CN115031824A - 低噪声白光pmdi信号检测与复用系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统和方法，采用成熟的PGC调制解调方法，在保证路径匹配干涉仪具有较好的路径匹配能力的前提下，实现了较高频率的PGC调制解调，光路中引入光纤布拉格光栅获得窄带相干干涉信号以检测出匹配干涉仪的干扰信号，实现对长臂路径匹配干涉仪引入噪声和干扰的抵消，显著降低了传感干涉仪的噪声水平，尤其是低频段的噪声水平，破解路径匹配干涉仪易受外界影响导致解调噪声增加的问题，该方法还同时具备微臂差干涉型传感器的时分复用能力，实现了可复用、易匹配、低噪声的白光路径匹配差分干涉动态信号调制与解调。

Description

低噪声白光PMDI信号检测与复用系统和方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及采用白光路径匹配差分干涉法进行信号检测的微臂差光纤传感器阵列，具体是一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统和方法。

背景技术

微臂差光纤传感器具有体积小、受外界干扰小、传感能力强的优势，典型的如光纤非本征法布里-珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI)传感器，可用于传感声压、振动、压力、温度、应力、应变、位移、湿度、折射率等。随着微加工和光电检测技术的进步，微臂差传感器在低频段明显的噪声优势尤其适合对声音和振动进行检测。

当微臂差光纤传感器用于声音和振动等动态信号检测时，白光路径匹配差分干涉法(White Light Path-Matched Differential Interferometer)是一种很有前景的检测方法，具有检测精度高、工作频带宽的优势。对已有研究的总结发现，多数的路径匹配干涉仪采用PZT驱动的F-P腔，具有调节腔长和施加调制的优势，且由于体积较小，受外界干扰较小，但为了保证路径匹配干涉仪自身的相干度，F-P腔的调节范围非常有限，难以适应各种臂差的传感干涉仪的需要；少部分的路径匹配干涉仪采用空间光或光纤迈克尔逊干涉仪，可以在其中干涉臂上设计相位调制器和光程调节器，具有调制能力强、光程匹配范围广的优势，但由于体积较大，极易受到外界噪声的影响。现有的微臂差干涉型传感器信号检测方法难以同时兼顾大的臂差适配性和较低的低频噪声。因此，有必要发展一种兼顾上述两种特性的信号检测方法，为提高微臂差干涉型光纤传感器及阵列的动态信号拾取能力奠定基础。

发明内容

针对上述现有技术中微臂差干涉型光纤传感器及阵列应用中面临的低频噪声大、工作频带受限、光程匹配通用性差等问题，本发明提供一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统和方法，其引入FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)作为高相干路径匹配干涉仪光路参考，采用成熟的PGC调制解调方法，旨在保持路径匹配干涉仪路径匹配能力和相位调制能力的前提下，破解路径匹配干涉仪易受外界影响导致解调噪声增加的问题，同时还可实现微臂差干涉型传感器的时分复用，实现可复用、易匹配的白光路径匹配差分干涉动态信号调制与解调。

为实现上述目的，本发明提供一种低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，包括如下步骤：

S1、对宽谱光源输出的宽谱光进行斩波处理，使其变为系列宽谱脉冲串；

S2、对宽谱光或系列宽谱光脉冲串进行路径匹配干涉，为宽谱光或系列宽谱脉冲串施加相位调制；

S3、将系列宽谱脉冲串经第一光纤分束器分束为宽谱的第一系列脉冲与第二系列脉冲，并进行如下处理：

将第一系列脉冲输至光纤布拉格光栅，经光纤布拉格光栅反射后变成具有路径匹配干涉仪相移信息的窄谱相干脉冲串后返回；

将第二系列脉冲输至传感干涉仪复用链路，使第二系列脉冲在传感干涉仪复用链路发生路径匹配差分干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息与传感干涉仪相移信息的宽谱路径匹配差分干涉脉冲串，并实现脉冲信号的时分复用或时分波分混合复用，且所述窄谱相干脉冲串与所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串在时间上不重叠；

S4、对所述窄谱相干脉冲串与所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串进行解调，并将所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串的解调信号与所述窄谱相干脉冲串的解调信号相减，得到降低噪声的白光路径匹配差分干涉信号检测结果；

其中，在保持S1操作在S3操作之前的前提下，S1、S2与S3的操作时序可任意组合。

在其中一个实施例，步骤S1中，所述宽谱光源的谱宽满足：

式中，Δλ_s为宽谱光源的谱宽，λ_s为宽谱光源的中心波长，δL为路径匹配干涉仪光程差与传感干涉仪光程差的差值，ΔL_MI为路径匹配干涉仪的光程差，ΔL_SI为传感干涉仪的光程差。

在其中一个实施例，步骤S1中，所述系列宽谱脉冲串的脉冲宽度为1/(2N_TN_mf_m)，重复频率为N_TN_mf_m，其中，N_T为传感干涉仪复用链路的时分复用重数，N_m为调制采样倍数，f_m为相位调制的调制频率。

