、AD数据采集电路、滑动均值滤波器以及数值转换校正器；
所述跨阻放大器用于将所述电流信号转化为电压信号，并将所述电压信号输入至所述低通滤波电路；
所述低通滤波电路用于将所述电压信号的高频噪声滤除，生成低噪的电压信号，并将低噪的电压信号发送至AD数据采集电路；
所述AD数据采集电路用于将低噪的电压信号转化为数字信号，并将数字信号输入至所述滑动均值滤波器，其中，所述低噪声的电压信号为模拟信号；
所述滑动均值滤波器用于将所述数字信号进行去噪处理，并将去噪处理的数字信号输入至所述数值转换校正器；
所述数值转换校正器用于将去噪处理的数字信号转化为传感量物理值。
需要说明的是，通过上述结构可以将传感量解调出具体的传感量物理值。
进一步的，所述光纤传感器为应力传感器、折射率传感器、液位传感器以及振动传感器中的一种或多种。
进一步的，所述光纤传感器的光纤结构类型为干涉型传感器。
进一步的，所述第一传感单元与所述光信号处理单元之间设置有偏振控制器。
需要说明的是，在光纤传感系统中，准确的控制光纤中的偏振量，关系着系统的稳定性与传感信号消光比，在此处设置偏振控制器，可以很好的保证将第二光信号更好的传送到光信号处理单元。
本申请实施例还提供一种基于光子灯笼光纤的解调方法，所述方法包括：
宽带光源产生第一光信号与第二光信号，并将所述第一光信号与所述第二光信号分别输入所述第一传感单元与所述第二传感单元；
所述第一传感单元接收所述第一光信号，并根据所处的环境确定所述第一光信号对应的第一光传感信号，并将所述第一光传感信号输入至所述光信号处理单元；
所述第二传感单元接收所述第二光信号，并根据所处的环境确定所述第二光信号对应的第二光传感信号，并将所述第一光传感信号输入至所述光信号处理单元；
所述光信号处理单元将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号进行处理，并将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至所述转化单元；
所述转化单元将所述处理后的第一光传感信号与第二光传感信号转化为电流信号，并将所述电流信号发送至解调单元；
所述解调单元解调所述电流信号；
其中，所述第一传感单元为目标传感单元，所述第二传感单元为参考传感单元，所述光信号处理单元是基于模式选择光子灯笼光纤的处理单元。
进一步的，所述光信号处理单元包括模式选择光子灯笼光纤、少模光纤以及少模光纤光栅；
所述光信号处理单元将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号进行处理，并将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至所述转化单元，具体包括：
所述第一传感单元与所述第二传感单元分别将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号合并输入至所述模式选择光子灯笼光纤；
所述模式选择光子灯笼光纤将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号耦合至所述少模光纤内，并将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号复用到所述少模光纤中不同横模上；
所述少模光纤将所述横模上的第一光传感信号与第二光传感信号传输至所述少模光纤光栅；
所述少模光纤光栅将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号反射回所述少模光纤的不同横模中；
所述少模光纤将不同横模中的光传感信号发送至所述模式选择光子灯笼光纤；
所述模式选择光子灯笼光纤将第一光传感信号第二光传感信号发送至所述转化单元。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本申请实施例通过传感解调系统，可将绝对波长传感解调转换为相对强度传感解调，实现了静动态传感量解调方法的统一。同时，本申请实施例利用模式选择光子灯笼光纤中的模式循环转换机理，将波长变化转换为强度变化，再通过转化单元，可以从相对强度信号中监测出目标对象的信息，最终利用解调单元得到需要的传感量。因系统中无机械运动部件，其解调频率在理论上只受到转化单元速率的限制，大大提升了系统解调速度和探测范围。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本说明书实施例提供的一种基于光子灯笼光纤的传感解调系统的结构示意图；
