CN113405578A - 基于偏振干涉和dcm算法的高稳定性动态相位解调补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振干涉和DCM算法的高稳定性动态相位解调补偿方法，第一步、利用构建的相位解调系统，得到两路低相干干涉信号和一路干涉信号的直流量模拟信号；第二步、采集模拟信号，转换成数字信号；第三步、将数字信号进行数据处理，完成干涉信号的归一化和归一化结果的补偿处理，对采集到的信号进行解调，得到腔长变化的相位信息。与现有技术相比，本发明适用于消除在极端应用环境下由于外界环境变化和系统波动产生的干扰；提高了基于DCM算法的光纤F‑P动态相位解调方法的稳定性，3)能够实现对法布里‑珀罗(F‑P)传感器腔长解调的实时补偿。

Description

基于偏振干涉和DCM算法的高稳定性动态相位解调补偿方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是涉及一种基于偏振干涉技术和差分交叉乘(DCM)算法的高稳定性动态相位解调补偿方法。

背景技术

信号是信息的载体，对信号的准确传感和正确解调在人类生活和军事战略中起到举足轻重的作用。随着光纤传感技术的发展，光纤F-P传感器在极端恶劣环境下大展身手，广泛应用于深海光缆的动态检测、航空航天、局部放电的测量等领域，有效的信号解调算法和系统成为研究热点。

目前，光纤F-P动态信号的解调方法主要以强度解调方法和相位解调方法为主导。强度解调方法具有解调速度快、结构简单等优点，但要求传感器的静态工作点必须在线性工作区内，腔长漂移会使得传感器采集到的信号失真。在相位解调方法中，DCM解调算法目前已经形成了较为完备的理论，非常适合大范围动态高频信号的测量。相较于其他相位解调技术，DCM解调算法在实际应用中所得到的解调结果更容易受到环境变化带来的干扰，包括传感器腔长漂移、光源输出功率的波动、环境中的热干扰和机械波振动等。2017年，一种双波长短腔光纤干涉声传感器的DCM相位解调技术被提出，然而这种双波长系统的解调精度很容易受到光源波长漂移的影响。2019年，黄毅等人提出了基于双折射晶体和偏振技术的光纤法布里-珀罗干涉仪，利用DCM算法对正交信号进行解调，能够实现大动态信号的测量。该干涉仪虽然能适应法珀传感器腔长偏移和光源波长漂移的优点，但是其抗光强干扰能力较差。正由于DCM解调很依附于强度的稳定性，这一问题极大限制DCM解调技术在极端环境下的实际应用；因此针对如何提高DCM解调系统稳定性的创新技术研究具有深远意义。

发明内容

本发明的目的在于提出的一种基于偏振干涉和DCM算法的高稳定性动态相位解调补偿方法，通过补偿由于光源波动、传感器端面耦合效率变化等带来的影响，从而实现更高稳定性的系统解调。

本发明的一种基于偏振干涉和DCM算法的高稳定性动态相位解调补偿方法，该方法具体包括以下步骤：

第一步、构建由高斯光源1、光纤环形器2、F-P传感器3、光纤分束器4、准直镜5、起偏器6、双折射晶体7、检偏器8以及光电探测器9构成的相位解调系统，高斯光源1发出的光经过光纤环形器2进入F-P传感器3，动态信号调制F-P传感元件的腔长，调制后返回的干涉光引入光纤分束器4；

光纤分束器4将干涉光分为三路，第一路和第二路为解调干涉信号路，第三路为参考补偿路，接入准直镜5将光束准直并形成空间光束；

控制起偏器6和检偏器8的偏振方向均与双折射晶体的光轴成45°夹角，同时保证起偏器和检偏器偏振方向互为垂直关系；

三路空间光束经过起偏器6后产生线偏光，经过不同厚度的双折射晶体7引入不同的光程差，最后经过检偏器8在其偏振方向上产生低相干干涉条纹；第一路、第二路的解调干涉路获得互为正交关系的低相干干涉信号，第三路参考补偿路获得干涉信号的直流量；