在其中一个实施例，步骤S3中，所述光纤布拉格光栅具有高反射率，其中心波长λ₀与所述宽谱光源中心波长λ_s相同，其带宽Δλ满足

其中，ΔL_MI为路径匹配干涉仪的光程差，ΔL_SI为传感干涉仪的光程差。

在其中一个实施例，步骤S3中，所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路，或为波分复用和时分复用的混合复用链路；

当所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路时，所述传感干涉仪复用链路由若干光纤延迟线、第二光纤分束器与传感干涉仪组成；

当所述传感干涉仪复用链路为波分复用和时分复用的混合复用链路时，外层为波分复用链路，内层为时分复用链路，每个波分链路由粗波分复用器与时分复用链路组成，所述时分复用链路由若干光纤延迟线、第二光纤分束器与传感干涉仪组成。

在其中一个实施例，所述传感干涉仪复用链路中的各传感干涉仪光程差的最大绝对差异不大于

以使得各传感干涉仪的光程差应尽可能一致，其中，λ_s为宽谱光源的中心波长。

在其中一个实施例，所述传感干涉仪复用链路中的各光纤延迟线的长度为c/(4nN_TN_mf_m)，其中，n为光纤的折射率，N_T为传感干涉仪复用链路的时分复用重数，N_m为调制采样倍数，f_m为相位调制的调制频率。

在其中一个实施例，当所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路时，所述第一光纤分束器与各第二光纤分束器的分束比确定过程为：

若所述传感干涉仪复用链路的时分复用重数为N_T，则第二光纤分束器、传感干涉仪的数量为N_T-1，按时间脉冲的顺序，从光纤布拉格光栅到第N_T-1个传感干涉仪，反射的脉冲最大强度为：

式中，I_FBG为光纤布拉格光栅的反射脉冲光强，α_m1为路径匹配干涉仪的附加损耗，α₀为第一光纤分束器的分光比，R_FBG为光纤布拉格光栅的宽带反射率，E_s(λ₀)为宽谱光源在λ₀处电场强度，Δλ为光纤布拉格光栅的带宽，V_MI为光纤布拉格光栅干涉条纹的可见度；

分别为第1～N_T-1个传感干涉仪的反射脉冲光强，

分别为第1～N_T-1个第二光纤分束器的分光比，

分别为第1～N_T-1个传感干涉仪的插入损耗，

分别为第1～N_T-1个白光路径匹配差分干涉条纹可见度，Δλ_s为宽谱光源的谱宽，

为光源在波长域上的平均光强密度；

设路径匹配干涉仪和传感干涉仪的可见度均为1，且路径匹配干涉仪与传感干涉仪均实现路径匹配，则各路径匹配差分干涉条纹的可见度均应为0.5，忽略相同损耗项，可将反射的脉冲最大强度简化为：

实际的光路中，使用的光纤布拉格光栅和传感干涉仪是确定的，可通过测量光纤布拉格光栅的反射谱得到R_FBG，也可采用测量插入损耗的方法，利用宽谱光源直接测量得到光纤布拉格光栅的宽带插入损耗

和各传感干涉仪的插入损耗

因此，令所有反射脉冲光强相等，即

可由N_T-1个方程求解得到第一光纤分束器α₀以及各第二光纤分束器的分光比

在其中一个实施例，当所述传感干涉仪复用链路为波分复用和时分复用的混合复用链路时，由于每个波分模块下搭接的时分光路所采用的宽谱光为粗波分复用器分出的宽谱光源的部分光谱，因此对于在对第j个波分复用下的时分复用模块中各第二光纤分束器的分束比进行计算时，对应的光谱中心波长和光谱宽度均应按波分出的部分光谱计算，所述第一光纤分束器、各第二光纤分束器的分束比以及粗波分复用器的pass端的光谱宽度确定过程为：

若所述时分复用链路的时分复用重数为N_T，则所述时分复用链路中第二光纤分束器、传感干涉仪的数量为N_T-1；

设路径匹配干涉仪和传感干涉仪的可见度均为1，且路径匹配干涉仪与传感干涉仪均实现路径匹配，则各路径匹配差分干涉条纹的可见度均应为0.5，忽略相同损耗项；得到按时间脉冲的顺序，从光纤布拉格光栅到第j个波分模块下第N_T-1个传感干涉仪反射的脉冲最大强度为：

式中，I_FBG为光纤布拉格光栅的反射脉冲光强，α₀为第一光纤分束器的分光比，R_FBG为光纤布拉格光栅的宽带反射率，E_s(λ₀)为宽谱光源在λ₀处电场强度，Δλ为光纤布拉格光栅的带宽；

分别为第j个波分模块下第1～N_T-1个传感干涉仪的反射脉冲光强，

分别为第j个波分模块下第1～N_T-1个第二光纤分束器的分光比，

分别为第j个波分模块下第1～N_T-1个传感干涉仪的插入损耗，

为第j个波分复用模块的附加损耗，λ_j第j个波分复用模块粗波分复用器pass端的中心波长，Δλ_j为第j个波分复用模块粗波分复用器pass端的中心波长，

为第j个粗波分复用器在其中心频率λ_j处的电场强度，其中，第j个粗波分复用器的pass端的光谱宽度应满足：

令所有反射脉冲光强相等，即

可由N_T-1个方程求解得到第一光纤分束器α₀以及第j个波分模块下各第二光纤分束器的分光比

为实现上述目的，本发明还提供一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统，采用上述的方法进行低噪声白光PMDI信号检测与复用，所述系统包括：

