CN114353970A - 用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法及调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法及调制装置，所述方法包括以下步骤：S1、通过声光调制器对激光器输出的光波进行强度调制和频率调制处理获取光脉冲序列；S2、利用非平衡光纤干涉仪获取对应干涉光脉冲；S3、将干涉光脉冲输入光电转换器中转化为相应的电信号，并以固定采样频率采样获取对应具有不同初始相位的数字信号，实现了光纤干涉仪多相检测的初相位调制。本发明仅采用一路声光调制器和一路光电转换器元件，即可实现光纤干涉仪多相检测的初始相位调制,大大减小硬件系统开销，有效降低了系统硬件的复杂性和成本。

Description

用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法及调制装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法及调制装置。

背景技术

在光纤干涉仪传感应用中，由于传感信号加载于干涉仪相位中，因此相位信号准确稳定检测是光纤干涉仪传感应用中的关键技术之一。目前光纤干涉仪的信号检测方法主要有主动相位补偿法、3×3耦合器多相检测法、相位载波调制解调方法和外差法等。

其中，3×3耦合器多相检测法是一种无源零差方案，通过将干涉型光纤传感器的出光端2×2耦合器改换成3×3耦合器，并利用3×3耦合器的三路输出信号之间的120°相位差，通过三路信号同时探测处理，实现系统的稳定相移检测。由此可知，传统3×3耦合器多相检测方法优点在于：(1)基于3×3耦合器实现干涉仪的多初相位输出，干涉仪内部不需要增加任何有源器件，实现了真正的无源检测；(2)信号处理算法简单，无高频相位调制，系统工作频带只受限于数字系统的采样率，系统动态范围大。然而其缺陷也非常明显：(1)需要使用3×3耦合器组成干涉仪，在大规模传感应用中将增加传感阵列光学系统的复杂性；(2)3×3耦合器多相检测中每个传感器有三路输出信号，需要三路光学采样通道，增加了系统的硬件复杂性和成本，不适用于大规模复用的干涉型光纤传感系统。

基于传统3×3耦合器方法和现有相位信号检测方法，如何实现多相检测中的初相位调制是目前本技术领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺点和不足，提供一种用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法及调制装置，本发明结合时分复用和光频调制技术，仅采用一路声光调制器和一路光电转换元件，即可实现光纤干涉仪多相检测的初相位调制，进而获得多路具有不同初始相位的干涉信号，大大减小了硬件系统开销，降低了系统硬件的复杂性和成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、通过声光调制器对激光器输出的光波进行强度调制和频率调制，进而生成一组由频率分别为ν₁、ν₂和ν₃的三个光脉冲组成的光脉冲序列，且相邻光脉冲之间的时间间隔设置为T；

S2、将步骤S1中所生成的光脉冲序列输入非平衡光纤干涉仪中以获得对应三个干涉光脉冲；

S3、将所述三个干涉光脉冲输入光电转换器中并转化为对应的电信号，然后以固定采样频率f_sp进行数字采样，进而得到三个干涉光脉冲对应的三路具有不同初始相位的数字信号V₁、V₂和V₃，实现了光纤干涉仪多相检测的初相位调制。

优选地，所述步骤S1具体实现方式为：

S11、将激光器输出的光波输入声光调制器中；

S12、通过控制声光调制器的载波频率和幅度开关以使声光调制器输出一组由频率分别为ν₁、ν₂和ν₃的三个光脉冲组成的光脉冲序列，其中，相邻光脉冲之间的时间间隔为T，三个光脉冲的频率分别为ν₁＝ν₀+ν_m，ν₂＝ν₀+ν_m+Δν和ν₃＝ν₀+ν_m+2Δν，其中ν₀表示激光器输出光波的频率，ν_m、v_m+Δν和v_m+2Δν分别表示声光调制器的调制频率,Δν表示声光调制器的载波频率差。

