CN113686368A - 用于获得相位变化参数的光纤传感器解调系统和解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种用于获得相位变化参数的解调系统，是一种通过光纤法珀传感器获得相位变化参数的解调系统，包括：发射模块、光纤法珀传感器、分光模块、滤光模块、接收模块和处理模块，其中，发射模块用于发射具有预设波长范围的光束，光纤法珀传感器接收光束并形成反射光束，分光模块设置于发射模块和光纤法珀传感器之间，滤光模块用于获得第一光束，第二光束和第三光束，滤光模块具有宽带滤光器，接收模块用于接收第一光束、第二光束和第三光束并分别转换成第一信号、第二信号和第三信号，处理模块用于计算光纤法珀传感器的相位变化参数。由此，能够获得一种具有高可靠性和高鲁棒性的基于光纤法珀传感器来测量参数的解调系统和解调方法。

Description

用于获得相位变化参数的光纤传感器解调系统和解调方法
技术领域
本发明大体涉及用于获得相位变化参数的光纤传感器解调系统和解调方法，特别是一种用于获得光纤珐珀传感器的相位变化参数的解调系统和解调方法。
背景技术
目前，在各种领域中使用的传感器主要包括电类传感器、光纤传感器等多种传感器。传统的电学式传感器，其主要缺点是不能在高温、强电磁干扰与腐蚀等恶劣环境下使用。相比之下，光纤法布里-珀罗(FP)传感器具有体积小、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、测量精度高等优点，在航空航天、大型建筑、石油等领域具有广阔的应用前景，特别是针对温度、压力、加速度、声学和超声波等多个参数，要求解调系统具有较高的解调速度。
另外，由于多参数测量需求，以及加工方法和封装方法的限制，光纤F-P传感器具有多个反射面。当F-P传感器具有多个反射面时，传统的高速解调方法不适用。可应用于多腔FP传感器的解调方法主要有傅立叶变换法、互相关法、非扫描互相关法等。由于多腔F-P传感器的频谱由不同频率的信号组成，因此傅立叶变换方法是一种常用的解调方法。互相关方法通过将传感器光谱与另一个理想光谱进行互相关来找到最大值。非扫描互相关方法使用低相干干涉的原理，当F-P传感器和另一个干涉仪之间的光程差(OPD)相等时，通过获得最大强度的位置实现解调。
由于硬件的限制，以上解调方法难以满足对于振动、动态压力、声/超声信号等动态参数的解调速度要求。
发明内容
本发明是有鉴于上述现有技术的状况而提出的，其目的在于提供一种具有高可靠性和高鲁棒性的基于光纤法珀传感器来测量参数的解调系统和解调方法。
为此，本发明的第一方面提供一种用于获得相位变化参数的光纤传感器解调系统，是一种通过光纤法珀传感器获得相位变化参数的解调系统，包括：发射模块、光纤法珀传感器、分光模块、滤光模块、接收模块和处理模块，其中，所述发射模块用于发射具有预设波长范围的光束，所述光纤法珀传感器接收所述光束并形成反射光束，所述分光模块设置于所述发射模块和所述光纤法珀传感器之间，所述分光模块具有至少三个端口，所述三个端口包括连接所述发射模块的第一端口、连接所述光纤法珀传感器的第二端口和连接所述滤光模块的第三端口，所述滤光模块包括第一滤光单元、第二滤光单元和第三滤光单元，所述第一滤光单元对所述反射光束进行滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束，所述第二滤光单元对所述反射光束进行滤光处理以获得具有第二中心波长的第二光束，所述第三滤光单元对所述反射光束进行滤光处理以获得具有第三中心波长的第三光束，所述第一滤光单元、所述第二滤光单元、和所述第三滤光单元为宽带滤光器，所述接收模块用于接收所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束并分别转换成第一信号、第二信号和第三信号，所述处理模块基于所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号、所述第一中心波长、所述第二中心波长、所述第三中心波长和所述光纤法珀传感器的最短腔室的初始腔长计算所述光纤法珀传感器的相位变化参数。
在这种情况下，能够利用光纤法珀传感器的多个反射面反射发射模块发射光束并形成反射光束，利用将分光模块将反射光束分成第一光束、第二光束、和第三光束，分别接收第一光束、第二光束、和第三光束并进行滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束，能够降低光纤抖动对相位变化参数的影响。同时，由于第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元为宽带滤光器，能够将最短腔(也即第一腔室)的干涉信号(干涉光)滤出。
另外，在本发明第一方面所涉及的解调系统中，可选地，所述光纤法珀传感器为光纤法珀多腔传感器，所述光纤法珀多腔传感器至少包括依次排列的第一反射面、第二发射面以及第三反射面，所述第一反射面和所述第二发射面配合形成第一腔室，所述第二反射面和所述第三发射面配合形成第二腔室，所述第一反射面和所述第三发射面配合形成第三腔室，在所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室中，所述第一腔室的初始腔长最短。在这种情况下，通过限定相干长度能够提取第一腔室的干涉信息。