图2为本说明书实施例提供的动态量光纤传感示例和静态量光纤传感示例；
图3为本说明书实施例提供的干涉型光纤传感器的传输光谱示意图；
图4为本说明书实施例提供的FM-FBG的光谱特性示意图；
图5为本说明书实施例提供的参考传感单元消除误差及PD随波长变化的相应曲线示意图；
图6为本说明书实施例提供的光信号处理单元输出信号的光谱图；
图7为本说明书实施例提供的传感解调系统的结构示意图；
图8为本说明书实施例提供的解调单元的结构示意图；
图9为本说明书实施例提供的一种基于光子灯笼光纤的解调方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本说明书实施例提供的一种基于光子灯笼光纤的传感解调系统的结构示意图，所述系统包括：宽带光源、第一传感单元、第二传感单元、光信号处理单元、转化单元以及解调单元，其中，所述第一传感单元为目标传感单元，所述第二传感单元为参考传感单元，所述光信号处理单元是基于模式选择光子灯笼光纤的处理单元。
宽带光源用于产生第一光信号与第二光信号，并将所述第一光信号与所述第二光信号分别输入所述第一传感单元与所述第二传感单元；
所述第一传感单元用于接收所述第一光信号，并根据所处的环境确定所述第一光信号对应的第一光传感信号，并将所述第一光传感信号输入至所述光信号处理单元；
所述第二传感单元用于接收所述第二光信号，并根据所处的环境确定所述第二光信号对应的第二光传感信号，并将所述第一光传感信号输入至所述光信号处理单元；
所述光信号处理单元用于将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号进行处理，并将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至所述转化单元；
所述转化单元用于将所述处理后的第一光传感信号与第二光传感信号转化为电流信号，并将所述电流信号发送至解调单元；
所述解调单元用于解调所述电流信号。
第一传感单元包括目标光纤传感器以及与所述目标光纤传感器连接的第一环形器；所述第二传感单元包括参考光纤传感器以及与所述参考光纤传感器连接的第二环形器；
所述目标光纤传感器用于根据所处的环境与所述第一光信号，输出的第一光传感信号，并将第一光传感信号通过所述第一环形器输入至所述光信号处理单元；
所述参考光纤传感器用于根据所处的环境与所述第二光信号，输出的第二光传感信号，并将第二光传感信号通过所述第二环形器输入至所述光信号处理单元。
需要说明的是，第一传感单元与第二传感单元外界环境变化将对目标光纤传感器与参考光纤传感器进行传感调谐。使得第一光信号对应的干涉光谱独立形成波长编码的第一光传感信号，第二光信号对应的干涉光谱独立形成波长编码的第二光传感信号。
参见图2，示出了动态量光纤传感示例和静态量光纤传感示例，光纤传感器可以为应力传感器、折射率传感器、液位传感器以及振动传感器中的一种或多种。其中，静态量光纤传感示例可以包括应力传感、折射率传感与液位传感，动态量光纤传感示例可以包括振动传感。本说明书实施例只是列举了上述几种光纤传感器，但不限于上述几种光纤传感器。光纤传感器的结构类型可以为干涉型光纤传感器、MZI光纤传感器或MI光纤传感器。其中，MZI为Mach-Zehnder interferometer，中文解释可以马赫增德尔干涉仪，MI为Michelsoninterferometer，中文解释可以为迈克尔逊干涉仪。
光信号处理单元包括模式选择光子灯笼光纤、少模光纤以及少模光纤光栅。
所述第一传感单元与所述第二传感单元分别用于将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号合并输入至所述模式选择光子灯笼光纤；所述模式选择光子灯笼光纤用于将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号耦合至所述少模光纤内，并将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号复用到所述少模光纤中不同横模上；所述少模光纤用于将所述横模上的第一光传感信号与第二光传感信号传输至所述少模光纤光栅；所述少模光纤光栅用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号反射回所述少模光纤的不同横模中；所述少模光纤用于将不同横模中的光传感信号发送至所述模式选择光子灯笼光纤；所述模式选择光子灯笼光纤用于将第一光传感信号第二光传感信号发送至所述转化单元。
