CN116295551A - 基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法、系统及介质，方法包括以下步骤：1)扫频光源输出光信号，矢量网络分析仪产生微波；2)环形器将光信号传输至法珀传感器，法珀传感器产生干涉光谱，环形器将干涉光谱输出至电光调制器；3)所述电光调制器接收干涉光谱和微波，并对其进行强度调制，得到调制后的光信号；4)调制后的光信号传输到光电探测器，光电探测器将光信号转换成电信号输入矢量网络分析仪；5)矢量网络分析仪对采集到的信号进行处理，计算得到法珀腔长L。系统包括：扫频光源、法珀传感器、环形器、矢量网络分析仪、电光调制器和光电探测器；本发明大大提高了法珀解调系统的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体是基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法、系统及介质。
背景技术
温度、应力和压力等参数是一些大型机械测试和应用分析中的重要参数，对这些参数的准确测量在航空、国防、工业等诸多领域具有至关重要的作用。如航空发动机研制中，需对进气道、级间等部位的气流温度和压力进行测试；在导弹燃气射流、弹药爆炸、枪炮管内外壁等武器研究中，也都涉及温度和应力测试。这些场合具有温度高、温变范围大且测量环境恶劣、难以重复等特点，对测量要求极高，难度极大。目前普遍采用的电类测试方法，如热电偶和热丝等测温方式、电阻应变片等测应变方式、压电等测压方式，在抗干扰、探针体积等方面，均存在不足，难以满足恶劣条件且高精度的测量需求。而光纤传感技术则具有抗干扰、体积小、高精度、高可靠性等优势，可适应一些恶劣环境条件下温度测量的需求。其中，光纤法珀测温技术在常规测量温度、应力和压力场合已有大量应用，但现有的应用中，其测量系统本身结构灵敏度一般，必须进行针对性改进，才能满足上述特种应用环境的高精度测试需求。
经典的基于宽带光源和光谱仪的法珀测温系统，如图1所示，宽带光源发出时间上连续的光信号，经过环形器后到达法珀传感器。法珀传感器完成对待测物理量的传感后，携带测量信息的光信号返回并被光谱仪采集。这个系统能够获得法珀传感器在一定波段内的全部光谱信息，所以解调精度很高。但光谱仪的价格昂贵，增加了系统成本。同时光谱仪的速度很慢，限制的系统传感解调速率。
另一种常用的是基于扫频光源的法珀解调系统，如图2所示，扫频光源按照时间顺序发出不同光频率的信号，经过环形器后到达法珀传感器。法珀传感器完成对待测物理量的传感后，携带测量信息的光信号返回并被光电探测器转换成电信号。电信号再被数据处理模块采集。这个系统也能够获得法珀传感器在一定波段内的全部光谱信息，解调精度很高。相比于基于宽带光源和光谱仪的解调系统，基于扫频光源的解调系统在解调精度高的同时大大提升了解调速率。以上通用的法珀解调系统的不足在于受限于光纤传感原理，传感灵敏度具有一定上限。
发明内容
本发明的目的是针对灵敏度不高的现有法珀解调系统，提出一种基于扫频光源和微波光子的法珀解调系统。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，包括以下步骤：
1)扫频光源输出光信号，矢量网络分析仪产生微波。
2)环形器将扫频光源输出的光信号传输至法珀传感器。
法珀传感器接收光信号后产生干涉光谱，并将干涉光谱通过环形器输出至电光调制器。
3)所述电光调制器接收环形器输出的干涉光谱和矢量网络分析仪产生的微波，并对干涉光谱和微波进行强度调制，得到调制后的光信号。
4)电光调制器将调制后的光信号传输到光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转换成电信号，并输入矢量网络分析仪。
5)所述矢量网络分析仪对采集到的信号进行处理，计算得到法珀腔长L。
进一步，所述扫频光源按照时间顺序输出不同光频率的光信号。所述扫频光源输出的光信号如下所示：
u[t]＝u1+kt,t∈[t1,t2,…,tN] (1)
式中，t是时刻，u[t]是t时刻的光频，u1是初始光频，N是扫频光源一个周期内的输出光信号数量。
扫频光源的光频输出斜率k如下所示：
式中，utN为tN时刻的光频，ut1为t1时刻的光频。
进一步，所述法珀传感器在光频域产生的干涉信号I1(u)如下所示：
式中，u是光频，L是法珀腔长，c是真空中的光速。
所述法珀传感器在时域产生的干涉信号I2(t)如下所示：
式中，t是时刻，u1是初始光频，k是扫频光源的光频输出斜率。
进一步，所述法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP如下所示：
进一步，所述电光调制器的传递函数HEOM(Ω)如下所示：
HEOM(Ω)＝1+Mcos(Ωt)＝1+M1e-jΩt+M2ejΩt(6)
式中，t是时刻，Ω为t时刻的微波频率，M、M1、M2均为调制深度。
进一步，所述光电探测器接收到的光信号I3(Ω)如下所示：
式中，t是时刻，N是扫频光源一个周期内的输出光信号数量，Ω为t时刻的微波频率，I2(t)是法珀传感器在时域产生的干涉信号，