另外，在本发明第一方面所涉及的解调系统中，可选地，所述第一中心波长、所述第二中心波长以及所述第三中心波长在所述预设波长范围内，所述第一滤光单元的3dB带宽、所述第二滤光单元的3dB带宽以及所述第三滤光单元的3dB带宽在所述预设波长范围内。在这种情况下，能够形成具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束。
另外，在本发明第一方面所涉及的解调系统中，可选地，基于所述第一中心波长、所述第二中心波长、和所述第三中心波长获得相干长度，所述第一腔室引入的光程差小于相干长度；所述相干长度小于除第一腔室以外的任意一个腔室引入的光程差的第一预设倍数，所述第一预设倍数不小于3。在这种情况下，由于，相干长度要大于腔室的腔长，才能有明显的干涉现象，因此能够利用相干长度消除多个反射面之间的互相干扰，使干涉现象仅主要存在于光纤法珀传感器的第一腔室中，以此实现光纤F-P传感器的解调，并提高解调的准确性。
另外，在本发明第一方面所涉及的解调系统中，可选地，所述发射模块发射的光束通过所述第一端口和所述第二端口到达所述光纤法珀传感器，所述光纤法珀传感器的反射光束通过所述第二端口和所述第三端口到达所述滤光模块。在这种情况下，由于分光模块为非可逆器件，也即从进入第一端口的光束可以从第二端口射出，从进入第二端口的光束可以从第三端口射出，由此，发射模块发射的光束进入第一端口后，能够从第二端口到达光纤法珀传感器，反射光束进入第二端口后，能够从第三端口到达滤光模块，进而能够调整光束方向，并通过分光模块将不同类型的光束引导至不同的部件或设备。
本发明的第二方面提供一种用于获得相位变化参数的光纤传感器解调方法，其特征在于，所述解调方法包括：获取所述光纤法珀传感器的最短腔室的初始腔长，分别接收来自光纤法珀传感器的具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束的光束，
计算第一初始相位、第二初始相位和第三初始相位，且第一初始相位、第二初始相位和第三初始相位满足公式：
θ1＝4πnL0/λ1，
θ2＝4πnL0/λ2，
θ3＝4πnL0/λ3，
其中，θ1表示第一初始相位，θ2表示第二初始相位，θ3表示第三初始相位，n表示介质折射率，L0表示所述初始腔长，λ1表示所述第一中心波长，λ2表示所述第二中心波长，λ3表示所述第三中心波长，基于所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第一初始相位、所述第二初始相位和所述第三初始相位计算目标相位，所述目标相位满足公式：
Figure BDA0003227521600000041
其中，△θ'表示目标相位，I1表示所述第一光束的强度，I2表示所述第二光束的强度，I3表示所述第三光束的强度，对所述目标相位进行补偿以获得所述相位变化参数。
在这种情况下，能够根据第一光束、第二光束、和第三光束并进行滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束，能够降低光纤抖动对相位变化参数的影响。同时，能够利用公式便捷地计算目标相位，进而能够对目标相位进行补偿以获得相位变化参数，从而能够满足对于振动、动态压力、声/超声信号等动态参数的解调速度要求。
另外，在本发明第二方面所涉及的解调方法中，可选地，所述第一中心波长、所述第二中心波长、所述第三中心波长互不相同。在这个情况下，能够利用具有不同中心波长的信号获得正交信号，进而能够计算出目标相位。
另外，在本发明第二方面所涉及的解调方法中，可选地，目标相位和与目标相位相匹配的相位变化参数之间的差值为补偿值的预设倍数，所述补偿值为π，所述预设倍数为整数。在这种情况下，由于利用反正切算法获得的目标相位范围为-π/2到π/2，当目标相位超过这个范围的时候，就会出现相位跳变，由此，对目标相位进行补偿能够获得更准确的相位变化值。
另外，在本发明第二方面所涉及的解调方法中，可选地，在计算所述相位变化参数时，所述预设倍数的初始值为不变，所述预设倍数按照以下方式进行累加：在相邻的目标相位中，若在后的目标相位与在前的目标相位的差小于第一预设值并大于第二预设值，则所述预设倍数为0，若在后的目标相位与在前的目标相位的差大于第一预设值，则所述预设倍数减1，若在后的目标相位与在前的目标相位的差小于第二预设值，则所述预设倍数加1。在这种情况下，能够获得光纤法珀传感器的腔室的真实相位变化(也即相位变化参数)。
另外，在本发明第二方面所涉及的解调方法中，可选地，以预设采样率与第一光束相匹配的第一信号、与第二光束相匹配的第二信号和与第三光束相匹配的第三信号，所述第一预设值大于0并且与所述预设采样率相匹配，所述第一预设值与所述第二预设值互为相反数。在这种情况下，能够获得准确的相位变化参数。
根据本发明，能够提供一种具有高可靠性和高鲁棒性的基于光纤法珀传感器来测量参数的解调系统和解调方法。