优选地，所述步骤S2中的非平衡光纤干涉仪用于将输入的光脉冲之间的频率差转换为对应干涉光脉冲之间的相位差，其中，相邻干涉光脉冲之间的相位差用公式表示为：

式(1)中，

表示相邻光脉冲之间相位差，l表示非平衡光纤干涉仪的信号臂和参考臂之间的臂差，n表示光纤纤芯的折射率，c表示真空中的光速。

优选地，所述固定采样频率为f_sp＝1/T。

优选地，所述S3中三个干涉光脉冲对应的三路具有不同初始相位的数字信号V₁、V₂和V₃用公式表示为：

式(2)、(3)和(4)中，A表示干涉光脉冲信号的直流分量，B表示干涉光脉冲信号的交流分量振幅，

表示传感光纤所传感的待测相位，

表示光纤干涉仪初始相位，τ＝2nl/c表示非平衡光纤干涉仪信号臂和参考臂之间的时延。

用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制装置，采用上述所述的光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法进行相位检测，包括激光器、声光调制器、非平衡光纤干涉仪和光电转换器，其中：

激光器，用于输出光波，并将输出光波输入声光调制器中；

声光调制器，用于调制输入光波的频率以产生一组由不同频率的三个光脉冲组成的光脉冲序列，并将产生的光脉冲序列输入非平衡光纤干涉仪中；

非平衡光纤干涉仪，用于将输入的光脉冲序列进行干涉以生成对应的干涉光脉冲，并将产生的干涉光脉冲输入光电转换器中；

光电转换器，用于将输入的干涉光脉冲进行光电转换，并以固定采样频率进行数字采样以得到对应的数字信号，进而实现光纤干涉仪多相检测的初相位调制。

优选地，所述激光器为窄线宽激光器。

优选地，所述光电转换器为光电信号转换装置，其包括光电探测器、前置放大器和模数转换器。

与现有技术比较，本发明具有如下有益技术效果：

(1)本发明结合时分复用和光频调制技术，仅采用一路声光调制器元件即可产生具有一定频率差的光脉冲序列，同时结合非平衡光纤干涉仪将频率差转化为相位差，实现光纤干涉仪的初始相位调制，从而能够获得多路具有不同初始相位的干涉信号。本发明中的初相位调制方法只需要一路声光调制器和一路光电转换元件，大大减小了硬件系统开销，降低了系统硬件的复杂性和成本；

(2)本发明仅采用一路声光调制器和一路光电转换器元件，不同初始相位的多相信号经过相完全相同的光学路径，各路多相信号之间将保持稳定的相位功率大小，有利于实现多相信号之间的功率均衡。

附图说明

图1是本发明用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法的流程图，

图2是本发明中通过声光调制器获取光脉冲序列的方法流程图，

图3是本发明用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制装置的结构框图。

图中，1.激光器，2.声光调制器，3.非平衡光纤干涉仪，4.光电转换器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1-图3所示，用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、通过声光调制器对激光器输出的光波进行强度调制和频率调制，进而生成一组由频率分别为ν₁、ν₂和ν₃的三个光脉冲组成的光脉冲序列，且相邻光脉冲之间的时间间隔设置为T；具体包括：

S11、将激光器输出的光波输入声光调制器中；

S12、通过控制声光调制器的载波频率和幅度开关以使声光调制器输出一组由频率分别为ν₁、ν₂和ν₃的三个光脉冲组成的光脉冲序列，其中，相邻光脉冲之间的时间间隔为T，三个光脉冲的频率分别为：ν₁＝ν₀+ν_m，ν₂＝ν₀+ν_m+Δν，ν₃＝ν₀+ν_m+2Δν，ν₀表示激光器输出光波的频率，ν_m、v_m+Δν和v_m+2Δν分别表示声光调制器的调制频率,Δν表示声光调制器的载波频率差。