宽谱光源，用于输出宽谱光；

光路斩波单元，用于将宽谱光斩波为系列宽谱脉冲串；

路径匹配干涉仪，为具有相位调制器和可调光纤延迟线的迈克尔逊干涉仪，用于为宽谱光或系列宽谱脉冲串施加相位调制；

第一光纤分束器，用于将宽谱光或系列宽谱脉冲串分束为宽谱的第一宽谱光或第一系列脉冲与第二宽谱光或第二系列脉冲；

光纤布拉格光栅，用于对第一系列脉冲进行干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息的窄谱相干脉冲串；

传感干涉仪复用链路，用于对第二系列脉冲进行路径匹配差分干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息与传感干涉仪相移信息的宽谱路径匹配差分干涉脉冲串，并实现脉冲信号的时分复用或时分波分混合复用；

信号处理单元，用于对所述窄谱相干脉冲串、所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串解调，并将所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串的解调信号与所述窄谱相干脉冲串的解调信号相减，得到降低噪声的白光路径匹配差分干涉信号检测结果。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

1、采用了可调光纤延迟线和相位调制器制作路径匹配干涉仪，在保证路径匹配干涉仪具有较好的路径匹配能力的前提下，实现了较高频率的PGC调制解调；

2、引入了光纤布拉格光栅获得窄带相干干涉信号以检测出匹配干涉仪的干扰信号，可以实现对长臂路径匹配干涉仪引入噪声和干扰的抵消，降低了传感干涉仪的噪声水平，尤其是低频段的噪声水平；

3、由于采用了斩波分光的方法，不仅可将FBG与传感干涉仪光路在时间上区分开，还同时可以实现更多传感干涉仪的复用；

4、可适用于对单个传感器的解调，也可以在不改变光路结构的前提下实现对多个传感器的时分复用解调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中的光路结构示意图；

图2为本发明实施例2中的光路结构示意图；

图3为本发明实施例2中传感干涉仪复用链路的光路结构图。

附图标号：

宽谱光源1、光路斩波单元2、路径匹配干涉仪3、光纤耦合器301、相位调制器302、电动可调光纤延迟线303、法拉第镜304、环形器4、第一光纤分束器5、光纤布拉格光栅6、传感干涉仪复用链路7、光纤延迟线701、第二光纤分束器702、传感干涉仪703、解波分复用器704、光电探测器8、控制与信号处理模块9、光纤合束器10。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明公开了一种低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其包括如下步骤：

S1、对宽谱光源输出的宽激光进行斩波处理，使得变为系列宽频脉冲串；

S2、对宽谱光或系列宽谱光脉冲串进行路径匹配干涉，为宽谱光或系列宽谱光脉冲串施加相位调制；

S3、将系列宽谱脉冲串经第一光纤分束器分束为宽谱的第一系列脉冲与第二系列脉冲，并进行如下处理：

将第一系列脉冲输至光纤布拉格光栅，经光纤布拉格光栅反射后变成具有路径匹配干涉仪相移信息的窄谱相干脉冲串后返回；

将第二系列脉冲输至传感干涉仪复用链路，使第二系列脉冲在传感干涉仪复用链路发生路径匹配差分干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息与传感干涉仪相移信息的宽谱路径匹配差分干涉脉冲串，并实现脉冲信号的时分复用或时分波分混合复用，且所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串与所述窄谱相干脉冲串在时间上不重叠；

S4、对所述窄谱相干脉冲串与所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串进行解调，并将所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串的解调信号与所述窄谱相干脉冲串的解调信号相减，得到降低噪声的白光路径匹配差分干涉信号检测结果；

其中，在保持S1操作在S3操作之前的前提下，S1、S2与S3的操作时序可任意组合。

同时本发明还公开了一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统，以实现上述方法，该系统包括：

宽谱光源，用于输出宽谱光；

光路斩波单元，用于将宽谱光斩波为系列宽谱脉冲串；

路径匹配干涉仪，为具有相位调制器和可调光纤延迟线的迈克尔逊干涉仪，用于为宽谱光或系列宽谱脉冲串施加相位调制；

第一光纤分束器，用于将宽谱光或系列宽谱脉冲串分束为宽谱的第一宽谱光或第一系列脉冲与第二宽谱光或第二系列脉冲；

光纤布拉格光栅，用于对第一系列脉冲进行干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息的窄谱相干脉冲串；

传感干涉仪复用链路，用于对第二系列脉冲进行路径匹配差分干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息与传感干涉仪相移信息的宽谱路径匹配差分干涉脉冲串，并实现脉冲信号的时分复用或时分波分混合复用；