附图说明
现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本发明，其中：
图1是示出了本发明实施方式所涉及的光纤法珀多腔传感器的结构示意图。
图2是示出了本发明实施方式所涉及的解调系统的结构示意图。
图3是示出了本发明实施方式所涉及的光纤法珀多腔传感器的原理示意图。
图4是示出了本发明实施方式所涉及的分光模块的示意图。
图5是示出了本发明实施方式所涉及的3dB带宽的示意图。
图6是示出了本发明实施方式所涉及的解调方法的流程示意图。
图7是示出了本发明实施方式所涉及的对目标相位进行补偿的示意图。
具体实施方式
以下，参考附图，详细地说明本发明的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。
需要说明的是，本发明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
另外，在本发明的下面描述中涉及的小标题等并不是为了限制本发明的内容或范围，其仅仅是作为阅读的提示作用。这样的小标题既不能理解为用于分割文章的内容，也不应将小标题下的内容仅仅限制在小标题的范围内。
本发明的第一方面提供了一种具有高可靠性和高鲁棒性的基于光纤法珀传感器来获得相位变化参数的解调系统。在一些示例中，基于光纤法珀传感器来获得相位变化参数的解调系统也可以称为基于光纤法珀传感器的解调系统、用于获得相位变化参数的解调系统、用于获得相位变化参数的光纤传感器解调系统或解调系统。
在一些示例中，解调系统能够通过光纤法珀传感器获得的干涉现象获得至少一个参数。具体而言，光纤法珀传感器可以具有反射激光光束的多个反射面。光纤法珀传感器的多个反射面可以形成多个反射光束，解调系统能够接收多个反射光束，并根据多个反射光束间的干涉现象计算参数，其中，参数可以是指相位变化参数。
在一些示例中，相位变化参数可以与光纤法珀传感器的腔长相关，换言之，当光纤法珀传感器的腔长发生变化时，相位变化参数可以发生相应的变化。在一些示例中，相位变化参数可以是连续变换的动态参数。在一些示例中，相位变化参数可以是相对静止的静态参数。在一些示例中，通过解调系统获得至少一个相位变化参数可以同时包括静态参数和动态参数。
在一些示例中，光纤法珀传感器的腔长与光纤法珀传感器所在环境的相关。在这种情况下，相位变化参数能够用于反映振动、动态压力、声/超声信号、或温度等物理现象。
本发明公开了一种用于获得相位变化参数的光纤传感器解调系统，是一种通过光纤法珀传感器获得相位变化参数的解调系统，其特征在于，包括：发射模块、光纤法珀传感器、分光模块、滤光模块、接收模块和处理模块，其中，发射模块用于发射具有预设波长范围的光束，光纤法珀传感器接收光束并形成反射光束，分光模块设置于发射模块和光纤法珀传感器之间，分光模块具有至少三个端口，三个端口包括连接发射模块的第一端口、连接光纤法珀传感器的第二端口和连接滤光模块的第三端口，滤光模块包括第一滤光单元、第二滤光单元和第三滤光单元，第一滤光单元对反射光束进行滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束，第二滤光单元对反射光束进行滤光处理以获得具有第二中心波长的第二光束，第三滤光单元对反射光束进行滤光处理以获得具有第三中心波长的第三光束，第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元为宽带滤光器，接收模块用于接收第一光束、第二光束和第三光束并分别转换成第一信号、第二信号和第三信号，处理模块基于第一信号、第二信号、第三信号、第一中心波长、第二中心波长、第三中心波长和光纤法珀传感器的最短腔室的初始腔长计算光纤法珀传感器的相位变化参数。
在这种情况下，能够利用光纤法珀传感器的多个反射面反射发射模块发射光束并形成反射光束，利用将分光模块将反射光束分成第一光束、第二光束、和第三光束，分别接收第一光束、第二光束、和第三光束并进行滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束，能够降低光纤抖动对相位变化参数的影响。同时，由于第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元为宽带滤光器，能够将最短腔(也即第一腔室)的干涉信号(干涉光)滤出。
以下通过附图进一步说明本发明所涉及的解调系统。
图1是示出了本发明实施方式所涉及的光纤法珀多腔传感器的结构示意图。图2是示出了本发明实施方式所涉及的解调系统2的结构示意图。图3是示出了本发明实施方式所涉及的光纤法珀多腔传感器的原理示意图。
在一些示例中，如图1所示，解调系统2可以包括发射模块21。
在一些示例中，发射模块21可以用于发射光束。在一些示例中，光束可以是指激光，在这种情况下，能够提高测量的准确率。
在一些示例中，发射模块21可以用于发射至少一束具有预设波长范围的光束。在一些示例中，预设波长范围可以是较大的波长范围，例如预设波长范围可以为1260nm至1625nm。在一些示例中，预设波长范围可以是较窄的波长范围，例如预设波长范围可以为1525nm至1610nm。在一些示例中，预设波长范围可以连续的。在一些示例中，预设波长范围可以是非连续。