需要说明的是，每个传感单元可以将光传感信号承载在模式选择光子灯笼光纤(MSPL，Mode Selective Photonic Lanterns)中各个单模端的基模上。即，传感单元可以将携带静态或动态传感量的多个光传感信号导入MSPL锥区，汇总为一路光传感信号输出，再将光传感信号接在MSPL多模端的少模光纤(FMF，Few Mode Fiber)中。其中，可以利用MSPL的模式复用功能，将输入MSPL锥区的多个光传感信号近似无损耗的耦合进FMF内，并可以复用到FMF中不同正交横模上。
进一步的，参见图3示出的干涉型光纤传感器的传输光谱示意图，图4示出的FM-FBG的光谱特性示意图,复用于不同横模上的光传感信号可以独立传输进入少模光纤光栅(FM-FBG，Few-Mode Fiber Bragg Grating)，并被FM-FBG反射回FMF中继续传输。其中，可以结合FM-FBG反射光谱的模式-波长选择特性，不同横模可以对应不同的波长反射点，光传感信号通过FM-FBG后，承载不同传感信息的独立横模将在不同谐振点处形成反射，该反射峰便可以叠加到相应横模干涉光谱上。当反射峰波长恰好处于类正弦光谱的
部分，且接近0处左右的线性位置时，由于干涉光谱随传感量漂移，而FM-FBG的反射波长稳定，反射峰便沿图中斜率形成相对滑动，实现了模式通道(目的光纤传感器或参考光纤传感器所处支路)上的波长漂移感知转换为光栅反射峰的上下强度变化的感知，如图5所示，参考传感单元消除误差及PD随波长变化的相应曲线示意图。反射回的光传感信号再次进入MSPL锥区，可以利用MSPL模式解复用功能，将不同横模的光传感信号低损耗的逆耦合回相应的单模端，实现横模光谱的空间分离。
参见图3，本说明书实施例可以是基于双模式光纤传感器的输出光谱。本说明书实施例可以选取DMF(Dual-Mode Fiber，双模光纤)制作干涉型光纤传感器。在一定工作波长范围内，干涉光谱的FSR(Free Spectral Range,自由谱范围)近似是一个定值，且形状为类正弦曲线。其具有稳定整齐的干涉光谱，其中，正弦
部分近似为线性，利于提升传感测量精度与传感分辨率，且可以很大程度的降低后续信号处理难度与系统复杂度。
参见图4，FM-FBG在本说明书实施例中起到模式-波长相关的全反射镜作用。为了匹配MSPL多模端输出的各传感模式，本说明书实施例与之模式相对应的FM-FBG可实现传感信号的全反射与模式-波长转换功能。FM-FBG具有特殊的光谱特性，使得其正向模式与反向模式之间发生特殊复杂的模式耦合效应，产生多数量、多强度的反射波长，使模式与反射波长相关起来，其光谱特性如图所示，存在自耦合与互耦合两种反射峰。合理设计该器件的结构参数，既要兼顾传感节点数目的增加，又需限制多模式下产生的交叉耦合效应。
需要说明的是，参见图6，示出了光信号处理单元输出信号的光谱图，第一光信号与第二光信号分别经过目标光纤传感器与参考光纤传感器，调制采集待测的静态或动态传感量，使用MSPL作为模式复用/解复用器件，结合模式-波长相关的全反射镜，利用模式循环转换后的分离光谱进行传感信息获取，实现传感方式从波长探测向差分光强度探测转变，再通过平衡光电强度探测器，最终从相对强度信号中监测出对象的信息。该光谱图可以为光纤传感器与FM-FBG反射光谱的叠加，当FM-FBG的反射峰波长恰好处于干涉型传感器的类正弦传输光谱的
的部分，且接近0处左右的线性位置时，由于干涉光谱随传感量漂移，而FM-FBG的反射波长稳定，反射峰便沿图中斜率形成相对滑动，实现了模式通道上的波长漂移感知转换为光栅反射峰的上下强度变化的感知，从而为下一步的光强度解调提供信号基础。
进一步的，转化单元包括所述第一环形器、所述第二环形器以及平衡光电探测器；
所述光信号处理单元用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号分别发送至所述第一环形器与第二环形器；