信号处理单元，用于对所述窄谱相干脉冲串、所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串解调，并将所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串的解调信号与所述窄谱相干脉冲串的解调信号相减，得到降低噪声的白光路径匹配差分干涉信号检测结果。

本发明以光纤布拉格光栅(FBG)的反射谱作参考，采用成熟的PGC调制解调方法，旨在保持路径匹配干涉仪路径匹配能力和相位调制能力的前提下，破解路径匹配干涉仪易受外界影响导致解调噪声增加的问题，同时还可实现微臂差干涉型传感器的时分复用，实现可复用、易匹配的白光路径匹配差分干涉动态信号调制与解调。

下面结合具体的实施例对本发明作出进一步的说明。

实施例1

参考图1，为本实施例公开的一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统，本实施例中的传感干涉仪复用链路为时分复用链路，该种实施方式下的光路结构上，先进行步骤S2的路径匹配干涉与相位调制，再进行步骤S3。

具体地，该实施例中的系统包括SLD宽谱光源1、SOA光路斩波单元2、路径匹配干涉仪3、光纤耦合器301、相位调制器302、电动可调光纤延迟线303、2个法拉第镜304、环形器4、第一光纤分束器5、光纤布拉格光栅6、光纤延迟线701、第二光纤分束器702、传感干涉仪703、光电探测器8、控制与信号处理模块9。其中，相位调制器302可选用晶体型的相位调制器如LiNbO₃相位调制器，也可选用压电陶瓷相位调制器，传感干涉仪703可选用EFPI传感器。

光纤耦合器301、相位调制器302、电动可调光纤延迟线303、2个法拉第镜304一起构成了路径匹配干涉仪3，该路径匹配干涉仪3兼具路径匹配、PGC相位调制和抗偏振衰落功能。多个光纤延迟线701、第二光纤分束器702、第二光纤分束器702共同构成了传感干涉仪复用光路，一般根据实际需要和性能要求确定时分复用重数，进而确定这三个器件的数量。除去虚线，本具体实施例图1展示了时分复用重数N_T为3的情况。

光电探测器8与控制与信号处理模块9共同构成了信号处理单元，光电探测器8探测到的信号经过信号处理模块9解时分处理后，采用PGC解调方法进行解调，各通道传感干涉仪解调结果直接减去FBG反射链路上路径匹配干涉仪的解调结果极为该通道传感干涉仪的信号输出。

本实施例中的系统实现低噪声白光PMDI信号检测与复用方法的过程以及原理具体如下：

从SLD宽谱光源1发出的宽谱光传输进入SOA光路斩波单元2，被斩波成一系列的宽谱脉冲后进入路径匹配干涉仪，宽谱光源的相干长度L_c可表示为：

式中，λ_s为光源中心波长，Δλ_s为光源谱宽。

白光路径匹配差分干涉技术要求宽谱光经过路径匹配干涉仪或传感干涉仪时都不会发生干涉现象，只有路径匹配差分干涉仪和传感干涉仪的光程差接近相同时，两个干涉仪级联便可获得白光干涉，即需要满足：

L_c＜＜max[ΔL_MI，ΔL_sI] (2)

式中，ΔL_MI为路径匹配干涉仪的光程差，ΔL_SI为传感干涉仪的光程差。

在本实施例中，路径匹配干涉仪经过预先设计，在实际制作的过程中，需要实时监测路径匹配干涉仪3的臂长，一般将电动可调光纤延迟线303的中间延迟位置处设置为路径匹配干涉仪3的零臂差点，以保证电动可调光纤延迟线(VODL)具有较宽的调节能力。需要说明的是，VODL的调节范围需要根据传感干涉仪的光程差、路径匹配干涉仪的慢漂范围来确定，其调节精度一般根据光谱宽度和慢漂范围和慢漂速度来确定。本实施例中，VODL的调节范围选择为200ps以上，调节精度选择为0.001ps。通过调节电动可调光纤延迟线的延迟长度，可以将路径匹配干涉仪与传感干涉仪的光程差进行匹配。

被SOA斩波后的宽谱脉冲随即进入路径匹配干涉仪3，宽谱脉冲通过路径匹配干涉仪3的光纤耦合器301后，被分成两路，其中一路经过了相位调制器302被施加了相位调制，本实施例中采用相位载波调制方式，对单臂LiNbO₃相位调制器施加正弦调制。两路宽谱脉冲经过法拉第旋转镜304后偏振态被旋转90度，返回到光纤耦合器301处依然保持与入射脉冲正好反相的偏振态，可避免偏振态各向异性宽谱光源的在干涉时产生的偏振诱导相位衰落问题。由于路径匹配干涉仪的光程差ΔL_MI大于ΔL_s，脉冲光经过路径匹配干涉仪后不能发生干涉。且路径匹配差分干涉仪的光程差很短，多为数十微米至数毫米，经过路径匹配差分干涉仪两臂的两束光脉冲在光纤耦合器301合束处基本完全重合。不考虑光路损耗的波长相关性，并忽略共光路损耗，经过光纤耦合器输出的某个光脉冲的光场E(t)可表示为：