在一些示例中，发射模块21可以用于发射一束具有预设波长范围的光束。在这种情况下，能够将令第一光束、第二光束和第三光束(后续说明)具有相同的光参数。在一些示例中，光参数可以包括相位、振幅(光强度)和偏振态中的至少一个。
在一些示例中，发射模块21可以用于发射多束具有预设波长范围的光束。在一些示例中，三束具有预设波长范围的光束可以具有不同的中心波长。具体而言，发射模块21可以同时发射具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束。在这种情况下，能够发射具有不同的中心波长的光束至光纤法珀传感器22，从而能够形成具有不同的中心波长的反射光束。
在一些示例中，发射模块21发射的多束光束可以具有相同的光学参数，例如发射模块21发射的光束可以具有相同的相位，发射模块21发射的光束可以具有相同的振幅(光强度)，发射模块21发射的光束可以具有相同的偏振态。
在一些示例中，发射模块21可以为ASE宽带光源模块、SLED宽带光源、窄线宽激光光源、SLD宽带光源、台式激光光源、或模块式激光光源等。
在一些示例中，如图2所示，解调系统2还可以包括分光模块23。在一些示例中，分光模块23可以为光纤环形器。具体而言，解调系统2还可以包括设置于发射模块21和光纤法珀传感器22之间的光纤环形器，在这种情况下，能够利用光纤环形器调整光束的方向。
图4是示出了本发明实施方式所涉及的分光模块23的示意图。
在一些示例中，如图4所示，分光模块23可以具有至少三个端口，三个端口可以包括连接发射模块21的第一端口、连接光纤法珀传感器22的第二端口和连接滤光模块24的第三端口。在这种情况下，由于分光模块23为非可逆器件，也即从进入第一端口的光束可以从第二端口射出，从进入第二端口的光束可以从第三端口射出，由此，发射模块21发射的光束进入第一端口后，能够从第二端口到达光纤法珀传感器22，反射光束进入第二端口后，能够从第三端口到达滤光模块24，进而能够调整光束方向，并通过分光模块23将不同类型的光束引导至不同的部件或设备。
在一些示例中，分光模块23的第一端口可以通过光纤连接至发射模块21，分光模块23的第二端口可以通过光纤连接至光纤法珀传感器22，分光模块23的第三端口可以通过光纤连接至滤光模块24。在这种情况下，由于光纤具有一定的柔韧性，能够利用光纤调整分光模块23、发射模块21、光纤法珀传感器22和滤光模块24的相对位置。
在一些示例中，如图2所示，解调系统2可以包括光纤法珀传感器22。在一些示例中，如图3所示，光纤法珀传感器22可以接收光束并形成反射光束。在一些示例中，光纤法珀传感器22可以具有至少两个反射面。具体而言，光纤法珀传感器22可以具有第一反射面11、第二反射面12以及在第一反射面11和第二反射面12之间的第一腔室10，第一反射面11可以与第二反射面12平行，其中，第一反射面11可以是光束最先到达的反射面。光束到达第一反射面11后，可以形成第一反射光束和第一透射光束，第一透射光束到达第二反射面12后可以形成第二反射光束。第一反射光束可以与第二反射光束发生干涉现象，干涉现象可以与第一腔室10的腔长相关。在这种情况下，由于参数变化时会改变第一腔室10的腔长，由此，能够通过干涉现象获得光纤法珀传感器22附近的参数。
在一些示例中，可以利用微机电技术(MEMS)加工获得的光纤法珀传感器22，在这种情况下，光纤法珀传感器22可以具有多个反射面和多个腔室，由此能够获得光纤法珀多腔传感器。换言之，光纤法珀传感器22可以为光纤法珀多腔传感器。
在一些示例中，光纤法珀多腔传感器可以包括至少三个反射面和至少三个腔室。具体而言，光纤法珀多腔传感器可以包括至少三个反射面，任意两反射面之间均能够构成法珀(Fabry-Perot，FP)干涉腔。
在一些示例中，如图3所示，光纤法珀多腔传感器可以至少包括依次排列的第一反射面11、第二发射面以及第三反射面13，第一反射面11、第二发射面以及第三反射面13可以互相平行。在一些示例中，第一反射面11和第二发射面可以配合形成第一腔室10，第二反射面12和第三发射面可以配合形成第二腔室20，第一反射面11和第三发射面可以配合形成第三腔室30。在这种情况下，通过限定相干长度能够提取第一腔室的干涉信息。
在一些示例中，在第一腔室10、第二腔室20和第三腔室30中，第一腔室10也可以称为敏感腔或敏感单元。在一些示例中，第一腔室10的腔长最短。
在一些示例中，光纤法珀传感器22的腔室(可以包括第一腔室10、第二腔室20、第三腔室30)可以引入不同的光程差。
在一些示例中，可以基于第一中心波长、第二中心波长、和第三中心波长获得相干长度，第一腔室10引入的光程差小于相干长度。在这种情况下，由于相干长度表示的是相干波(例如电磁波)保持一定的相干度进行传播的距离。因此，相干长度越大，相干性越好，进而能够令干涉现象更明显。
在一些示例中，相干长度满足以下公式：
l1＝λ1 2/Vλ1
l2＝λ1 2/Vλ1
l3＝λ3 2/Vλ3