HEOM(Ω)是电光调制器的传递函数。
进一步，当法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP和微波频率Ω相等时，光电探测器接收到的光信号I3(Ω)达到最大。
进一步，步骤5)中，所述矢量网络分析仪对采集到的信号进行处理，当法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP和微波频率Ω相等时，利用公式(8)计算得到法珀腔长L。
法珀腔长L如下所示：
式中，c是真空中的光速，k是扫频光源的光频输出斜率。
一种应用于上述基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法的法珀解调系统，包括：扫频光源、法珀传感器、环形器、矢量网络分析仪、电光调制器和光电探测器。
所述扫频光源用于输出光信号。
所述法珀传感器用于产生干涉光谱。
所述环形器用于单向传输信号。
所述矢量网络分析仪用于产生微波，并对采集到的信号进行分析。
所述电光调制器对干涉光谱和微波进行强度调制。
所述光电探测器将接收到的光信号转换成电信号。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出了一种基于扫频光源和微波光子的法珀解调系统。本发明通过将不同频率的微波信号加载到法珀传感器的时域扫频干涉光谱上，构造微波频率与法珀干涉频率的相关函数，从而完成法珀传感信息的解调。
本发明首次将扫频光源和微波光子系统结合起来。扫频光源具有时域和频域一一映射的功能，能够将光频域内的FP干涉光频映射到时域，再被时域的微波信号调制解调。
本发明的时域法珀干涉频率是传统频域干涉频率的k倍。当腔长L发生变化时，产生的干涉频率变化量也是k倍，所以本发明所提系统的灵敏度相较于现有技术提升了k倍。k是扫频光源的扫频输出斜率，与扫频光源的光频范围和扫频周期有关，增加扫频光源的速率有利于提高系统的灵敏度。
附图说明
图1为现有基于宽带光源和光谱仪的法珀解调系统；
图2为现有基于扫频光源的法珀解调系统；
图3为本发明基于扫频光源和微波光子的FP解调系统；
图4为本发明矢量网络分析仪采集的信号。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图3至图4，基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，包括以下步骤：
1)扫频光源输出光信号，矢量网络分析仪产生微波。
2)环形器将扫频光源输出的光信号传输至法珀传感器。
法珀传感器接收光信号后产生干涉光谱，并将干涉光谱通过环形器输出至电光调制器。
3)所述电光调制器接收环形器输出的干涉光谱和矢量网络分析仪产生的微波，并对干涉光谱和微波进行强度调制，得到调制后的光信号。
4)电光调制器将调制后的光信号传输到光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转换成电信号，并输入矢量网络分析仪。
5)所述矢量网络分析仪对采集到的信号进行处理，计算得到法珀腔长L。
所述扫频光源按照时间顺序输出不同光频率的光信号。所述扫频光源是以时间为自变量，等时间间隔、等光频间隔的输出光信号。所述扫频光源输出的光信号如下所示：
u[t]＝u1+kt,t∈[t1,t2,…,tN] (1)
式中，t是时刻，u[t]是t时刻的光频，u1是初始光频，N是扫频光源一个周期内的输出光信号数量。
扫频光源的光频输出斜率k如下所示：
式中，utN为tN时刻的光频，ut1为t1时刻的光频。
所述法珀传感器在光频域产生的干涉信号I1(u)如下所示：
式中，u是光频，L是法珀腔长，c是真空中的光速。
所述法珀传感器在时域产生的干涉信号I2(t)如下所示：
式中，t是时刻，u1是初始光频，k是扫频光源的光频输出斜率。
所述法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP如下所示：
所述电光调制器的传递函数HEOM(Ω)如下所示：
HEOM(Ω)＝1+Mcos(Ωt)＝1+M1e-jΩt+M2ejΩt(6)
式中，t是时刻，Ω为t时刻的微波频率，M、M1、M2均为调制深度。
所述光电探测器接收到的光信号I3(Ω)如下所示：
式中，t是时刻，N是扫频光源一个周期内的输出光信号数量，Ω为t时刻的微波频率，I2(t)是法珀传感器在时域产生的干涉信号，
HEOM(Ω)是电光调制器的传递函数。
当法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP和微波频率Ω相等时，光电探测器接收到的光信号I3(Ω0达到最大。
步骤5)中，所述矢量网络分析仪对采集到的信号进行处理，当法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP和微波频率Ω相等时，利用公式(8)计算得到法珀腔长L。
法珀腔长L如下所示：
式中，c是真空中的光速，k是扫频光源的光频输出斜率。
