CN113203468B - 一种光学干涉相位解调方法和声波测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学干涉相位解调方法和声波测量系统，属于声波测量领域，所述方法包括：S1：采集第一干涉信号V1、第二干涉信号V2、第一对比度B1和第二对比度B2；S2：对V1和V2做直线拟合获得所述直线的斜率k和截距b；S3：利用k、b、V1、V2、B1、B2计算得到归一化信号Vn；S4：对Vn采用三角变换构建第一正交信号Vx和第二正交信号Vy；S5：对Vx和Vy采用微分交叉相乘算法进行处理计算待测相位信号Vm。本发明对两路正交信号采用微分交叉相乘算法实现相位解调，无论是小信号或者大信号，直线拟合算法和三角变换都不受影响，且无需采用光谱采集设备或者引入调制信号。由此提升解调算法动态范围，还能适合于低频信号的相位解调。

Description

一种光学干涉相位解调方法和声波测量系统
技术领域
本发明属于声波探测领域，更具体地，涉及一种光学干涉相位解调方法和声波测量系统。
背景技术
声波探测技术广泛的被应用于气体泄漏监测、潜艇探测、气体浓度监测等领域，待测声波信号频段覆盖次声波、可听声、超声波，声压大小从微帕量级到数百帕量级，具有动态范围大、探测频段宽的特点。基于光纤声波传感器的声波测量系统因为其体积小、重量轻、抗电磁干扰和精度高等特点而受到广泛的研究，常见的光纤声波传感器为迈克尔逊干涉型传感器和法布里珀罗干涉型传感器，通过特定的换能元件，如声光换能薄膜和弹性柱体，将声波信号转化为干涉型传感器的相位变化，结合相位解调算法，将相位变化解调出来，结合传感器的灵敏度，得到声波信号。
常用的相位解调算法有正交工作点解调算法、正交双波长解调算法、光谱解调算法和相位生成载波解调算法。
对于正交工作点解调算法，通过将调节波长使得初始相位位于干涉仪的正交工作点，同时将干涉谱的余弦函数部分近似为线性函数，从而将相位变化转换为光强变化，该算法简单容易实现，能够实现宽频带信号的相位解调，但是其解调结果容易受到初始相位的影响，当初始相位由于环境扰动等影响偏离干涉仪的正交工作点时，相位解调结果可能出现严重失真，需要采用一定的反馈控制电路稳定其初始相位，此外，由于对干涉谱采用了线性近似，相位变化受限于线性近似的线性区，使得该算法的动态范围有限，不适合于大信号的相位解调。
对于正交双波长解调算法，通过波长获得两路正交信号，采用椭圆拟合算法去除两路正交信号的直流分量和微分交叉相乘算法获取相位变化，该算法不受干涉仪的初始相位以及光源功率和波长抖动的影响，系统简单，稳定性好，能够实现宽频带信号的相位解调，但是由于采用了椭圆拟合算法，当相位变化为小信号时，椭圆退化为直线，椭圆拟合算法误差较大甚至失效，因此该算法不适合于小信号的相位解调。
对于光谱解调算法，通过对干涉仪的干涉光谱进行运算，获得干涉仪的相位，该算法精度高，动态范围大，但受限于现有光谱采集设备的采样率，该算法仅适用于低频信号的相位解调。
对于相位生成载波解调算法，通过对干涉仪进行相位载波调制，将待测相位信号调制到载波信号上，对调制信号运算获得相位信号，该算法精度高，动态范围大，但对采样频率有极高的要求，该算法系统复杂，仅适合于低频信号的相位解调。
也即，现有声波测量方法存在带宽有限、动态范围有限和稳定性差等问题，无法同时实现高动态范围、宽频带信号的相位解调。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光学干涉相位解调方法和声波测量系统，其目的在于，对两路正交信号采用微分交叉相乘算法实现相位解调，无论是小信号或者大信号，直线拟合算法和三角变换都不受影响，且无需采用光谱采集设备或者引入调制信号。由此不仅解决了正交工作点解调算法和正交双波长解调算法动态范围有限的技术问题，还能够解决光谱解调算法和相位生成载波算法仅适合于低频信号的相位解调的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光学干涉相位解调方法，包括：
S1：采集调制光信号和对比度信号，所述调制光信号包括第一干涉仪的第一干涉信号V1和第二干涉仪的第二干涉信号V2，所述对比度信号包括所述第一干涉仪的第一对比度B1和所述第二干涉仪的第二对比度B2；所述第一干涉仪和所述第二干涉仪的相位差为π的奇数倍；
S2：对所述第一干涉信号V1和所述第二干涉信号V2做直线拟合，获得所述直线的斜率k和截距b；