其中，l1表示具有第一中心波长的第一光束的相干长度，λ1表示第一中心波长，△λ1表示第一光束的3dB带宽(第一滤光单元的3dB带宽)，l2表示具有第二中心波长的第二光束的相干长度，λ2表示第二中心波长，△λ2表示第二光束的3dB带宽(第二滤光单元的3dB带宽)，l3表示具有第三中心波长的第三光束的相干长度，λ3表示第三中心波长(第三滤光单元的3dB带宽)，△λ3表示第三光束的3dB带宽。
图5是示出了本发明实施方式所涉及的3dB带宽的示意图。
在一些示例中，如图5所示，第一滤光单元的3dB带宽可以为第一滤光单元的功率谱密度的最高点下降到1/2时界定的波长范围。
在一些示例中，相干长度可以大于第一腔室10的腔长。在一些示例中，相干长度可以小于任意一个腔室引入的光程差的第一预设倍数。在一些示例中，相干长度可以小于除第一腔室10以外的任意一个腔室引入的光程差的第一预设倍数，在一些示例中，第一预设倍数可以大于3，例如第一预设倍数可以为3.0、3.1、3.2、3.6、4.0、5.0、10.0、20、30、或60。在这种情况下，由于相干长度要大于腔室的腔长，才能有明显的干涉现象，因此能够利用相干长度消除多个反射面之间的互相干扰，使干涉现象仅主要存在于光纤法珀传感器22的第一腔室10中，以此实现光纤F-P传感器的解调。
在一些示例中，如图2所示，解调系统2可以包括滤光模块24。
在一些示例中，滤光模块24可以用于接收反射光束并将反射光束分成第一光束、第二光束、和第三光束。
在一些示例中，滤光模块24可以具有光纤耦合器。在这种情况下，光纤耦合器可以将滤光模块24接收到的光束分成多个光束，并从端口释放多个光束。
在一些示例中，光纤耦合器可以为1×3光纤耦合器。1×3光纤耦合器可以将滤光模块24接收到的光束分成三个光束(包括第一光束、第二光束和第三光束)，并利用三头端口中的各个端头分别释放第一光束、第二光束和第三光束。
在一些示例中，光纤耦合器的端口可以分别与多个滤光单元连接。在一些示例中，多个滤光单元可以分别连接至接收模块25(后续描述)
在一些示例中，多个滤光单元可以包括第一滤光单元、第二滤光单元和第三滤光单元。在这种情况下，若发射单元发射了多束具有不同中心波长的光束，则滤光模块24能够基于具有不同中心波长的把光束分成具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束、和具有第三中心波长的第三光束；若发射单元发射了一束具有较宽的预设波长范围的光束，则滤光模块24能够利用滤光单元把光束分成具有第一光束、第二光束、和第三光束，对进而第一光束、第二光束、和第三光束做滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束、和具有第三中心波长的第三光束。
在一些示例中，第一滤光单元可以以第一中心波长对通过第一滤光单元的光束(例如第一光束)进行滤光处理。在这种情况下，能够令波长靠近第一中心波长的光通过第一滤光单元，并阻碍波长远离第一中心波长的光通过第一滤光单元，进而能够形成具有第一中心波长的第一光束。
在一些示例中，第二滤光单元可以以第二中心波长对通过第二滤光单元的光束(例如第二光束)进行滤光处理。在这种情况下，能够令波长靠近第二中心波长的光通过第二滤光单元，并阻碍波长远离第二中心波长的光通过第二滤光单元，进而能够形成具有第二中心波长的第二光束。
在一些示例中，第三滤光单元可以以第三中心波长对通过第三滤光单元的光束(例如第三光束)进行滤光处理。在这种情况下，能够令波长靠近第三中心波长的光通过第三滤光单元，并阻碍波长远离第三中心波长的光通过第三滤光单元，进而能够形成具有第三中心波长的第三光束。
在一些示例中，第一中心波长、第二中心波长和第三中心波长可以互不相同。在一些示例中，第一中心波长可以为1260nm～1625nm，第二中心波长可以为1260nm～1625nm，第三中心波长可以为1260nm～1625nm。其中，第一中心波长、第二中心波长、第三中心波长互不相同。例如，第一中心波长可以为1550nm、第二中心波长可以为1570nm、第三中心波长可以为1590nm。在这个情况下，能够利用具有不同中心波长的信号获得正交信号，进而能够计算出目标相位。
在一些示例中，第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元为宽带滤光器，宽带滤光器可以为3dB带宽长度在10nm至30nm之间的滤光器，优选地，宽带滤光器可以为3dB带宽长度在13nm至20nm之间的滤光器。例如，第一滤光单元以第一中心波长对通过第一滤光单元的光束(例如第一光束)进行滤光处理，第一中心波长为1550nm，并且第一滤光单元的功率谱密度的最高点下降到1/2时界定的波长范围为1543nm～1557nm，则第一滤光单元的3dB带宽长度可以为14nm，并属于宽带滤光器。在这种情况下，由于宽带滤光器能够把(第一腔室10)最短的腔的干涉信号滤出，由此能够计算第一腔室10的相位变化参数。
在一些示例中，第一中心波长、第二中心波长以及第三中心波长在预设波长范围内，第一滤光单元的3dB带宽、第二滤光单元的3dB带宽以及第三滤光单元的3dB带宽在发射模块21的预设波长范围内。在这种情况下，能够形成具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束。