所述第一环形器与所述第二环形器用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至平衡光电探测器；
所述平衡光电探测器用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号转化为电流信号。电流信号为经过平衡光电探测器差分后的电流信号。
需要说明的是，第一传感单元的第一环形器与转化单元的第一环形器可以使用为同一个环形器。第二传感单元的第二环形器与转化单元的第二环形器可以使用为同一个环形器。参见图7示出的传感解调系统的结构示意图，在传感单元时，环形器使用的是1端口与2端口，即从1端口进2端口出；在转化单元时，环形器使用的是2端口与3端口，即从2端口进3端口出。环形器可以使用光纤环形器，光纤环形器是一种多端口非互易光学器件，光只能沿一个方向传播。信号若从端口1输入，则从端口2输出；而信号从端口2输入，则将从端口3输出，其输出损耗都很小。光从端口2输入时，从端口1输出时损耗很大，同样光从端口3输入时，从端口1，2中输出时损耗也很大。由于其隔离性高，插入损耗小。
参见图8，示出了解调单元的结构示意图，解调单元包括跨阻放大器(TIA，Trans-Impedance Amplifier)、低通滤波器、AD数据采集电路、滑动均值滤波器以及数值转换校正器。参考信号为第二光传感信号，待测量信号为第一光传感信号。
所述跨阻放大器用于将所述电流信号转化为电压信号，同时完成低噪放大，并将所述电压信号输入至所述低通滤波电路；
所述低通滤波电路用于将所述电压信号的高频噪声滤除，生成低噪的电压信号，并将低噪的电压信号发送至AD数据采集电路。具体通带频点取决于所测信号的高频主要成分的频点，一定要高于该频点，保证传感信号无严重失真。
所述AD数据采集电路用于将低噪的电压信号转化为计算机可处理数字信号，并将数字信号输入至所述滑动均值滤波器，其中，所述低噪声的电压信号为模拟信号。采样精度与速率根据具体信号特征确定，原则上取值需要保证传感信号的完整性。
所述滑动均值滤波器用于将所述数字信号进行去噪处理，并将去噪处理的数字信号输入至所述数值转换校正器。可以假设AD采集速率足够快，至少高于传感信号变化速率两个数量级。将AD采集的数据存入一个深度为N的存储队列，将N个连续采集的离散信号进行求和平均，将结果输出。同时按照AD采集的时钟节奏，存入队列下一个数据，进行依次滑动求和平均，并将结果输出，可有效降低系统随机噪声对信号的影响，N的数值越大(不能大于AD速率)，去噪效果越好。
所述数值转换校正器用于将去噪处理的数字信号转化为传感量物理值。该数值转换校正器主要有两个功能，一是消除不同波长处强度响应微差的影响。由于平衡光电探测器中不同波长处PD的强度响应存在微差，参见图5，示出了参考传感单元消除误差及PD随波长变化的相应曲线示意图，为了解决该微扰影响，需考虑两个干涉光谱通过平衡光电探测器输出的基底波动干扰，可利用传感通道(目的光纤传感器所处支路)与参考通道(参考光纤传感器所处支路)光功率之间存在的确定关系，在解调算法中引入纠偏算子来降低该影响。二是将电信号转换为传感量物理值。根据该节点的传感器传感特征，使用公式或查表等映射关系将传感电信号U转换为真实的传感物理数值P，如该传感节点可以为模式干涉型光纤温度传感器，假设该传感器波长漂移与温度成正比例关系，则所采集的光强度变化也与温度成正比例变化，P＝k*U+T0，k为比例系数，T0为传感零点处的温度。经过校正计算，便可得到传感物理数据，并将结果输出。
本说明书实施例的传感解调系统在具体传感应用场景下，可将系统中不同独立传感参量关联起来，实现去交叉干扰传感量解调。由该系统结构可知，利用MSPL，可将某一模式通道作为参考传感光路，与承载传感信息通道进入平衡光电探测器，实现两个通道光强相减，如图5所示，可有效滤除光源抖动、环境温湿度变化等所引起的非感知信号的强度累积漂移和重复性误差，实现长时间的稳定传感解调，使其可兼顾用于静动态传感信号检测；另外，利用参考通道去感知系统中非目标量，使其将传感系统中该干扰项与目标传感量进行解耦。例如对环境水体中强致癌物苯并芘的检测，将未修饰过的光纤传感前端(参考通道)置入测量环境中，便可将环境温湿度变化引起的干涉光谱漂移去除。