S3：通过所述斜率k、所述截距b、所述第一干涉信号V1、所述第二干涉信号V2、所述第一干涉对比度B1、所述第二干涉对比度B2，计算得到归一化信号Vn；
S4：对所述归一化信号Vn采用三角变换构建第一正交信号Vx和第二正交信号Vy；
S5：对所述第一正交信号Vx和所述第二正交信号Vy采用微分交叉相乘算法进行处理计算待测相位信号Vm。
在其中一个实施例中，其特征在于，
所述第一干涉仪产生的所述第一干涉信号V1表示为：V1＝k1(1+B1 cos(Vm))；
所述第二干涉仪产生的所述第二干涉信号V2表示为：V2＝k2(1+B2cos(Vm+(2m+1)π))；
其中，m为整数，k1和k2为常数。
在其中一个实施例中，所述S2包括：
利用公式
Figure BDA0003017538820000031
对所述第一干涉信号V1和所述第二干涉信号V2采用最小二乘法做直线拟合，得到计算所述直线的所述斜率k和所述斜率b。
在其中一个实施例中，所述S3包括：
利用
Figure BDA0003017538820000032
通过所述斜率k、所述截距b、所述第一干涉信号V1、所述第二干涉信号V2、所述第一干涉对比度B1、所述第二干涉对比度B2计算所述归一化信号Vn。
在其中一个实施例中，所述S4具体为：
利用公式
Figure BDA0003017538820000041
对所述归一化信号Vn采用三角变换，构建所述第一正交信号Vx和所述第二正交信号Vy。
在其中一个实施例中，所述S5包括：
基于所述第一正交信号Vx和所述第二正交信号Vy采用微分交叉相乘算法Vm＝2∫(Vx'Vy-VxVy')dt计算所述待测相位信号Vm。
按照本发明的另一方面，提供了一种声波测量系统，包括：
光源单元，用于产生并输出原始光信号；
光传输单元，与所述光源单元连接，用于传输所述原始光信号，并传输调制光信号；
传感单元，与所述光传输单元连接，用于将待测声波信号调制到原始光信号的相位上产生调制光信号；
探测解调单元，与所述光传输单元连接，用于执行权利要求1-6任一项所述光学干涉相位解调方法。
在其中一个实施例中，所述传感单元和所述光传输单元构成第一干涉仪和第二干涉仪；
所述第一干涉仪，产生第一干涉信号；所述第二干涉仪，产生第二干涉信号；
所述第一干涉仪和所述第二干涉仪的相位差为π的奇数倍。
在其中一个实施例中，所述第一干涉仪和所述第二干涉仪的相位差通过所述第一干涉仪的第一波长和所述第二干涉仪的第二波长的差值产生；或，
通过所述第一干涉仪的第一折射率和所述第二干涉仪的第二折射率的差值产生；或，
通过所述第一干涉仪的第一干涉长度和所述第二干涉仪的第二干涉长度的差值产生；或，
通过通过所述第一干涉仪的第一初始相位和所述第二干涉仪的第二初始相位的差值产生。
在其中一个实施例中，所述第一干涉仪与所述第二干涉仪为迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪或法布里珀罗干涉仪。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本申请能够取得下列有益效果：
(1)通过构建两个相位差为π的奇数倍的干涉仪，对两个干涉仪的两路干涉信号，采用直线拟合算法和三角变换，获得两路正交信号，进一步的，对两路正交信号采用微分交叉相乘算法实现相位解调，无论是小信号或者大信号，直线拟合算法和三角变换都不受影响，且无需采用光谱采集设备或者引入调制信号。由此不仅解决了正交工作点解调算法和正交双波长解调算法动态范围有限的技术问题，还能够解决光谱解调算法和相位生成载波算法仅适合于低频信号的相位解调的技术问题。
(2)相比于正交工作点解调算法，由于不受初始相位的影响以及没有余弦函数的线性近似，导致能够实现大信号的相位解调，且无需反馈控制电路，最终实现系统简单、高动态范围的光学干涉相位解调算法；相比于正交双波长解调，由于没有使用椭圆拟合算法，导致能够实现小信号的相位解调，最终实现高动态范围的光学干涉相位解调算法；相比于光谱解调算法，由于没有采用光谱采集模块获取光谱，导致探测频带不受光谱采集模块的采样率的限制，最终实现宽频带的光学干涉相位解调算法；相比于相位生成载波算法，由于没有引入调制信号，导致系统更简单，探测频带更宽，最终实现宽频带的光学干涉相位解调算法。
附图说明
图1是本发明一实施例中声波测量系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例中基于波长差的声波测量系统结构示意图；
图3是本发明一实施例中基于折射率差的声波测量系统结构示意图；