在一些示例中，如图2所示，解调系统2可以包括接收模块25。
在这种情况下，接收模块25能够接收第一光束、第二光束和第三光束并分别转换成第一信号、第二信号和第三信号。
在一些示例中，信号可以是指模拟信号或数字信号。具体而言，接收模块25可以将第一光束转换成第一模拟信号或第一数字信号，接收模块25可以将第二光束转换成第一模拟信号或第二数字信号，接收模块25可以将第三光束转换成第三模拟信号或第三数字信号。
在一些示例中，接收模块25可以包括传感单元和采样电路。在一些示例中，传感单元可以与滤光模块24连接。具体而言，传感单元可以为三通道光电探测器，第一滤光单元、第二滤光单元、和第三滤光单元可以分别通过光纤与传感单元的三个通道连接，采样电路可以为三通道采样电路，采样电路的三个通道可以与传感单元的三个通道一一配对并连接。在这种情况下，能够利用传感单元接收第一光束、第二光束和第三光束，并且将第一光束、第二光束和第三光束分别转换成第一模拟信号、第二模拟信号和第三模拟信号，并且通过采样电路将第一模拟信号、第二模拟信号和第三模拟信号转换成第一数字信号、第二数字信号和第三数字信号，进而能够利用第一数字信号、第二数字信号和第三数字信号进行计算以获得相位变化参数。
在一些示例中，接收模块25可以不包括采样电路。在这种情况下，能够利用传感单元接收第一光束、第二光束和第三光束，并且将第一光束、第二光束和第三光束分别转换成第一模拟信号、第二模拟信号和第三模拟信号，进而能够利用第一模拟信号、第二模拟信号和第三模拟信号进行计算以获得相位变化参数。
在一些示例中，采样电路可以以预设采样率对第一模拟信号、第二模拟信号和第三模拟信号进行采样。在一些示例中，采样率可以是指采样频率。
在一些示例中，如图2所示，解调系统2可以包括处理模块26，处理模块26可以基于第一信号、第二信号、第三信号、第一中心波长、第二中心波长、第三中心波长和光纤法珀传感器22的最短腔室的初始腔长计算光纤法珀传感器22的相位变化参数。
在一些示例中，处理模块26可以包括数据处理单元和信号传输单元。
在一些示例中，数据处理单元可以执行计算相干长度、计算初始相位、计算光强度、相位补偿和计算相位变化参数等计算步骤，信号传输单元可以将数据处理完成后传输至上位机。
本发明的第二方面提供了一种具有高可靠性和高鲁棒性的基于光纤法珀传感器22来测量参数的解调方法。在一些示例中，基于光纤法珀传感器22来测量参数的解调系统2也可以称为基于光纤法珀传感器22的解调方法或用于获得相位变化参数的光纤传感器解调系统2，基于光纤法珀传感器22来测量参数的解调系统2也可以简称为解调方法。
在一些示例中，本发明所涉及的解调方法可以应用于各种解调系统2中，优选地，本发明所涉及的解调方法可以应用于上文的解调系统2中。
图6是示出了本发明实施方式所涉及的解调方法的流程示意图。
在一些示例中，如图6所示，解调方法可以包括：获取光纤法珀传感器22的最短腔室的初始腔长(步骤S100)；分别接收来自光纤法珀传感器22的具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束、具有第三中心波长的第三光束的光束(步骤S200)；计算第一初始相位、第二初始相位和第三初始相位(步骤S300)；计算目标相位(步骤S400)；对所述目标相位进行补偿以获得所述相位变化参数(步骤S500)。
在这种情况下，能够根据第一光束、第二光束、和第三光束并进行滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束，能够降低光纤抖动对相位变化参数的影响。同时，能够利用公式便捷地计算目标相位，进而能够对目标相位进行补偿以获得相位变化参数，从而能够满足对于振动、动态压力、声/超声信号等动态参数的解调速度要求。
在一些示例中，在步骤S100中，可以测量光纤法珀传感器22的腔长最短的腔室(第一腔室10)的腔长。在一些示例中，可以利用传感器腔长测试设备测量第一腔室10的腔长。
在一些示例中，在步骤S200中，可以通过光纤法珀传感器22形成的反射光束。在一些示例中，可以通过分光模块23和滤光模块24获得具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束的光束。在一些示例中，如上所述，第一中心波长、第二中心波长和第三中心波长可以互不相同。
在一些示例中，在步骤S300中，计算第一初始相位、第二初始相位和第三初始相位。第一初始相位、第二初始相位和第三初始相位可以满足公式：
θ1＝4πnL0/λ1，
θ2＝4πnL0/λ2，
θ3＝4πnL0/λ3，
其中，θ1表示基于第一中心波长和腔长获得的第一初始相位，θ2表示基于第二中心波长和腔长获得的第二初始相位，θ3表示基于第三中心波长和腔长获得的第三初始相位，n表示介质折射率，Lo表示光纤法珀传感器22的腔长最短的腔室的腔长，λ1表示第一中心波长，λ2表示第二中心波长，λ3表示第三中心波长。