式中，E_s(λ)为电场随波长的分布密度，a_m1、α_m2分别为路径匹配干涉仪两个臂上的附加损耗，l_m1、l_m2分别为两臂光程，δl_m1为相位调制器在施加调制的过程中产生的光程变化量，ω_m为施加的调制信号圆频率，j为虚数单位，c为光速，λ₁～λ₂表示光源光谱范围。实际使用时，一般通过控制熔接点、引入额外损耗的方式使得α_m1≈α_m2。

路径匹配干涉仪3输出的光脉冲在经过环形器4后到达第一光纤分束器5被分成两束宽谱脉冲光，分别为第一系列脉冲与第二系列脉冲。

对于第一系列脉冲：

第一系列脉冲先到达FBG，宽谱脉冲光经过FBG反射后变成窄谱脉冲光，由于FBG的带宽Δλ远小于光谱宽度，且由于l_m1和l_m2差异较小，该脉冲光可看作准单色光。忽略共光路损耗，并考虑路径匹配干涉仪的光程差会受到环境干扰和自身慢漂的影响发生随时间的变化，该脉冲光的光场E(t)可以表示为：

式中，α₀为第一光纤分束器5的分光比，E_s(λ₀)为宽谱光源在λ₀处电场强度，ΔL_MI(t)为路径匹配干涉仪光程差；

随后该脉冲再次经过第一光纤分束器5和环形器4传输至光电探测器8，进入光电探测器时，其强度I_FBG(t)可以表示为：

式中，R_FBG为FBG的宽带反射率，V_MI为FBG干涉条纹的可见度，C为调制深度；

该脉冲在光电探测器8被转化成电信号，然后经过数字化后进行数字信号处理，经过PGC解调流程后，可以得到PGC的相移信号φ_FBG，为：

式中，φ₀为干涉相移的初相移，即为路径匹配差分干涉仪所受到的外界干扰和自身慢漂信息。

对于第二系列脉冲：

从第一光纤分束器5分出的另外一束宽谱脉冲光(即第二系列脉冲)经过第1条光纤延迟线701后，被分成两束，一束进入第1个传感干涉仪703，另一束进入后续的时分链路。由于路径匹配干涉仪和传感干涉仪光程差基本相同，进入传感干涉仪的一部分光的光程得以路径匹配，匹配后的光程差远小于宽谱光的相干长度，发生差分干涉；

第1个传感干涉仪的路径匹配差分干涉脉冲经过第二光纤分束器、光纤延迟线、第一光纤分束器和环形器后进入光电探测器，此时该脉冲的光强

可近似表示为：

式中，α₁为第一个第二光纤分束器的分光比，

为第一个传感干涉仪703的插入损耗，

为光源在波长域上的平均光强密度，ΔL_SI1(t)为第1个传感干涉仪光程差，

为第1个白光路径匹配差分干涉条纹可见度，可表示为：

式中，

为第1个传感干涉仪的可见度，δL₁＝ΔL_MI-ΔL_SI1，为第1个传感干涉仪光程差和路径匹配干涉仪光程差的差值，即路径失配量；

如前所述，发生路径匹配差分干涉的条件是路径失配量远小于光源相干长度，即L_c>>δL₁。为了定量描述，一般取可见度下降至完全匹配时的1/e即为性能不可接受，此时对应的路径失配量δL₁为L_c/2π。实际使用时，路径匹配干涉仪和传感干涉仪的光程差都存在一定程度慢漂，一般情况下，路径匹配干涉仪的光程差慢漂远大于传感干涉仪的光程差慢漂。当光程差慢漂导致的路径失配量超差时，通过调节VODL使得光程重新匹配；当光程差慢漂导致的路径失配量在允许范围内时，为了防止频繁调节VODL带来的工作状态变化，提高有效获取数据的时间，一般选择不进行调节。基于上述光程调节逻辑，宽谱光源的光谱宽度范围为：

式中，δL为路径匹配干涉仪的光程差在某个时间段的慢漂范围。

由式(8)可以看出，路径匹配差分干涉条纹的相位项中同时包含了传感干涉仪的光程变化和路径匹配干涉仪中的光程变化。目前大多数的方法均不考虑路径匹配干涉仪引入干扰噪声问题，在实际应用中是不合适的。通过对第1个传感干涉仪的干涉条纹进行光电探测，在控制与信号处理模块中完成数字采样、解时分和PGC解调及后续信号处理，可以得到第1个传感干涉仪的相移信号

即：

式中，

为第1个传感干涉仪路径匹配差分干涉相移中的初相移。

对比式(10)和式(6)，可以直接将第1个路径匹配差分干涉信号的相移解调结果与FBG的解调结果相减，消除路径匹配差分干涉信号解调相移中的路径匹配干涉仪引入的干扰相移，得到“纯”的传感干涉仪传感信号