S2、将步骤S1中所生成的光脉冲序列输入非平衡光纤干涉仪中以获得对应三个干涉光脉冲；

其中，所述非平衡光纤干涉仪用于将输入的光脉冲之间的频率差转换为对应干涉光脉冲之间的相位差，则非平衡光纤干涉仪输出的三个干涉光脉冲的初始相位分别表示为

表示一组光脉冲序列经过非平衡光纤干涉仪干涉后输出的第一个干涉光脉冲的初始相位，其中，相邻干涉光脉冲之间的相位差用公式表示为：

式(1)中，

表示相邻光脉冲之间相位差，l表示非平衡光纤干涉仪的信号臂和参考臂之间的臂差，n表示光纤纤芯的折射率，c表示真空中的光速。

S3、将所述三个干涉光脉冲输入光电转换器中并转化为对应的电信号，然后以固定采样频率进行数字采样，进而得到三个干涉光脉冲对应的三路具有不同初始相位的数字信号V₁、V₂和V₃，实现了光纤干涉仪多相检测的初相位调制。

其中，所述固定采样频率为f_sp＝1/T，三个干涉光脉冲对应的三路具有不同初始相位的数字信号V₁、V₂和V₃用公式表示为：

式(2)、(3)和(4)中，A表示干涉光脉冲信号的直流分量，B表示干涉光脉冲信号的交流分量振幅，

表示传感光纤所传感的待测相位，

表示光纤干涉仪初始相位，τ＝2nl/c表示非平衡光纤干涉仪信号臂和参考臂之间的时延，

表示相邻光脉冲之间相位差。

本实施例中，首先通过控制声光调制器的载波频率和幅度开关，获取一组由三个不同频率光脉冲组成的光脉冲序列，其中，相邻光脉冲之间的时间间隔为T，相邻光脉冲之间的频率差为Δν；然后利用非平衡光纤干涉仪将光脉冲序列中的三个光脉冲的频率差转换为对应干涉光脉冲的相位差

最后经光电转换器转化为对应的电信号，再以固定采样频率f_sp＝1/T进行数字采样获取三个干涉光脉冲对应的数字信号V₁、V₂和V₃，实现了光纤干涉仪多相检测的初始相位调制。

本实施例中，所述光脉冲序列以3T时间周期进行重复。其中，所述非平衡光纤干涉仪的两个干涉臂为信号臂和参考臂，信号臂光纤受外界被测信号调制，产生被测相位信号。对于所述光脉冲序列经过非平衡光纤干涉仪干涉后，其输出的三个干涉光脉冲经光电转换器转换后，得到三个干涉光脉冲所对应的三组数字信号V₁、V₂和V₃，即：

将三个光脉冲的频率ν₁＝ν₀+ν_m，ν₂＝ν₀+ν_m+Δν和ν₃＝ν₀+ν_m+2Δν代入式中，即可得到：

式(2)、(3)和(4)中，

由此可见，V₁、V₂、V₃三路信号具有不同的初始相位，因此，通过选择合适的Δν和非平衡光纤干涉仪的臂差l值，即可控制相邻光脉冲之间相位差

的大小，进而获得干涉多相检测信号，实现光纤干涉仪的初相位调制。

本实施例中，以典型值

和

为例，进而通过选择合适的Δν和l值进行说明。

(一)当

时

选择合适的Δν和l值，根据式(1)可得：

将式(8)代入式(2)、(3)和(4)中可得：

从式(9)、(10)和(11)中可以看出，通过声光调制器产生不同频率的光脉冲，对光纤干涉仪多相检测的初相位进行调制能够得到与采用3x3耦合器方法相同的多相检测信号，三路检测信号之间的相位差为120°，利用数字信号处理机可消除相位衰落的影响，进而获得稳定的被测相位信号输出。

(二)当

时

选择合适的Δν和l值，根据式(1)可得

将式(12)代入式(2)、(3)和(4)中可得：

从式(13)、(14)和(15)中可以看出，通过声光调制器产生不同频率的光脉冲，对光纤干涉仪多相检测的初相位进行调制能够得到与采用3x3耦合器方法相同的多相检测信号，三路检测信号之间的相位差为90°，利用数字信号处理机可消除相位衰落的影响，进而获得稳定的被测相位信号输出。