在一些示例中，步骤S400可以计算目标相位。在一些示例中，步骤S400可以通过接收模块25和处理模块26协同完成，具体而言，接收模块25可以接受具有第一中心波长的第一光束并转换成具有第一中心波长的第一信号，接收模块25可以接受具有第二中心波长的第二光束并转换成具有第二中心波长的第二信号，接收模块25可以接受具有第三中心波长的第三光束并转换成具有第三中心波长的第三信号。处理模块26可以基于基于第一光束、第二光束、第三光束、第一初始相位、第二初始相位和第三初始相位计算目标相位。
在一些示例中，第一光束、第二光束和第三光束可以通过以下公式表示：
I1＝A+B cosθ1
I2＝A+B cosθ2
I3＝A+B cosθ3
其中，I1表示第一光束的光强度，I2表示第二光束的光强度，I3表示第三光束的光强度，A表示干涉信号的直流分量，B表示是干涉信号的幅值，θ1表示第一光束在光纤法珀传感器22的第一腔室10的初始相位，θ2表示第二光束在光纤法珀传感器22的第一腔室10的初始相位，θ3表示第三光束在光纤法珀传感器22的第一腔室10的初始相位。
在一些示例中，第一光束、第二光束和第三光束在光纤法珀传感器22的第一腔室10的腔长发生变化后，可以通过以下公式表示：
I1＝A+B cos(θ1+Δθ)
I2＝A+B cos(θ2+Δθ)
I3＝A+B cos(θ3+Δθ)
其中，△θ表示由于光纤法珀传感器22的第一腔室10的腔长发生变化二造成的相位变化(也即目标相位)。
在一些示例中，处理模块26可以将三路光信号校正为两路相位正交信号。两路相位正交信号可以通过一下公式获得：
Figure BDA0003227521600000161
Figure BDA0003227521600000162
其中，F1、F2表示互相正交信号。
第一光束在光纤法珀传感器22的第一腔室10的初始相位θ1，第二光束在光纤法珀传感器22的第一腔室10的初始相位θ2，第三光束在光纤法珀传感器22的第一腔室10的初始相位θ3的计算公式可以为：
θ1＝4πnL0/λ1
θ2＝4πnL0/λ2
θ2＝4πnL0/λ2
其中，n表示介质折射率，L0表示第一腔室10的初始腔长。λ1表示第一中心波长，λ2表示第二中心波长，λ3表示第三中心波长。
在一些示例中，可以通过反正切算法获得传感器的目标相位，目标相位的计算公式为，
Figure BDA0003227521600000171
在一些示例中，目标相位可以满足公式：
Figure BDA0003227521600000172
图7是示出了本发明实施方式所涉及的对目标相位进行补偿的示意图。
在一些示例中，步骤S500中，处理模块26可以对目标相位进行补偿以获得相位变化参数。
在一些示例中，如图7所示，目标相位和与目标相位相匹配的相位变化参数之间的差值为补偿值的预设倍数，在一些示例中，补偿值为π，所述预设倍数为整数。在这种情况下，由于利用反正切算法获得的目标相位范围为-π/2到π/2，当目标相位超过这个范围的时候，就会出现相位跳变，由此，对目标相位进行补偿能够获得更准确的相位变化值。
在一些示例中，可以通过以下方法对目标相位进行补偿以获得相位变化参数。相位变化参数的计算公式可以为：
Δθ'＝Δθ±kπ
其中，k表示预设倍数，△θ表示光纤法珀传感器22的腔室的真实相位变化(也即相位变化参数)。
在一些示例中，预设倍数的初始值可以设置为0。预设倍数按照以下方式进行累加：通过上述步骤后，可以获得多个目标相位，在相邻的目标相位中，若在后的目标相位与在前的目标相位的差小于第一预设值或大于第二预设值，则所述预设倍数为不变，若在后的目标相位与在前的目标相位的差大于第一预设值，则所述预设倍数减1，若在后的目标相位与在前的目标相位的差小于第二预设值，则所述预设倍数加1。换言之，在相邻的目标相位中，若在后的目标相位与在前的目标相位的差小于第一预设值或大于第二预设值，则预设倍数k为不变；若在后的目标相位与在前的目标相位的差大于第一预设值，则预设倍数k可以替换成k-1；若在后的目标相位与在前的目标相位的差小于第二预设值，则预设倍数k可以替换成k+1。在这种情况下，能够获得光纤法珀传感器22的腔室的真实相位变化(也即相位变化参数)。
在一些示例中，通过补偿获得的相邻的相位变化参数中，后的相位变化参数与在前的相位变化参数的差小于第一预设值并大于第二预设值。
在一些示例中，第一预设值可以大于0小于π/2。在一些示例中，第二预设值可以小于0大于-π/2。在一些示例中，第一预设值与第二预设值可以互为相反数。在这种情况下，能够获得准确的相位变化参数。
在一些示例中，第一预设值可以与所述预设采样率相匹配，具体而言，预设采样率越大，第一预设值可以越大。在这种情况下，能够通过调整预设采样率控制第一预设值的大小。