光信号处理单元用于将分离后光传感信号注入平衡光电探测器，便可解调出各种传感信息，其中，注入平衡光电探测器的光传感信号有两个，一种是传感光谱，另一种是参考光谱。
由于上述过程已将波长传感信息转换到了相应模式的反射波长处，形成了该波长处稳定的强度调制，便可用平衡光电探测器进行信息解调。
另外，由于系统将某一传感通道作为参考光路，与承载传感信息通道进入平衡光电探测器，实现两个通道光强相减，可有效滤除光源抖动、环境温湿度变化等所引起的非感知信号的强度累积漂移和重复性误差，实现长时间的稳定传感解调，使其可兼顾用于静态传感信号检测；同时，利用参考通道去感知系统中非目标量，使其将传感系统中该干扰项与目标传感量进行解耦。
以上便是本说明书实施例的干涉型光纤传感器的新型解调过程，主要由双模干涉型光纤传感器的传感感知功能、MSPL中模式复用/解复用功能和FM-FBG中模式-波长转换机制三方面构成。该光纤传感解调系统可解调的参量有温度、折射率、应力、振动等静动态传感信息，但不局限于以上参量，只要干涉型光纤传感器可感知的量都是本光纤传感解调系统应用范畴。
需要说明的是，为解决现有的光纤传感解调系统中静动态量解调方法不一致、系统结构复杂、传感量交叉干扰等问题，本说明书实施例提出的光纤传感解调系统，可将绝对波长传感解调转换为相对强度传感解调，统一了静动态量传感解调方法；光强度传感解调，轻量了传感系统设备复杂度，提升了系统模式使用效率，同时降低了接收端算法复杂度，使光纤传感系统在成本及设备复杂度方面均有大幅优化。
进一步的，每个所述传感单元与所述光信号处理单元之间设置有偏振控制器，参见图7，每个传感单元的环形器与MSPL之间设置有偏振控制器(PC，polarizationcontroller)。在本光纤传感解调系统中，准确的控制光纤中的偏振量，关系着系统的稳定性与传感信号消光比，在此处设置偏振控制器，可以很好的保证将第二光信号更好的传送到光信号处理单元。
参见图7示出的传感解调系统的结构示意图,本说明书实施例的传感解调实现过程为：光信号传输至光纤传感器，光纤传感器生成光传感信号，并将光传感信号射入MSPL，MSPL将光传感信号传输至FMF，FMF将光传感信号传输至FM-FBG，FM-FBG将光传感信号返回传输至FMF，FMF将光传感信号传输至MSPL，MSPL将光传感信号传输至光电平衡探测器，光电平衡探测器将光传感信号转化为电流信号。
进一步的，本说明书实施例的具体传感解调实现过程可以为：
步骤1：在本说明书实施例的光纤传感解调系统中，光从宽带光源发出，进入模式干涉型传感器，通过MSPL将多节点的传感信息模式复用入FM-FBG，实现模式-波长转换，然后再通过MSPL循环转换回各单模端口输出，最后通过光纤环形器输出，与参考光路一同输入一个光电平衡探测器，进入信号处理模块完成传感信息解调。
步骤2：由步骤1可知，通过图7所示的传感解调系统，光信号经过干涉型传感器前端微扰调制采集待测的静/动态传感量，使用MSPL作为模式复用/解复用器件，结合模式-波长相关的全反射镜，利用模式循环转换后的分离光谱进行传感信息获取，实现传感方式从波长探测向差分光强度探测转变，再通过平衡强度探测，最终从相对强度信号中监测出对象的信息。如图6所示，光信号经过干涉型传感前端微扰调制采集待测的静/动态传感量，使用MSPL作为模式复用/解复用器件，结合模式-波长相关的全反射镜，利用模式循环转换后的分离光谱进行传感信息获取，实现传感方式从波长探测向差分光强度探测转变，再通过平衡强度探测，最终从相对强度信号中监测出对象的信息。如图6所示，单节点的输出信号的光谱图为干涉型传感器与FBG反射光谱的叠加。当FM-FBG的反射峰波长恰好处于干涉型传感器的类正弦传输光谱的
中接近0处左右的线性部分时，由于干涉光谱随传感量漂移，而FM-FBG的反射波长稳定，反射峰便沿图中斜率形成相对滑动，实现了模式通道上的波长漂移感知转换为光栅反射峰的上下强度变化的感知，从而为下一步的光强度解调提供信号基础。