即：

FBG反射的光脉冲和所有传感器反射的光脉冲均是采用同一个光电探测器进行探测，为了保持各脉冲光的均衡性，避免出纤光强太弱或太强的光脉冲，需要将第一光纤分束器、第二光纤分束器的分束比控制在合适的数值上。对于时分复用重数为N_T的情况，该光路可复用N_T-1个传感干涉仪，按时间脉冲的顺序，从FBG到第N_T-1个传感干涉仪，各脉冲的最大强度为：

式中，I_FBG为光纤布拉格光栅的反射脉冲光强，E_s(λ₀)为宽谱光源在λ₀处电场强度；

分别为第1～N_T-1个传感干涉仪的反射脉冲光强，

分别为第1～N_T-1个第二光纤分束器的分光比，

分别为第1～N_T-1个传感干涉仪的插入损耗，

分别为第1～N_T-1个白光路径匹配差分干涉条纹可见度；

设路径匹配干涉仪和传感干涉仪的可见度均为1，且路径匹配干涉仪与传感干涉仪均实现路径匹配，则各路径匹配差分干涉条纹的可见度均应为0.5，忽略相同损耗项，可将反射的脉冲最大强度简化为：

实际的光路中，使用的FBG和传感干涉仪是确定的，可通过测量FBG的反射谱得到R_FBG，也可采用测量插入损耗的方法，利用本系统中的宽谱光源直接测量得到FBG的宽带插入损耗

和各传感干涉仪的插入损耗

因此，令所有反射脉冲光强相等，即

可由N_T-1个方程求解得到第一光纤分束器α₀以及各第二光纤分束器的分光比

可看出，光纤分束器的分光比与光源光谱、FBG光谱和传感干涉仪的反射率均相关。

为了保证时分复用的脉冲可以正确被采样且能够解调出传感的信号，各脉冲必须满足一定的关系。首先，对于PGC调制解调方案，为了能够正确解调出传感的信号，要求每个调制周期内必须采样5个点以上，本实施例中取8个点，即N_m＝8，此时对复用脉冲串中单个脉冲信号的采样率为N_mf_m，该采样率也为脉冲串的重复频率。当复用重数为N_T时，单个脉冲的重复频率为N_TN_mf_m。为了保证有效脉冲的长度，同时防止由于光纤延迟线长度误差导致采样偏移引入的采样错位，一般设置脉冲的占空比为50％，按此原则，脉冲的宽度为1/(2N_TN_mf_m)。本实施例中，时分复用的传感器工作于反射模式，其延迟线长度等效增加1倍，因此可以计算出光纤的延迟长度应为c/(4nN_TN_mf_m)。

在对式(12)的简化中，使用了光程完全匹配的假设。实际上各传感干涉仪由于在制作时其光程各不相同，因此所有传感干涉仪均与匹配干涉仪达到完全的路径匹配。当传感干涉仪之间的光程差的差异较大时，总有一部分传感干涉仪无法满足路径匹配或近似匹配的条件。因此，还有必要对接入光路中的传感干涉仪的光程差做出限制。同样采用1/e的误差限，可以得到各传感干涉仪光程差的差异应不大于

即光程差的绝对值差异不大于

实施例2

参考图2-3，为本实施例公开的一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统，本实施例中的传感干涉仪复用链路为波分复用和时分复用的混合复用链路，该种实施方式下的光路结构上，先进行步骤S3，再进行步骤S2的路径匹配干涉与相位调制。

具体地，该实施例中的系统包括ASE-EDFA宽谱光源1、SOA光路斩波单元2、路径匹配干涉仪3、光纤耦合器301、PZT相位调制器302、电动可调光纤延迟线303，2个法拉第镜304、2个环形器4、第一光纤分束器5、光纤合束器10、光纤布拉格光栅6、传感干涉仪复用链路7、光纤延迟线701、第二光纤分束器702、传感干涉仪703、解波分复用器704、光电探测器组8、控制与信号处理电路9。其中，光纤耦合器301、PZT相位调制器302、电动可调光纤延迟线303、2个法拉第镜304一起构成了路径匹配干涉仪3。

传感干涉仪复用链路7如图3所示，该复用链路为波分复用和时分复用的混合复用链路，外层为波分复用链路，内层为时分复用链路，每个波分链路由粗波分复用器704(CWDM)和时分复用链路组成，每个时分复用链路具体包括若干光纤延迟线701、若干第二光纤分束器702、若干EFPI传感器703。本具体实施例展示了同时进行时分复用和波分复用的情况。

该实施例下光路结构的工作原理与前相同，具体不再赘述。该具体实施例1的延迟线长度、脉冲重复频率、脉冲宽度等参数可采用与具体实施例1相同的计算方法。需要说明的是，由于每个波分模块下搭接的时分光路所采用的宽谱光为粗波分复用器分出的宽谱光源的部分光谱，因此对于在对第j各波分复用下的时分复用模块中各光纤分束器的分束比进行计算时，对应的光谱中心波长和光谱宽度均应按波分出的部分光谱计算，因此式须变为：

