CN116465439A - 多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统及方法 - Google Patents

多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统及方法 Download PDF

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徐一旻
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Wuhan Fengli Photoelectric Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，它的三个脉冲调制模块分别在信号处理模块的控制下将相应的连续光信号调制为对应的三组脉冲光信号，第二组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第一预设时间，第三组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第二预设时间，每组脉冲光信号在一个周期内具有时延的前后两束脉冲光信号；光纤合束器将三组脉冲光信号合为脉冲光信号串；脉冲光信号串中每个脉冲遇到光栅阵列传感光纤中的各个光栅均发生反射，光栅阵列传感光纤的反射脉冲光信号串输送到光电转换模块，并由光电转换模块进行光电转换得到对应的各个传感电信号；信号处理模块对光电转换模块输出的各个传感电信号进行相位解调处理。

Description

多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，具体地指一种多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统及方法。
背景技术
基于相位敏感的光栅阵列光纤传感技术，具有反射信号强、定位精度高、灵敏度高等优势，已在国内外取得广泛的研究及应用。传统的相位解调技术往往采用基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪方案进行光信号的调理，通过干涉仪内部臂长差使得光栅阵列中相邻两个光栅的反射信号发生干涉，外界扰动信号导致的相邻两个光栅之间光纤的长度变化转变为干涉信号的相位变化，最终利用3×3耦合器三端输出信号相互差120°相位的特性，通过一系列的加减乘除运算实现外界信号的探测。尽管相位解调技术具有极高的灵敏度，但是迈克尔逊干涉仪本身容易受到外部温度、震动等环境的干扰，干涉仪模块的隔温抗震设计往往使其具有较大的体积，同时系统的安装环境也应确保相对稳定，在实际多变的环境下该项技术的推广受到一定的阻碍。
发明内容
本发明的目的就是要提供不需要干涉仪结构的多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统及方法，解决现有相位解调技术对干涉仪的依赖，提高系统的可集成性及稳定性。
为实现此目的，本发明所设计的一种多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，它包括信号处理单元、光纤合束器、光纤环形器、光电转换模块、光栅阵列传感光纤和三个脉冲调制模块，其中，三个脉冲调制模块用于分别在信号处理模块的控制下将相应的连续光信号调制为对应的三组脉冲光信号，第二组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第一预设时间，第三组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第二预设时间，每组脉冲光信号在一个周期内具有时延的前后两束脉冲光信号；
光纤合束器用于将三组脉冲光信号合为脉冲光信号串；
光纤环形器用于将脉冲光信号串输入至光栅阵列传感光纤，脉冲光信号串中每个脉冲遇到光栅阵列传感光纤中的各个光栅均发生反射，光栅阵列传感光纤的反射脉冲光信号串经过光纤环形器，输送到光电转换模块，并由光电转换模块进行光电转换得到对应的各个传感电信号；其中光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅的前一个光栅反射的每组脉冲光信号中第二束脉冲光信号与相邻两个光栅的后一个光栅反射的每组脉冲光信号中对应的第一束脉冲光信号发生干涉，产生对应的传感电信号；
信号处理模块用于对光电转换模块输出的各个传感电信号进行相位解调处理。
本发明的有益效果：
本发明通过双脉冲调制方法对多个不同波长的光源分别进行调制，确保光栅阵列光纤中相邻光栅的反射信号发生干涉，且存在不同波长情况下的多组干涉信号，外界振动信号导致的多组干涉信号中光的相位变化转变为光的强度变化，利用波长的差异性通过多组干涉信号的强度变化解调出外界振动信号的变化，实现传感网络的解调。
本发明相比于传统的利用干涉仪的光纤相位解调系统，在保留了原技术探测距离长、复用容量大、灵敏度高的优势的同时，避免了干涉仪结构的引入，从而避免了干涉仪的隔热抗震复杂结构设计以及严苛系统的安装环境要求，提高了系统的可集成性及环境适应性，促进了光栅阵列光纤振动传感技术的大范围工程应用。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；