图4是本发明一实施例中基于干涉长度差的声波测量系统结构示意图；
图5是本发明一实施例中基于初始相位差的声波测量系统结构示意图；
图6是本发明一实施例中光学干涉相位解调算法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种声波测量系统，如图1所示，包括：光源单元1，用于产生并输出原始光信号；传感单元3，用于将待测声波信号调制到原始光信号的相位上产生调制光信号；探测解调单元4，用于接收调制光信号并通过调制光信号获取原始光信号的相位变化，并根据相位灵敏度获取待测声波信号；光传输单元2，用于将原始光信号传输到传感单元，并将传感单元产生的调制光信号传输到探测解调单元。
在其中一个实施例中，传感单元和光传输单元，包括：
第一干涉仪，产生第一干涉信号；
第二干涉仪，产生第二干涉信号；
第一干涉信号与第二干涉信号构成调制光信号。
在其中一个实施例中，第一干涉仪与第二干涉仪为迈克尔逊干涉仪或者法布里珀罗干涉仪。
在其中一个实施例中，第一干涉仪和第二干涉仪的相位差为π的奇数倍。
在其中一个实施例中，第一干涉仪和第二干涉仪的相位差通过第一干涉仪的第一波长和第二干涉仪的第二波长的差值产生，如图2所示，光源单元1，具体的是宽带光源，光传输单元2具体的包括：光纤环行器201，光放大器202，光纤耦合器203，第一光滤波器204，第二光滤波器205，传感单元3，具体的是法布里珀罗干涉仪，第一光滤波器204的滤波波长和第二光滤波器的滤波波长的差Δλ，和传感单元3的自由光谱范围FSR(Free SpectrumRange)满足关系Δλ＝(2m+1)FSR/2，其中m为整数。
在其中一个实施例中，第一干涉仪和第二干涉仪的相位差通过第一干涉仪的第一折射率和第二干涉仪的第二折射率的差值产生，如图3所示，光源单元1，具体的是保偏输出的单色光源，且为慢轴输出，光传输单元2，具体包括：保偏偏振控制器206，保偏偏振分束器207，传感单元3，具体的是基于2×2耦合器的迈克尔逊干涉仪，且为保偏2×2耦合器，保偏2×2耦合器的慢轴折射率和快轴折射率的差Δn，保偏2×2耦合器的臂长差ΔL，和光源单元1的波长λ满足关系λ＝4ΔnΔL/(2m+1)，其中m为整数。
在其中一个实施例中，第一干涉仪和第二干涉仪的相位差通过第一干涉仪的第一干涉长度和第二干涉仪的第二干涉长度的差值产生，如图4所示，光源单元1，具体的是单色光源，光传输单元2，具体的包括：光纤耦合器208，第一光纤环行器209，第二光纤环行器210，传感单元3，具体的是法布里珀罗干涉仪，且由两个干涉长度不等的法布里珀罗干涉仪构成，传感单元3的两个法布里珀罗干涉仪的干涉长度差ΔL，和光源单元1的波长λ满足关系λ＝4nΔL/(2m+1)，其中m为整数，n为传感单元3的法布里珀罗干涉仪的介质折射率。
在其中一个实施例中，第一干涉仪和第二干涉仪的相位差通过第一干涉仪的第一初始相位和第二干涉仪的第二初始相位的差值产生，如图5所示，光源单元1，具体的是保偏输出的单色光源，且为慢轴输出，光传输单元2，具体的包括：保偏光纤环行器211，传感单元3，具体的是。基于2×2耦合器的迈克尔逊干涉仪，且为保偏2×2耦合器。
另一方面，本发明还提供一种光学干涉相位解调方法，如图6所示，包括：
S1：采集第一干涉仪的第一干涉信号V1和第二干涉仪的第二干涉信号V2，测量第一干涉仪的第一对比度B1和第二干涉仪的第二对比度B2；
S2：对第一干涉信号V1和第二干涉信号V2做直线拟合，获得直线的斜率k和截距b；
S3：通过斜率k、截距b、第一干涉信号V1、第二干涉信号V2、第一干涉对比度B1、第二干涉对比度B2，计算得到归一化信号Vn；
S4：对归一化信号Vn采用三角变换构建第一正交信号Vx和第二正交信号Vy；
S5：对第一正交信号Vx和第二正交信号Vy采用微分交叉相乘算法，计算待测相位信号Vm。
在其中一个实施例中，的第一干涉仪的第一干涉信号V1和第二干涉仪的第二干涉信号V2，可以表示为V1＝k1(1+B1cos(Vm))和V2＝k2(1+B2cos(Vm+(2m+1)π))；其中，m为整数，k1和k2是未知常数。
在其中一个实施例中，S2具体为：
对第一干涉信号V1和第二干涉信号V2采用最小二乘法做直线拟合，通过公式：
Figure BDA0003017538820000081
得到计算直线的斜率k和斜率b。
在其中一个实施例中，S3具体为：
通过斜率k、截距b、第一干涉信号V1、第二干涉信号V2、第一干涉对比度B1、第二干涉对比度B2，根据公式