步骤3：信号光路与参考光路进入光电平衡探测器后，差分输出，进入信号处理模块。首先进入TIA，将BPD输出的电流信号转换为可处理的电压信号，同时完成低噪放大。接着将TIA输出的电压信号输入低通滤波电路，实现低通滤波，将高频噪声滤除，具体通带频点取决于所测信号的高频主要成分的频点，一定要高于该频点，保证传感信号无严重失真。再将低噪信号接入AD数据采集电路，将模拟电压信号转换为计算机可处理的数字信号，采样精度与速率根据具体信号特征确定，原则上取值需要保证传感信号的完整性。然后将数字信号输入滑动均值滤波器，假设AD采集速率足够快，至少高于传感信号变化速率两个数量级。将AD采集的数据存入一个深度为N的存储队列，将N个连续采集的离散信号进行求和平均，将结果输出。同时按照AD采集的时钟节奏，存入队列下一个数据，进行依次滑动求和平均，并将结果输出，可有效降低系统随机噪声对信号的影响，N的数值越大(不能大于AD速率)，去噪效果越好。最后将处理后的信号数据输入数值转换校正器。该校正器主要有两个功能，一是消除不同波长处强度响应微差的影响。由于平衡光电探测器中不同波长处PD的强度响应存在微差，如图5中PD强度响应曲线所示，为了解决该微扰影响，需考虑两个干涉光谱通过平衡探测器输出的基底波动干扰，可利用传感通道与参考通道光功率之间存在的确定关系，在解调算法中引入纠偏算子来降低该影响。二是将电信号转换为传感量物理值。根据该节点的传感器传感特征，使用公式或查表等映射关系将传感电信号U转换为真实的传感物理数值P，如该传感节点可以为模式干涉型光纤温度传感器，假设该传感器波长漂移与温度成正比例关系，则所采集的光强度变化也与温度成正比例变化，P＝k*U+T0，k为比例系数，T0为传感零点处的温度。经过校正计算，便可得到传感物理数据，并将结果输出。
步骤4：同时，本说明书实施例的解调方法在具体传感应用场景下，可将系统中不同独立传感参量关联起来，实现去交叉干扰传感量解调。由该系统结构可知，利用MSPL，可将某一模式通道作为参考传感光路，与承载传感信息通道进入平衡光电探测器，实现两个通道光强相减，如图5所示。可有效滤除光源抖动、环境温湿度变化等所引起的非感知信号的强度累积漂移和重复性误差，实现长时间的稳定传感解调，使其可兼顾用于静态传感信号检测；另外，利用参考通道去感知系统中非目标量，使其将传感系统中该干扰项与目标传感量进行解耦。例如对环境水体中强致癌物苯并芘的检测，将未修饰过的光纤传感前端(参考通道)置入测量环境中，便可将环境温湿度变化引起的干涉光谱漂移去除。
图9为本说明书实施例提供的一种基于光子灯笼光纤的传感解调方法的流程示意图，所述方法包括：
步骤S101，宽带光源产生第一光信号与第二光信号，并将所述第一光信号与所述第二光信号分别输入所述第一传感单元与所述第二传感单元；
步骤S102，第一传感单元接收所述第一光信号，并根据所处的环境确定所述第一光信号对应的第一光传感信号，并将所述第一光传感信号输入至所述光信号处理单元；
步骤S103，第二传感单元接收所述第二光信号，并根据所处的环境确定所述第二光信号对应的第二光传感信号，并将所述第一光传感信号输入至所述光信号处理单元；
步骤S104，光信号处理单元将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号进行处理，并将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至所述转化单元；
步骤S105，转化单元将所述处理后的第一光传感信号与第二光传感信号转化为电流信号，并将所述电流信号发送至解调单元；
步骤S106，解调单元解调所述电流信号。
其中，所述第一传感单元为目标传感单元，所述第二传感单元为参考传感单元。
进一步的，所述光信号处理单元包括模式选择光子灯笼光纤、少模光纤以及少模光纤光栅；
所述光信号处理单元将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号进行处理，并将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至所述转化单元，具体包括：
所述第一传感单元与所述第二传感单元分别将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号合并输入至所述模式选择光子灯笼光纤；
所述模式选择光子灯笼光纤将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号耦合至所述少模光纤内，并将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号复用到所述少模光纤中不同横模上；
所述少模光纤将所述横模上的第一光传感信号与第二光传感信号传输至所述少模光纤光栅；