两路低相干干涉信号和一路干涉信号的直流量经过光电探测器9转换成模拟信号；

第二步、利用信号采集模块10采集模拟信号，转换成数字信号；

第三步、将数字信号进行数据处理，完成干涉信号的归一化和归一化结果的补偿处理，对经补偿处理之后的信号进行解调，得到腔长变化的相位信息，该步骤具体包括以下过程：

利用信号峰峰值将干涉信号交流项映射到[-1,1]，完成信号归一化；

采集信号映射到[-1,1]内，去除直流量和交流系数后的信号表达式为：

Q₁(t)＝cos{k₀[2l(t)-dΔn]}

Q₂(t)＝sin{k₀[2l(t)-dΔn]}

对采集到的信号进行解调，得到腔长变化的相位信息θ(t)，表达式如下：

其中，Q₁(t)为t时刻归一化后第一路信号的函数表达式，Q₂(t)为t时刻归一化后第二路信号的函数表达式，Q₁'(t)₁t时刻为归一化后第一路信号的微分，Q₂'(t)为t时刻归一化后第二路信号的微分，k₀为中心波数，Z为与系统初始相位值有关的常数，d为双折射晶体厚度，Δn为双折射晶体的o光和e光折射率差，l(t)为t时刻的腔长变化。

相较于其他光纤F-P动态相位解调算法，本发明的有益效果及优点在于：

1)适用于消除在极端应用环境下由于外界环境变化和系统波动产生的干扰；

2)提高了基于DCM算法的光纤F-P动态相位解调方法的稳定性；

3)能够实现对法布里-珀罗(F-P)传感器腔长解调的实时补偿。

附图说明

图1为本发明的基于偏振干涉技术和DCM算法的高稳定性动态相位解调补偿方法整体流程示意图；

图2为相位解调装置实施例示意图；

图3为补偿前光源输出功率从50mW波动到20mW系统计算得到的相位解调结果示意图；

图4为补偿后光源输出功率从50mW波动到20mW系统计算得到的相位解调结果示意图。

附图标记：

1、高斯光源，2、光纤环形器，3、F-P传感器，4、光纤分束器，5、准直镜，6、起偏器，7、双折射晶体，8、检偏器，9、光电探测器，10、信号采集模块，11、信号处理模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

如图1所示，为本发明的基于偏振干涉技术和DCM算法的高稳定性动态相位解调补偿方法整体流程示意图。具体步骤包括：第一步、利用构建的相位解调系统，得到两路低相干干涉信号和一路干涉信号的直流量模拟信号；第二步、采集模拟信号，转换成数字信号；第三步、将数字信号进行数据处理，完成干涉信号的归一化和归一化结果的补偿处理，对采集到的信号进行解调，得到腔长变化的相位信息。

如图2所示，为相位解调装置实施例示意图。在该装置中，高斯光源1发出的光经过光纤环形器2进入F-P传感器3，动态信号调制法珀传感元件的腔长，由于光纤端面反射率较低，多光束干涉近似等价于双光束干涉，光受到调制之后返回引入光纤分束器4。光纤分束器4将干涉光分为三路，第一路和第二路为解调干涉信号路，第三路为参考补偿路，各路接入准直镜5进行光束准直并形成空间光束。控制起偏器6和检偏器8的偏振方向均与双折射晶体的光轴成45°夹角，同时保证起偏器6和检偏器8偏振方向互为垂直关系。三路空间光束经过起偏器6后产生线偏光，经过三路不同厚度的双折射晶体7引入不同的光程差，最后经过检偏器8在其偏振方向上产生低相干干涉条纹，相应得到三路解调干涉信号。选择第一、第二路的两路解调干涉路中的双折射晶体7厚度与两倍的传感器腔长相互匹配且保证两路信号光程差相差π/2，在零光程差附近产生干涉条纹，得到两路正交干涉信号；

利用低相干干涉理论，选择使用具有高斯形态的光源，F-P传感器作为传感元件，起偏器、双折射晶体、检偏器作为解调干涉仪，在零光程差附近产生干涉条纹，得到的干涉信号光强表达式如下：