因此，本发明中所述光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法结合时分复用和光频调制技术，仅采用一路声光调制器和一路光电转换元件，即可产生具有一定频率差的光脉冲序列，然后通过结合非平衡光纤干涉仪将频率差转化为相位差，获得了多路具有不同初始相位的干涉信号，从而实现了光纤干涉仪多相检测的初始相位调制，可大大减小硬件系统开销，有效降低了系统硬件的复杂性和成本，同时由于多相检测方法的工作频带只受限于数字系统采样率，具有较大的动态范围，因此，该调制装置还适用于有大动态范围应用需求的干涉型光纤传感器系统。

如图3所示，用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制装置，采用上述所述的光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法进行相位检测，包括激光器1、声光调制器2、非平衡光纤干涉仪3和光电转换器4，其中：

激光器1，用于输出光波，并将输出的光波输入声光调制器2中；

声光调制器2，用于调制输入光波的频率以产生一组由不同频率的三个光脉冲组成的光脉冲序列，并将产生的光脉冲序列输入非平衡光纤干涉仪3中；

非平衡光纤干涉仪3，用于将输入的光脉冲序列进行干涉以生成对应的干涉光脉冲，并将所产生的干涉光脉冲输入光电转换器4中；

光电转换器4，用于将输入的干涉光脉冲进行光电转换，并以固定采样频率进行数字采样以得到对应的数字信号，进而实现光纤干涉仪多相检测的初相位调制。

其中，所述激光器1为窄线宽激光器，如光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。

所述声光调制器2的调制频率分别控制为ν_m、v_m+Δν和v_m+2Δν，进而声光调制器2输出的间隔时间为T的三个光脉冲频率分别为ν₁＝ν₀+ν_m，ν₂＝ν₀+ν_m+Δν和ν₃＝ν₀+ν_m+2Δν。

所述非平衡光纤干涉仪3选用迈克尔逊光纤干涉仪，非平衡光纤干涉仪3的信号臂和参考臂之间具有一定的臂差l；由于非平衡光纤干涉仪3将声光调制器2输出的三个光脉冲的频率差转换为相位差，因此非平衡光纤干涉仪3输出的对应三个干涉光脉冲具有不同的初始相位，分别为

表示一组光脉冲序列经过非平衡光纤干涉仪干涉后输出的第一个干涉光脉冲的初始相位

其中，所述光电转换器4为光电信号转换装置，用于将非平衡干涉光纤仪3输出的干涉光脉冲信号转换为对应的电信号，并通过固定采样频率对电信号进行数字采样，得到对应的采数字信号，其包括光电探测器、前置放大器和模数转换器。

本实施例中，所述激光器1输出的光波经光纤输入声光调制器2的输入端口，在声光调制器2内经脉冲强度调制和频率调制后产生一组由频率分别为ν₁、ν₂和ν₃的三个光脉冲组成的光脉冲序列，并由声光调制器2的输出端口输出，声光调制器2的输出端口通过光纤与非平衡光纤干涉仪3的输入端口连接，所述光脉冲序列从非平衡光纤干涉仪3的输入端口输入并在非平衡光纤干涉仪3内形成干涉，产生对应的三个干涉光脉冲并从非平衡光纤干涉仪3的输出端口输出，非平衡光纤干涉仪3的输出端口通过光纤与光电转换器4的输入端口连接，干涉光脉冲从光电转换器4的输入端口输入，在光电转换器4内进行光电转换后并以固定采样频率进行数字采样形成对应的数字信号，实现了光纤干涉仪多相检测的初始相位调制。对于完成初相位调制的数字信号，还可以从光电转换器4的输出端口输出至外部信号处理机的输入端口连并进行相应算法解调，进而可获得对应被测相位信息输出，得到多路具有不同初始相位的干涉信号，大大减小硬件系统开销，有效降低了系统硬件的复杂性和成本。同时由于初相位调制方法的工作频带只受限于数字系统采样率，具有较大的动态范围，因此，该调制装置还适用于有大动态范围应用需求的干涉型光纤传感器系统。