虽然以上结合附图和示例对本发明进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本发明。本领域技术人员在不偏离本发明的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本发明进行变形和变化，这些变形和变化均落入本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于获得相位变化参数的光纤传感器解调系统，是一种通过光纤法珀传感器获得相位变化参数的解调系统，其特征在于，包括：发射模块、光纤法珀传感器、分光模块、滤光模块、接收模块和处理模块，其中，所述发射模块用于发射具有预设波长范围的光束，所述光纤法珀传感器接收所述光束并形成反射光束，所述分光模块设置于所述发射模块和所述光纤法珀传感器之间，所述分光模块具有至少三个端口，所述三个端口包括连接所述发射模块的第一端口、连接所述光纤法珀传感器的第二端口和连接所述滤光模块的第三端口，所述滤光模块包括第一滤光单元、第二滤光单元和第三滤光单元，所述第一滤光单元对所述反射光束进行滤光处理以获得具有第一中心波长的第一光束，所述第二滤光单元对所述反射光束进行滤光处理以获得具有第二中心波长的第二光束，所述第三滤光单元对所述反射光束进行滤光处理以获得具有第三中心波长的第三光束，所述第一滤光单元、所述第二滤光单元、和所述第三滤光单元为宽带滤光器，所述接收模块用于接收所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束并分别转换成第一信号、第二信号和第三信号，所述处理模块基于所述第一信号、所述第二信号、所述第三信号、所述第一中心波长、所述第二中心波长、所述第三中心波长和所述光纤法珀传感器的最短腔室的初始腔长计算所述光纤法珀传感器的相位变化参数。
2.根据权利要求1所述的解调系统，其特征在于，
所述光纤法珀传感器为光纤法珀多腔传感器，所述光纤法珀多腔传感器至少包括依次排列的第一反射面、第二发射面以及第三反射面，所述第一反射面和所述第二发射面配合形成第一腔室，所述第二反射面和所述第三发射面配合形成第二腔室，所述第一反射面和所述第三发射面配合形成第三腔室，在所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室中，所述第一腔室的初始腔长最短。
3.根据权利要求1所述的解调系统，其特征在于，
所述第一中心波长、所述第二中心波长以及所述第三中心波长在所述预设波长范围内，所述第一滤光单元的3dB带宽、所述第二滤光单元的3dB带宽以及所述第三滤光单元的3dB带宽在所述预设波长范围内。
4.根据权利要求2所述的解调系统，其特征在于，
基于所述第一中心波长、所述第二中心波长、和所述第三中心波长获得相干长度，
所述第一腔室引入的光程差小于相干长度；
所述相干长度小于除第一腔室以外的任意一个腔室引入的光程差的第一预设倍数，所述第一预设倍数不小于3。
5.根据权利要求1所述的解调系统，其特征在于，
所述发射模块发射的光束通过所述第一端口和所述第二端口到达所述光纤法珀传感器，所述光纤法珀传感器的反射光束通过所述第二端口和所述第三端口到达所述滤光模块。
6.一种用于获得相位变化参数的光纤传感器解调方法，其特征在于，所述解调方法包括：
获取所述光纤法珀传感器的最短腔室的初始腔长，
分别接收来自光纤法珀传感器的具有第一中心波长的第一光束、具有第二中心波长的第二光束和具有第三中心波长的第三光束的光束，
计算第一初始相位、第二初始相位和第三初始相位，且第一初始相位、第二初始相位和第三初始相位满足公式：
θ1＝4πnL0/λ1
θ2＝4πnL0/λ2
θ3＝4πnL0/λ3，
其中，θ1表示第一初始相位，θ2表示第二初始相位，θ3表示第三初始相位，n表示介质折射率，L0表示所述初始腔长，λ1表示所述第一中心波长，λ2表示所述第二中心波长，λ3表示所述第三中心波长，
基于所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第一初始相位、所述第二初始相位和所述第三初始相位计算目标相位，所述目标相位满足公式：
Figure FDA0003227521590000021
其中，△θ'表示目标相位，I1表示所述第一光束的强度，I2表示所述第二光束的强度，I3表示所述第三光束的强度，
对所述目标相位进行补偿以获得所述相位变化参数。
7.根据权利要求6所述的解调方法，其特征在于，
所述第一中心波长、所述第二中心波长、所述第三中心波长互不相同。
8.根据权利要求6所述的解调方法，其特征在于，
目标相位和与目标相位相匹配的相位变化参数之间的差值为补偿值的预设倍数，所述补偿值为π，所述预设倍数为整数。
9.根据权利要求8所述的解调方法，其特征在于，
在计算所述相位变化参数时，所述预设倍数的初始值为0，所述预设倍数按照以下方式进行累加：
在相邻的目标相位中，
若在后的目标相位与在前的目标相位的差小于第一预设值并大于第二预设值，则所述预设倍数为不变，
若在后的目标相位与在前的目标相位的差大于第一预设值，则所述预设倍数减1，
若在后的目标相位与在前的目标相位的差小于第二预设值，则所述预设倍数加1。
10.根据权利要求9所述的解调方法，其特征在于，
以预设采样率与第一光束相匹配的第一信号、与第二光束相匹配的第二信号和与第三光束相匹配的第三信号，所述第一预设值大于0并且与所述预设采样率相匹配，所述第一预设值与所述第二预设值互为相反数。
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