一种应用于上述基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法的法珀解调系统，包括：扫频光源、法珀传感器、环形器、矢量网络分析仪、电光调制器和光电探测器。
所述扫频光源用于输出光信号。所述扫频光源按照时间顺序输出不同光频率的光信号，因此具有时频映射功能。扫频速率能达到几十kHz。
所述法珀传感器用于产生干涉光谱。所述法珀传感器进行物理量的传感，产生干涉信号。
所述环形器用于单向传输信号。
所述矢量网络分析仪用于产生微波，并对采集到的信号进行分析。
所述电光调制器对干涉光谱和微波进行强度调制。所述电光调制器将矢量网络传输过来的微波电信号加载到光信号上。
所述光电探测器将接收到的光信号转换成电信号。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
实施例2：
参见图3至图4，基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，包括以下步骤：
1)扫频光源输出光信号，矢量网络分析仪产生微波。
2)环形器将扫频光源输出的光信号传输至法珀传感器。
法珀传感器接收光信号后产生干涉光谱，并将干涉光谱通过环形器输出至电光调制器。
3)所述电光调制器接收环形器输出的干涉光谱和矢量网络分析仪产生的微波，并对干涉光谱和微波进行强度调制，得到调制后的光信号。
4)电光调制器将调制后的光信号传输到光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转换成电信号，并输入矢量网络分析仪。
5)所述矢量网络分析仪对采集到的信号进行处理，计算得到法珀腔长L。
实施例3：
基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，主要步骤见实施例2，其中，所述扫频光源按照时间顺序输出不同光频率的光信号。所述扫频光源是以时间为自变量，等时间间隔、等光频间隔的输出光信号。所述扫频光源输出的光信号如下所示：
u[t]＝u1+kt,t∈[t1,t2,…,tN] (1)
式中，t是时刻，u[t]是t时刻的光频，u1是初始光频，N是扫频光源一个周期内的输出光信号数量。
扫频光源的光频输出斜率k如下所示：
式中，utN为tN时刻的光频，ut1为t1时刻的光频。
实施例4：
基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，主要步骤见实施例2，其中，所述法珀传感器在光频域产生的干涉信号I1(u)如下所示：
式中，u是光频，L是法珀腔长，c是真空中的光速。
所述法珀传感器在时域产生的干涉信号I2(t)如下所示：
式中，t是时刻，u1是初始光频，k是扫频光源的光频输出斜率。
实施例5：
基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，主要步骤见实施例2，其中，所述法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP如下所示：
实施例6：
基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，主要步骤见实施例2，其中，所述电光调制器的传递函数HEOM(Ω)如下所示：
HEOM(Ω)＝1+Mcos(Ωt)＝1+M1e-jΩt+M2ejΩt(6)
式中，t是时刻，Ω为t时刻的微波频率，M、M1、M2均为调制深度。
实施例7：
基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，主要步骤见实施例2，其中，所述光电探测器接收到的光信号I3(Ω)如下所示：
式中，t是时刻，N是扫频光源一个周期内的输出光信号数量，Ω为t时刻的微波频率，I2(t)是法珀传感器在时域产生的干涉信号，
HEOM(Ω)是电光调制器的传递函数。
实施例8：
基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，主要步骤见实施例7，其中，当法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP和微波频率Ω相等时，光电探测器接收到的光信号I3(Ω)达到最大。
实施例9：
基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，主要步骤见实施例2，其中，步骤5)中，所述矢量网络分析仪对采集到的信号进行处理，当法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP和微波频率Ω相等时，利用公式(8)计算得到法珀腔长L。
法珀腔长L如下所示：
式中，c是真空中的光速，k是扫频光源的光频输出斜率。
实施例10：
一种应用于实施例2-9所述基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法的法珀解调系统，包括：扫频光源、法珀传感器、环形器、矢量网络分析仪、电光调制器和光电探测器。
所述扫频光源用于输出光信号。所述扫频光源按照时间顺序输出不同光频率的光信号，因此具有时频映射功能。扫频速率能达到几十kHz。