以上对本发明所提供的用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法及调制装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、通过声光调制器对激光器输出的光波进行强度调制和频率调制，进而生成一组由频率分别为ν₁、ν₂和ν₃的三个光脉冲组成的光脉冲序列，且相邻光脉冲之间的时间间隔设置为T；

S2、将步骤S1中所生成的光脉冲序列输入非平衡光纤干涉仪中以获得对应三个干涉光脉冲；

S3、将所述三个干涉光脉冲输入光电转换器中并转化为对应的电信号，然后以固定采样频率f_sp进行数字采样，进而得到三个干涉光脉冲对应的三路具有不同初始相位的数字信号V₁、V₂和V₃，实现了光纤干涉仪多相检测的初相位调制。

2.如权利要求1所述的光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法，其特征在于，所述步骤S1具体实现方式为：

S11、将激光器输出的光波输入声光调制器中；

S12、通过控制声光调制器的载波频率和幅度以使声光调制器输出一组由频率分别为ν₁、ν₂和ν₃的三个光脉冲组成的光脉冲序列，其中，相邻光脉冲之间的时间间隔为T,三个光脉冲的频率分别为ν₁＝ν₀+ν_m，ν₂＝ν₀+ν_m+Δν和ν₃＝ν₀+ν_m+2Δν，其中ν₀表示激光器输出光波的频率，ν_m、v_m+Δν和v_m+2Δν分别表示声光调制器的调制频率,Δν表示声光调制器的载波频率差。

3.如权利要求2所述的光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法，其特征在于，所述步骤S2中的非平衡光纤干涉仪用于将输入的光脉冲之间的频率差转换为对应干涉光脉冲之间的相位差，其中，相邻干涉光脉冲之间的相位差用公式表示为：

式(1)中，

表示相邻光脉冲之间相位差，l表示非平衡光纤干涉仪的信号臂和参考臂之间的臂差，n表示光纤纤芯的折射率，c表示真空中的光速。

4.如权利要求3所述的光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法，其特征在于，所述固定采样频率为f_sp＝1/T。

5.如权利要求4所述的光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法，其特征在于，所述步骤S3中三个干涉光脉冲对应的三路具有不同初始相位的数字信号V₁、V₂和V₃用公式表示为：

式(2)、(3)和(4)中，A表示干涉光脉冲信号的直流分量，B表示干涉光脉冲信号的交流分量振幅，

表示传感光纤所传感的待测相位，

表示光纤干涉仪初始相位，τ＝2nl/c表示非平衡光纤干涉仪信号臂和参考臂之间的时延。

6.用于光纤干涉仪多相检测的初相位调制装置，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的光纤干涉仪多相检测的初相位调制方法进行相位调制，包括激光器、声光调制器、非平衡光纤干涉仪和光电转换器，其中：

激光器，用于输出光波，并将输出光波输入声光调制器中；

声光调制器，用于调制输入光波的频率以产生一组由不同频率的三个光脉冲组成的光脉冲序列，并将产生的光脉冲序列输入非平衡光纤干涉仪中；

非平衡光纤干涉仪，用于将输入的光脉冲序列进行干涉以生成对应的干涉光脉冲，并将产生的干涉光脉冲输入光电转换器中；

光电转换器，用于将输入的干涉光脉冲进行光电转换，并以固定采样频率进行数字采样以得到对应的数字信号，进而实现光纤干涉仪多相检测的初相位调制。

7.如权利要求6所述的光纤干涉仪多相检测的初相位调制装置，其特征在于，所述激光器为窄线宽激光器。

8.如权利要求7所述的光纤干涉仪多相检测的初相位调制装置，其特征在于，所述光电转换器为光电信号转换装置，其包括光电探测器、前置放大器和模数转换器。

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