式中，

分别为第j个波分模块下第1～N_T-1个传感干涉仪的反射脉冲光强，

分别为第j个波分模块下第1～N_T-1个第二光纤分束器的分光比，

分别为第j个波分模块下第1～N_T-1个传感干涉仪的插入损耗,

为第j个波分复用模块的附加损耗，λ_j第j个波分复用模块粗波分复用器pass端的中心波长，Δλ_j为第j个波分复用模块粗波分复用器pass端的中心波长，

为第j个粗波分复用器在其中心频率λ_j处的电场强度，其中，第j个粗波分复用器的pass端的光谱宽度应满足：

令式(3)中所有光强相等，即

可由N_T-1个方程求解得到第一光纤分束器α₀以及第j个波分模块下各第二光纤分束器的分光比

由于波长不同，各波分复用光路检测出的传感干涉仪信号也对应发生了变化，FBG检测出的干涉相移和第j个波分复用模块下第i个时分复用传感干涉仪检测出的传感相移

分别为：

式中，

为初相移，

为光程差。为了消除路径匹配干涉仪引入的干扰和噪声，在进行直接相减前，需要消除不同波长带来的比例影子变化，统一换算到FBG中心波长，即为：

上式既消除了路径匹配干涉仪的扰动和噪声，也将复用链中所有传感器的相移在同一波长下进行表征，避免了测试误差。

需要注意的是，虽然上述2个实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。对于本专业领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型，如将FBG改为其它类型的窄带滤波器、将可调光延迟线换成具备相同功能的光纤拉伸器、在不改变基本结构和功能的情况下改变光路中器件的位置，如将相位调制器与可调光延迟线置于同一干涉臂、将光路斩波单元与匹配干涉仪互换位置等。

Claims (10)

1.一种低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对宽谱光源输出的宽谱光进行斩波处理，使其变为系列宽谱脉冲串；

S2、对宽谱光或系列宽谱光脉冲串进行路径匹配干涉，为宽谱光或系列宽谱脉冲串施加相位调制；

S3、将系列宽谱脉冲串经第一光纤分束器分束为宽谱的第一系列脉冲与第二系列脉冲，并进行如下处理：

将第一系列脉冲输至光纤布拉格光栅，经光纤布拉格光栅反射后变成具有路径匹配干涉仪相移信息的窄谱相干脉冲串后返回；

将第二系列脉冲输至传感干涉仪复用链路，使第二系列脉冲在传感干涉仪复用链路发生路径匹配差分干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息与传感干涉仪相移信息的宽谱路径匹配差分干涉脉冲串，并实现脉冲信号的时分复用或时分波分混合复用，且所述窄谱相干脉冲串与所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串在时间上不重叠；

S4、对所述窄谱相干脉冲串与所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串进行解调，并将所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串的解调信号与所述窄谱相干脉冲串的解调信号相减，得到降低噪声的白光路径匹配差分干涉信号检测结果；

其中，在保持S1操作在S3操作之前的前提下，S1、S2与S3的操作时序可任意组合。

2.根据权利要求1所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，步骤S1中，所述宽谱光源的谱宽满足：

式中，Δλ_s为宽谱光源的谱宽，λ_s为宽谱光源的中心波长，δL为路径匹配干涉仪光程差与传感干涉仪光程差的差值，ΔL_MI为路径匹配干涉仪的光程差，ΔL_SI为传感干涉仪的光程差。

3.根据权利要求1所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，步骤S1中，所述系列宽谱脉冲串的脉冲宽度为1/(2N_TN_mf_m)，重复频率为N_TN_mf_m，其中，N_T为传感干涉仪复用链路的时分复用重数，N_m为调制采样倍数，f_m为相位调制的调制频率。

4.根据权利要求1所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，步骤S3中，所述光纤布拉格光栅具有高反射率，其中心波长λ₀与所述宽谱光源中心波长λ_s相同，其带宽Δλ满足

其中，ΔL_MI为路径匹配干涉仪的光程差，ΔL_SI为传感干涉仪的光程差。

5.根据权利要求1至4任一项所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，步骤S3中，所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路，或为波分复用和时分复用的混合复用链路；

当所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路时，所述传感干涉仪复用链路由若干光纤延迟线、第二光纤分束器与传感干涉仪组成；

当所述传感干涉仪复用链路为波分复用和时分复用的混合复用链路时，外层为波分复用链路，内层为时分复用链路，每个波分链路由粗波分复用器与时分复用链路组成，所述时分复用链路由若干光纤延迟线、第二光纤分束器与传感干涉仪组成。

6.根据权利要求5所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，所述传感干涉仪复用链路中的各传感干涉仪光程差的最大绝对差异不大于

以使得各传感干涉仪的光程差应尽可能一致，其中，λ_s为宽谱光源的中心波长。

7.根据权利要求5所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，所述传感干涉仪复用链路中的各光纤延迟线的长度为c/(4nN_TN_mf_m)，其中，n为光纤的折射率，N_T为传感干涉仪复用链路的时分复用重数，N_m为调制采样倍数，f_m为相位调制的调制频率。

8.根据权利要求5所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，当所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路时，所述第一光纤分束器与各第二光纤分束器的分束比确定过程为：