其中，C(k)为具有高斯形态的光源函数表达式，T(k,l)为低相干干涉强度函数表达式，由于传感干涉项的变化较小可以忽略，且负一级低相干干涉条纹无法被光电探测器接收，因此干涉信号可以简化成直流量加交流量的形式。

A为低相干干涉的直流分量，仅与光源函数表达式和晶体厚度有关；交流分量用一级低相干干涉干涉条纹来近似表示，与光源函数表达式、传感器腔长变化和晶体厚度有关。式中，k＝2π/λ为波数，k₀＝2π/λ₀为中心波数，k₁＝2π/λ₁，k₂＝2π/λ₂，λ₁为光源光谱最小波长，λ₂为光源光谱最大波长，λ₀为光源的中心波长，Δn为双折射晶体的o光和e光折射率差，d为双折射晶体厚度，l为由于外界信号引起的传感器工作腔长。

选择第三路参考补偿路中的双折射晶体厚度，使光程差在传感器引入的光程差相干范围之外，得到干涉提取干涉信号的直流量，传感器腔长受到外界动态信号调制。

三路的输出干涉信号强度表示如下：

f₁(t)＝A₁+B₁cos{k₀[2l(t)-dΔn]}

f₂(t)＝A₂+B₂sin{k₀[2l(t)-dΔn]}

f₃＝A₃

其中，A₁、A₂、A₃分别为第一、二、三路干涉信号的直流分量，B₁、B₂分别为第一、二路干涉信号交流分量的振幅。

两路正交干涉信号和干涉信号的直流量经过光电探测器9，将光信号转化成模拟电信号。利用信号采集模块10将光电探测器9采集到的模拟电信号转换成数字信号，最终将采集到的数字信号传输给信号处理模块11进行数据处理。处理过程为：

在实现光功率平衡的基础上，第三路参考补偿路提出的直流量可代替两路正交信号的直流量，两路正交信号分别减去直流量得到干涉信号交流项；利用信号峰峰值将干涉信号交流项通过一定的运算方法映射到[-1,1]，完成信号归一化。去除直流量和交流系数后的信号表达式为：

Q₁(t)＝cos{k₀[2l(t)-dΔn]}

Q₂(t)＝sin{k₀[2l(t)-dΔn]}

最后利用改进后的DCM相位解调算法，对采集到的信号进行解调，得到腔长相位变化为：

其中，Q₁(t)为t时刻归一化后第一路信号的函数表达式，Q₂(t)为t时刻归一化后第二路信号的函数表达式，Q₁'(t)₁t时刻为归一化后第一路信号的微分，Q₂'(t)为t时刻归一化后第二路信号的微分，k₀为中心波数，Z为与系统初始相位值有关的常数，d为双折射晶体厚度，Δn为双折射晶体的o光和e光折射率差，l(t)为t时刻的腔长变化。

通过上述处理，可以去除由于光源的波动、传感器的耦合效率以及环境温度和其他机械噪声对信号的干扰,实现对信号的实时补偿，得到F-P传感器腔长变化的相位信息θ(t)。

该实施例仅为示例，并非用于限制解调装置的具体结构。凡本领域技术人员结合相关现有技术所做的具有相同的解调装置均可与该实施例作替换。

选用SLD光源进行实验，通过高精度纳米位移台来控制光纤端面移动，以此模拟传感器腔长变化，进行了实验验证，具体参见图2、图3。需要注意的是，实验前需要固定光路，每一路均用相同厚度的双折射晶体进行光功率补偿，实现初始状态下各路光强比为1:1:1。设置光源输出功率变化从50mW变为20mW,用高精度纳米位移台来控制光纤端面移动，腔长超周期的振动将导致光纤端面耦合效率不断变化。设置纳米位移台以频率20Hz、相位调制大于2π的正弦波运动，目标腔长变化3微米，但由于控制器最大功率限制，实际腔长变化为1.99微米。在此实验条件下分别在光源中心波长为1566nm、输出功率为20mW、50mW的激励下对传感器腔长进行解调。