所述少模光纤光栅将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号反射回所述少模光纤的不同横模中；
所述少模光纤将不同横模中的光传感信号发送至所述模式选择光子灯笼光纤；
所述模式选择光子灯笼光纤将第一光传感信号第二光传感信号发送至所述转化单元。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光子灯笼光纤的传感解调系统，其特征在于，所述系统包括：宽带光源、第一传感单元、第二传感单元、光信号处理单元、转化单元以及解调单元，其中，所述第一传感单元为目标传感单元，所述第二传感单元为参考传感单元，所述光信号处理单元是基于模式选择光子灯笼光纤的处理单元；
宽带光源用于产生第一光信号与第二光信号，并将所述第一光信号与所述第二光信号分别输入所述第一传感单元与所述第二传感单元；
所述第一传感单元用于接收所述第一光信号，根据所处的环境确定所述第一光信号对应的第一光传感信号，并将所述第一光传感信号输入至所述光信号处理单元，所述第一光传感信号携带动态传感量或静态传感量，所述第一光传感信号通过所述第一光信号对应的干涉光谱独立形成，第一传感单元为干涉型传感器；
所述第二传感单元用于接收所述第二光信号，根据所处的环境确定所述第二光信号对应的第二光传感信号，并将所述第二光传感信号输入至所述光信号处理单元，所述第二光传感信号携带动态传感量或静态传感量，所述第二光传感信号通过所述第二光信号对应的干涉光谱独立形成，第二传感单元为干涉型传感器；
所述光信号处理单元用于将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号进行处理，并将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至所述转化单元；
所述光信号处理单元包括模式选择光子灯笼光纤、少模光纤以及少模光纤光栅；
所述第一传感单元与所述第二传感单元分别用于将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号合并输入至所述模式选择光子灯笼光纤；
所述模式选择光子灯笼光纤用于将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号耦合至所述少模光纤内，并将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号复用到所述少模光纤中不同横模上；
所述少模光纤用于将所述横模上的第一光传感信号与第二光传感信号传输至所述少模光纤光栅；
所述少模光纤光栅用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号反射回所述少模光纤的不同横模中；
所述少模光纤用于将不同横模中的光传感信号发送至所述模式选择光子灯笼光纤，以将第一光传感信号与第二光传感信号的波长变化转换为强度变化，实现静态传感量或动态传感量解调；
所述模式选择光子灯笼光纤用于将第一光传感信号第二光传感信号发送至所述转化单元；
所述转化单元用于将所述处理后的第一光传感信号与第二光传感信号转化为电流信号，并将所述电流信号发送至解调单元；
所述解调单元用于解调所述电流信号。
2.根据权利要求1所述的基于光子灯笼光纤的传感解调系统，其特征在于，所述第一传感单元包括目标光纤传感器以及与所述目标光纤传感器连接的第一环形器；所述第二传感单元包括参考光纤传感器以及与所述参考光纤传感器连接的第二环形器；
所述目标光纤传感器用于根据所处的环境与所述第一光信号，输出的第一光传感信号，并将第一光传感信号通过所述第一环形器输入至所述光信号处理单元；
所述参考光纤传感器用于根据所处的环境与所述第二光信号，输出的第二光传感信号，并将第二光传感信号通过所述第二环形器输入至所述光信号处理单元。
3.根据权利要求2所述的基于光子灯笼光纤的传感解调系统，其特征在于，所述转化单元包括所述第一环形器、所述第二环形器以及平衡光电探测器；
所述光信号处理单元用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号分别发送至所述第一环形器与第二环形器；