若所述传感干涉仪复用链路的时分复用重数为N_T，则第二光纤分束器、传感干涉仪的数量为N_T-1，按时间脉冲的顺序，从光纤布拉格光栅到第N_T-1个传感干涉仪，反射的脉冲最大强度为：

式中，I_FBG为光纤布拉格光栅的反射脉冲光强，α_m1为路径匹配干涉仪的附加损耗，α₀为第一光纤分束器的分光比，R_FBG为光纤布拉格光栅的宽带反射率，E_s(λ₀)为宽谱光源在λ₀处电场强度，Δλ为光纤布拉格光栅的带宽，V_MI为光纤布拉格光栅干涉条纹的可见度；

分别为第1～N_T-1个传感干涉仪的反射脉冲光强，

分别为第1～N_T-1个第二光纤分束器的分光比，

分别为第1～N_T-1个传感干涉仪的插入损耗，

分别为第1～N_T-1个白光路径匹配差分干涉条纹可见度，Δλ_s为宽谱光源的谱宽，

为光源在波长域上的平均光强密度；

设路径匹配干涉仪和传感干涉仪的可见度均为1，且路径匹配干涉仪与传感干涉仪均实现路径匹配，则各路径匹配差分干涉条纹的可见度均应为0.5，忽略相同损耗项，可将反射的脉冲最大强度简化为：

实际的光路中，使用的光纤布拉格光栅和传感干涉仪是确定的，可通过测量光纤布拉格光栅的反射谱得到R_FBG，也可采用测量插入损耗的方法，利用宽谱光源直接测量得到光纤布拉格光栅的宽带插入损耗

和各传感干涉仪的插入损耗

因此，令所有反射脉冲光强相等，即

可由N_T-1个方程求解得到第一光纤分束器α₀以及各第二光纤分束器的分光比

9.根据权利要求5所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，当所述传感干涉仪复用链路为波分复用和时分复用的混合复用链路时，由于每个波分模块下搭接的时分光路所采用的宽谱光为粗波分复用器分出的宽谱光源的部分光谱，因此对于在对第j个波分复用下的时分复用模块中各第二光纤分束器的分束比进行计算时，对应的光谱中心波长和光谱宽度均应按波分出的部分光谱计算，所述第一光纤分束器、各第二光纤分束器的分束比以及粗波分复用器的pass端的光谱宽度确定过程为：

若所述时分复用链路的时分复用重数为N_T，则所述时分复用链路中第二光纤分束器、传感干涉仪的数量为N_T-1；

设路径匹配干涉仪和传感干涉仪的可见度均为1，且路径匹配干涉仪与传感干涉仪均实现路径匹配，则各路径匹配差分干涉条纹的可见度均应为0.5，忽略相同损耗项；得到按时间脉冲的顺序，从光纤布拉格光栅到第j个波分模块下第N_T-1个传感干涉仪反射的脉冲最大强度为：

式中，I_FBG为光纤布拉格光栅的反射脉冲光强，α₀为第一光纤分束器的分光比，R_FBG为光纤布拉格光栅的宽带反射率，E_s(λ₀)为宽谱光源在λ₀处电场强度，Δλ为光纤布拉格光栅的带宽；

分别为第j个波分模块下第1～N_T-1个传感干涉仪的反射脉冲光强，

分别为第j个波分模块下第1～N_T-1个第二光纤分束器的分光比，

分别为第j个波分模块下第1～N_T-1个传感干涉仪的插入损耗,

为第j个波分复用模块的附加损耗，λ_j第j个波分复用模块粗波分复用器pass端的中心波长，Δλ_j为第j个波分复用模块粗波分复用器pass端的中心波长，

为第j个粗波分复用器在其中心频率λ_j处的电场强度，其中，第j个粗波分复用器的pass端的光谱宽度应满足：

令所有反射脉冲光强相等，即

可由N_T-1个方程求解得到第一光纤分束器α₀以及第j个波分模块下各第二光纤分束器的分光比

10.一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的方法进行低噪声白光PMDI信号检测与复用，所述系统包括：

宽谱光源，用于输出宽谱光；

光路斩波单元，用于将宽谱光斩波为系列宽谱脉冲串；

路径匹配干涉仪，为具有相位调制器和可调光纤延迟线的迈克尔逊干涉仪，用于为宽谱光或系列宽谱脉冲串施加相位调制；

第一光纤分束器，用于将宽谱光或系列宽谱脉冲串分束为宽谱的第一宽谱光或第一系列脉冲与第二宽谱光或第二系列脉冲；

光纤布拉格光栅，用于对第一系列脉冲进行干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息的窄谱相干脉冲串；

传感干涉仪复用链路，用于对第二系列脉冲进行路径匹配差分干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息与传感干涉仪相移信息的宽谱路径匹配差分干涉脉冲串，并实现脉冲信号的时分复用或时分波分混合复用；

信号处理单元，用于对所述窄谱相干脉冲串、所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串解调，并将所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串的解调信号与所述窄谱相干脉冲串的解调信号相减，得到降低噪声的白光路径匹配差分干涉信号检测结果。

Images