Figure BDA0003017538820000082
计算得到归一化信号Vn。
在其中一个实施例中，S4具体为：
对归一化信号Vn采用三角变换，通过公式
Figure BDA0003017538820000091
构建第一正交信号Vx和第二正交信号Vy，由于开方运算具有非负性，需要根据绝对值函数一阶导函数的不连续性，去除绝对值符号。
在其中一个实施例中，S5具体为：
对第一正交信号Vx和第二正交信号Vy采用微分交叉相乘算法，通过公式Vm＝2∫(Vx'Vy-VxVy')dt计算待测相位信号Vm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光学干涉相位解调方法，其特征在于，包括：
S1：采集调制光信号和对比度信号，所述调制光信号包括第一干涉仪的第一干涉信号V1和第二干涉仪的第二干涉信号V2，所述对比度信号包括所述第一干涉仪的第一对比度B1和所述第二干涉仪的第二对比度B2；所述第一干涉仪和所述第二干涉仪的相位差为π的奇数倍；
S2：对所述第一干涉信号V1和所述第二干涉信号V2做直线拟合，获得所述直线的斜率k和截距b；
S3：通过所述斜率k、所述截距b、所述第一干涉信号V1、所述第二干涉信号V2、所述第一对比度B1、所述第二对比度B2，计算得到归一化信号Vn；
S4：对所述归一化信号Vn采用三角变换构建第一正交信号Vx和第二正交信号Vy；
S5：对所述第一正交信号Vx和所述第二正交信号Vy采用微分交叉相乘算法进行处理计算待测相位信号Vm；
所述S3包括：
利用
Figure RE-FDA0003466656960000011
通过所述斜率k、所述截距b、所述第一干涉信号V1、所述第二干涉信号V2、所述第一对比度B1、所述第二对比度B2计算所述归一化信号Vn。
2.如权利要求1所述的光学干涉相位解调方法，其特征在于，
所述第一干涉仪产生的所述第一干涉信号V1表示为：V1＝k1(1+B1cos(Vm))；
所述第二干涉仪产生的所述第二干涉信号V2表示为：V2＝k2(1+B2cos(Vm+(2m+1)π))；
其中，m为整数，k1和k2为常数。
3.如权利要求1所述的光学干涉相位解调方法，其特征在于，所述S2包括：
利用公式
Figure 97134DEST_PATH_IMAGE002
对所述第一干涉信号V1和所述第二干涉信号V2采用最小二乘法做直线拟合，得到计算所述直线的所述斜率k和所述斜率b。
4.如权利要求1所述的光学干涉相位解调方法，其特征在于，所述S4具体为：
利用公式
Figure RE-FDA0003466656960000022
对所述归一化信号Vn采用三角变换，构建所述第一正交信号Vx和所述第二正交信号Vy。
5.如权利要求1所述的光学干涉相位解调方法，其特征在于，所述S5包括：
基于所述第一正交信号Vx和所述第二正交信号Vy采用微分交叉相乘算法Vm＝2∫(Vx'Vy-VxVy')dt计算所述待测相位信号Vm。
6.一种声波测量系统，其特征在于，包括：
光源单元，用于产生并输出原始光信号；
光传输单元，与所述光源单元连接，用于传输所述原始光信号，并传输调制光信号；
传感单元，与所述光传输单元连接，用于将待测声波信号调制到原始光信号的相位上产生调制光信号；
探测解调单元，与所述光传输单元连接，用于执行权利要求1-5任一项所述光学干涉相位解调方法。
7.如权利要求6所述的声波测量系统，其特征在于，所述传感单元和所述光传输单元构成第一干涉仪和第二干涉仪；
所述第一干涉仪，产生第一干涉信号；所述第二干涉仪，产生第二干涉信号；
所述第一干涉仪和所述第二干涉仪的相位差为π的奇数倍。
8.如权利要求7所述的声波测量系统，其特征在于，所述第一干涉仪和所述第二干涉仪的相位差通过所述第一干涉仪的第一波长和所述第二干涉仪的第二波长的差值产生；或，
通过所述第一干涉仪的第一折射率和所述第二干涉仪的第二折射率的差值产生；或，
通过所述第一干涉仪的第一干涉长度和所述第二干涉仪的第二干涉长度的差值产生；或，
通过所述第一干涉仪的第一初始相位和所述第二干涉仪的第二初始相位的差值产生。
9.如权利要求7所述的声波测量系统，其特征在于，所述第一干涉仪与所述第二干涉仪为迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪或法布里珀罗干涉仪。
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