所述第一环形器与所述第二环形器用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至平衡光电探测器；
所述平衡光电探测器用于将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号转化为电流信号。
4.根据权利要求1所述的基于光子灯笼光纤的传感解调系统，其特征在于，所述解调单元包括跨阻放大器、低通滤波器、AD数据采集电路、滑动均值滤波器以及数值转换校正器；
所述跨阻放大器用于将所述电流信号转化为电压信号，并将所述电压信号输入至低通滤波电路；
所述低通滤波电路用于将所述电压信号的高频噪声滤除，生成低噪的电压信号，并将低噪的电压信号发送至AD数据采集电路；
所述AD数据采集电路用于将低噪的电压信号转化为数字信号，并将数字信号输入至所述滑动均值滤波器，其中，所述低噪的电压信号为模拟信号；
所述滑动均值滤波器用于将所述数字信号进行去噪处理，并将去噪处理的数字信号输入至所述数值转换校正器；
所述数值转换校正器用于将去噪处理的数字信号转化为传感量物理值。
5.根据权利要求2所述的基于光子灯笼光纤的传感解调系统，其特征在于，所述光纤传感器为应力传感器、折射率传感器、液位传感器以及振动传感器中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的基于光子灯笼光纤的传感解调系统，其特征在于，所述第一传感单元与所述光信号处理单元之间设置有偏振控制器。
7.一种基于光子灯笼光纤的解调方法，其特征在于，所述方法包括：
宽带光源产生第一光信号与第二光信号，并将所述第一光信号与所述第二光信号分别输入第一传感单元与第二传感单元；
所述第一传感单元接收所述第一光信号，根据所处的环境确定所述第一光信号对应的第一光传感信号，并将所述第一光传感信号输入至所述光信号处理单元，所述第一光传感信号携带动态传感量或静态传感量，所述第一光传感信号通过所述第一光信号对应的干涉光谱独立形成，第一传感单元为干涉型传感器；
所述第二传感单元接收所述第二光信号，根据所处的环境确定所述第二光信号对应的第二光传感信号，并将所述第二光传感信号输入至所述光信号处理单元，所述第二光传感信号携带动态传感量或静态传感量，所述第二光传感信号通过所述第二光信号对应的干涉光谱独立形成，第二传感单元为干涉型传感器；
所述光信号处理单元将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号进行处理，并将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至转化单元；
所述光信号处理单元包括模式选择光子灯笼光纤、少模光纤以及少模光纤光栅；
所述光信号处理单元将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号进行处理，并将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号发送至所述转化单元，具体包括：
所述第一传感单元与所述第二传感单元分别将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号合并输入至所述模式选择光子灯笼光纤；
所述模式选择光子灯笼光纤将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号耦合至所述少模光纤内，并将所述第一光传感信号与所述第二光传感信号复用到所述少模光纤中不同横模上；
所述少模光纤将所述横模上的第一光传感信号与第二光传感信号传输至所述少模光纤光栅；
所述少模光纤光栅将处理后的第一光传感信号与第二光传感信号反射回所述少模光纤的不同横模中；
所述少模光纤将不同横模中的光传感信号发送至所述模式选择光子灯笼光纤；
所述模式选择光子灯笼光纤将第一光传感信号第二光传感信号发送至所述转化单元；
所述转化单元将所述处理后的第一光传感信号与第二光传感信号转化为电流信号，并将所述电流信号发送至解调单元；
所述解调单元解调所述电流信号；
其中，所述第一传感单元为目标传感单元，所述第二传感单元为参考传感单元，所述光信号处理单元是基于模式选择光子灯笼光纤的处理单元。
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