如图2所示，为补偿前光源输出功率从50mW波动到20mW系统计算得到的相位解调结果示意图。可以看到在50mW正确归一化下，传感器腔长变化引起的相位得到正确解调；当光功率波动到20mW时，DCM解调波形失真，解调振幅错误且出现了谐振现象。

如图3所示，为补偿后光源输出功率从50mW波动到20mW系统计算得到的相位解调结果示意图。当光源输出功率50mW时，传感器腔长变化引起的相位变化可以准确解调，当光源输出功率波动到20mW时，解调得到的相位波形仍能保持真值，即当光功率波动到原来的40％，系统仍能正确解调。

通过本实施例可以得出本发明提出的基于偏振干涉技术和DCM算法的高稳定性动态相位解调补偿方法可以很好的消除由于光源波动、传感器光纤端面耦合带来的干扰，解调方法具有良好稳定性。

现有DCM算法虽然解决传感器工作点限制，并可以实现大范围高频动态信号测量，但DCM更容易受到外界环境变化和系统波动产生的光强度干扰，解调很依附于强度的稳定性。本发明提出的基于偏振干涉技术和改进的DCM算法的高稳定性动态相位解调补偿方法，从系统的角度实时提取出直流量，将外界环境引入的干扰和系统波动单独提取出来，解决了光源输出功率波动、传感器耦合效率变化等因素带来的影响，提高了系统稳定性；相较于已提出的解调算法来讲，本发明操作简单，拥有较高实时性，补偿算法中没有使用低通和带通滤波器，减少了对信号探测频率范围的限制。

Claims (1)

1.一种基于偏振干涉和DCM算法的高稳定性动态相位解调补偿方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

第一步、构建由高斯光源、光纤环形器、F-P传感器、光纤分束器、准直镜、起偏器、双折射晶体、检偏器以及光电探测器组成的相位解调系统，高斯光源发出的光经过光纤环形器进入F-P传感器，动态信号调制F-P传感元件的腔长，调制后返回的干涉光引入光纤分束器；

光纤分束器将干涉光分为三路，第一路和第二路为解调干涉信号路，第三路为参考补偿路，接入准直镜将光束准直，并形成空间光束；

控制起偏器和检偏器的偏振方向均与双折射晶体的光轴成45°夹角，同时保证起偏器和检偏器偏振方向互为垂直关系；

三路空间光束经过起偏器后产生线偏光，经过不同厚度的双折射晶体引入不同的光程差，最后经过检偏器在其偏振方向上产生低相干干涉条纹；第一路、第二路的解调干涉路获得互为正交关系的低相干干涉信号，第三路参考补偿路获得干涉信号的直流量；

两路低相干干涉信号和一路干涉信号的直流量经过光电探测器转换成模拟信号；

第二步、采集模拟信号，转换成数字信号；

第三步、将数字信号进行数据处理，完成干涉信号的归一化和归一化结果的补偿处理，对经补偿处理之后的信号进行解调，得到腔长变化的相位信息，该步骤具体包括以下过程：

去掉直流量后，利用信号峰峰值将干涉信号交流项映射到[-1,1]来消除交流系数，完成信号归一化；归一化后的信号表达式为：

Q₁(t)＝cos{k₀[2l(t)-dΔn]}

Q₂(t)＝sin{k₀[2l(t)-dΔn]}

对采集到的信号进行解调，得到腔长变化的相位信息θ(t)，表达式如下：

其中，Q₁(t)为t时刻归一化后第一路信号的函数表达式，Q₂(t)为t时刻归一化后第二路信号的函数表达式，Q₁'(t)₁t时刻为归一化后第一路信号的微分，Q₂'(t)为t时刻归一化后第二路信号的微分，k₀为中心波数，Z为与系统初始相位值有关的常数，d为双折射晶体厚度，Δn为双折射晶体的o光和e光折射率差，l(t)为t时刻的腔长变化。

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