所述法珀传感器用于产生干涉光谱。所述法珀传感器进行物理量的传感，产生干涉信号。
所述环形器用于单向传输信号。
所述矢量网络分析仪用于产生微波，并对采集到的信号进行分析。
所述电光调制器对干涉光谱和微波进行强度调制。所述电光调制器将矢量网络传输过来的微波电信号加载到光信号上。
所述光电探测器将接收到的光信号转换成电信号。
实施例11：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例2-9所述方法的步骤。
实施例12：
参见图3至图4，基于扫频光源和微波光子的法珀解调系统如图3所示。扫频光源输出的光，在法珀传感器产生干涉光谱，干涉光谱与矢量网络分析仪发出的微波在电光调制器进行强度调制。干涉光谱与微波相遇并调制之后，到达光电探测器，光电探测器把光转换成电信号，再被矢量网络分析仪采集分析。
扫频光源：按照时间顺序输出不同光频率的光信号，因此具有时频映射功能。扫频速率能达到几十kHz。
法珀传感器：进行物理量的传感，产生干涉信号。
电光调制器：将矢量网络传输过来的微波电信号加载到光信号上。
光电探测器：将电信号转换成光信号。
矢量网络分析仪：一边输出不同频率的微波信号，一边采集并分析光电探测器传输过来的电信号。
扫频光源是以时间为自变量，等时间间隔、等光频间隔的输出光信号。因此其光信号可写为：
u[t]＝u1+kt,t∈[t1,t2,…,tN] (1)
其中u是光频，t是时刻，k是扫频光源的光频输出斜率，N是扫频光源一个周期内的输出光信号数量。
当扫频光源的光信号经过法珀时，在光频域的干涉信号为：
时域的干涉信号为：
电光调制器的传递函数为：
HEOM(Ω)＝1+Mcos(Ωt)＝1+M1e-jΩt+M2ejΩt (5)
其中Ω为此刻的微波频率，M为调制深度，τ为一个微波信号的持续时间。
结合公式(4)(5)，可得光电探测器所探测信号为：
由公式(4)可知，FP干涉信号的时间域频率为：
由公式(6)可知，当fFP和Ω相等时，I3(Ω)有最大值，如图2所示。所以当I3(Ω)有最大值，可认为：
fFP＝Ω (8)
由公式(7)(8)可知，法珀腔长可表达为：
首次将扫频光源和微波光子系统结合起来。扫频光源具有时域和频域一一映射的功能，能够将光频域内的FP干涉光频映射到时域，再被时域的微波信号调制解调。
其次扫频光源的时频映射功能能够系统解调灵敏度提高k倍。
由公式(3)传统光纤法珀解调系统的法珀干涉光谱在频域，其干涉频率为：
但基于扫频光源和微波光子的法珀解调系统的法珀干涉光谱在时间域，有公式(4)可知，其干涉频率为：
对比公式(10)和(11)，本发明的时域法珀干涉频率是传统频域干涉频率的k倍。当腔长L发生变化时，产生的干涉频率变化量也是k倍。所以灵敏度提升了k倍。
由公式(2)可知，k是扫频光源的扫频输出斜率，与扫频光源的光频范围和扫频周期有关。增加扫频光源的速率有利于提高系统的灵敏度。
Claims (10)
1.基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)扫频光源输出光信号，矢量网络分析仪产生微波；
2)环形器将扫频光源输出的光信号传输至法珀传感器；
法珀传感器接收光信号后产生干涉光谱，并将干涉光谱通过环形器输出至电光调制器；
3)所述电光调制器接收环形器输出的干涉光谱和矢量网络分析仪产生的微波，并对干涉光谱和微波进行强度调制，得到调制后的光信号。
4)电光调制器将调制后的光信号传输到光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转换成电信号，并输入矢量网络分析仪。
5)所述矢量网络分析仪对采集到的信号进行处理，计算得到法珀腔长L。
2.根据权利要求1所述的基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，其特征在于，所述扫频光源按照时间顺序输出不同光频率的光信号；
所述扫频光源输出的光信号如下所示：
u[t]＝u1+kt，t∈[t1，t2，...，tN] (1)
式中，t是时刻，u[t]是t时刻的光频，u1是初始光频，N是扫频光源一个周期内的输出光信号数量；
扫频光源的光频输出斜率k如下所示：
式中，utN为tN时刻的光频，ut1为t1时刻的光频。
3.根据权利要求1所述的基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，其特征在于，所述法珀传感器在光频域产生的干涉信号I1(u)如下所示：
式中，u是光频，L是法珀腔长，c是真空中的光速；
所述法珀传感器在时域产生的干涉信号I2(t)如下所示：
式中，t是时刻，u1是初始光频，k是扫频光源的光频输出斜率。
4.根据权利要求1所述的基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，其特征在于，所述法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP如下所示：
5.根据权利要求1所述的基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，其特征在于，所述电光调制器的传递函数HEOM(Ω)如下所示：
HEOM(Ω)＝1+M cos(Ωt)＝1+M1e-jΩt+M2ejΩt (6)
式中，t是时刻，Ω为t时刻的微波频率，M、M1、M2均为调制深度。
6.根据权利要求1所述的基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，其特征在于，所述光电探测器接收到的光信号I3(Ω)如下所示：
式中，t是时刻，N是扫频光源一个周期内的输出光信号数量，Ω为t时刻的微波频率，I2(t)是法珀传感器在时域产生的干涉信号，HEOM(Ω)是电光调制器的传递函数。
7.根据权利要求6所述的基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，其特征在于，当法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP和微波频率Ω相等时，光电探测器接收到的光信号I3(Ω)达到最大。
8.根据权利要求1所述的基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法，其特征在于，步骤5)中，所述矢量网络分析仪对采集到的信号进行处理，当法珀传感器干涉信号的时间域频率fFP和微波频率Ω相等时，利用公式(8)计算得到法珀腔长L；
法珀腔长L如下所示：
式中，c是真空中的光速，k是扫频光源的光频输出斜率。
9.一种应用于权利要求1-8任一项所述的基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法的法珀解调系统，其特征在于，包括：扫频光源、法珀传感器、环形器、矢量网络分析仪、电光调制器和光电探测器；
所述扫频光源用于输出光信号；
所述法珀传感器用于产生干涉光谱；
所述环形器用于单向传输信号；
所述矢量网络分析仪用于产生微波，并对采集到的信号进行分析；
所述电光调制器对干涉光谱和微波进行强度调制；
所述光电探测器将接收到的光信号转换成电信号。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述的方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310108800.4A CN116295551A (zh) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | 基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法、系统及介质 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310108800.4A CN116295551A (zh) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | 基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法、系统及介质 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116295551A true CN116295551A (zh) | 2023-06-23 |
Family
ID=86819555
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310108800.4A Pending CN116295551A (zh) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | 基于扫频光源和微波光子的法珀解调方法、系统及介质 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116295551A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116972890A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-10-31 | 之江实验室 | 光纤传感器及其调制方法 |
-
2023
- 2023-02-14 CN CN202310108800.4A patent/CN116295551A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116972890A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-10-31 | 之江实验室 | 光纤传感器及其调制方法 |
| CN116972890B (zh) * | 2023-09-22 | 2024-01-09 | 之江实验室 | 光纤传感器及其调制方法 |
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