图2为本发明所述相位解调方法的原理示意图；
图3为本发明实例所述不同波长作用下外界扰动导致的相位变化；
图4为本发明实例所述三路干涉信号强度变化示意图；
图5为本发明实例所述相位解调结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，它包括信号处理单元、光纤合束器、光纤环形器、光纤放大器、光电转换模块、光栅阵列传感光纤、三个光源模块和三个脉冲调制模块，其中，三个光源模块(第一光源模块、第二光源模块和第三光源模块)的输出端分别连接三个脉冲调制模块(第一脉冲调制模块、第二脉冲调制模块和第三脉冲调制模块)的信号输入端，三个脉冲调制模块的输出端分别连接光纤合束器的三个输入端，光纤合束器的输出端连接光纤放大器的输入端，光纤放大器的输出端连接光纤环形器的第一通信端，光纤环形器的第二通信端连接光栅阵列传感光纤，光纤环形器的第三通信端连接光电转换模块的输入端，光电转换模块的输出端连接信号处理模块的信号采集端，信号处理模块的三路控制输出端分别连接三个脉冲调制单元的控制输入端；
所述光栅阵列光纤为宽谱光栅阵列光纤，光栅谱宽4nm，中心波长1551nm，传感网络长度1km，光栅间距10m；
三个脉冲调制模块用于分别在信号处理模块的控制下将相应的光源模块输出的连续光信号调制为对应的三组脉冲光信号，第二组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第一预设时间(20ns)，第三组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第二预设时间(40ns)，每组脉冲光信号在一个周期(1ms)内具有时延(100ns)的前后两束脉冲光信号；
由于相同波长的光才可以发生干涉，所以相邻两个光栅反射信号的干涉应确保前一个光栅反射的脉冲光信号与后一个光栅反射的脉冲光信号具有相同波长。故而，每一组内前后两束脉冲光信号的时延与相邻光栅之间的间距满足tp＝2neffd/c，其中neff为光栅阵列传感光纤的纤芯折射率，约为1.5，c为光在真空中的传播速度，约为3×10^8m/s，d为光栅阵列传感光纤中相邻光栅的间距；所用光栅阵列光纤中光栅间距10m，因此tp＝100ns；
为了避免同一光栅反射的多组脉冲光信号种多束脉冲光信号发生混叠，影响干涉信号的获取，每束脉冲光信号的脉宽tw、第一预设时间t1、第二预设时间t2，满足公式0<tw<tp/3；tw<t1<tp-2tw；tw+t1<t2<tp-tw。实例中为了区分脉冲光信号串中前后两束脉冲光信号以及平衡脉冲光信号串中各个脉冲在时间域的分布，取tw为10ns，t1为20ns，t2为40ns；
由于光栅阵列光纤单次探测周期T受限于光栅阵列光纤的长度L：T＞2neffL/c。所用光栅阵列光纤长1km，因此T>10us；实例中取T＝1ms，根据采样定律，传感网络可以探测的信号频率＜500Hz。
对于单一波长λ的光信号，相邻两个光栅的反射信号的干涉信号强度I0可以为：
其中，A表示干涉信号的直流量，B表示干涉信号的交流量，d是相邻光栅之间的光纤长度，V是外界振动引起的相邻光栅之间的光纤长度的变化。
为了求解V，传统相位解调系统中采用基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪方案，利用3×3耦合器三端输出信号相互差120°相位的特性，获取干涉仪的三路输出信号，构建方程组：
进一步地，联立I1、I2、I3即可求得
然而传统方案中干涉仪本身容易受到外部温度、震动等环境的干扰，干涉仪模块的隔温抗震设计往往使其具有较大的体积，同时系统的安装环境也应确保相对稳定，在实际多变的环境下该项技术的推广受到一定的阻碍。
为此本发明采用多光源协同的方法，通过多个光源模块的使用引入不同的波长变量构建方程组：
当外界振动导致的光栅阵列传感光纤中相邻光栅之间光纤长度的变化量V小于阈值(1um)时，由于该变化量远小于光栅阵列传感光纤中相邻光栅之间光纤的长度L(10m)；且所用三个光源模块的光波长(1550nm波段)相近，fai＝2neffπV/λ1≈2neffπV/λ2≈2neffπV/λ3，令θ1＝2neffπd/λ1、θ2＝2neffπd/λ2、θ3＝2neffπd/λ3分别是不同波长作用下光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅之间光纤长度引入的固定相位差联立I1、I2、I3可得相位解调公式：
光纤合束器用于将三组脉冲光信号合为脉冲光信号串；
光纤环形器用于将脉冲光信号串输入至光栅阵列传感光纤，脉冲光信号串中每个脉冲遇到光栅阵列传感光纤中的各个光栅均发生反射，光栅阵列传感光纤的反射脉冲光信号串经过光纤环形器，输送到光电转换模块，并由光电转换模块进行光电转换得到对应的各个传感电信号；其中光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅的前一个光栅反射的每组脉冲光信号中第二束脉冲光信号与相邻两个光栅的后一个光栅反射的每组脉冲光信号中对应的第一束脉冲光信号发生干涉，产生对应的传感电信号，传感电信号包含外界扰动引起的相位变化；
信号处理模块控制模数转换芯片采集光电转换模块输出的电信号并进行相位解调处理实现传感网络的解调，信号处理模块用于对光电转换模块输出的各个传感电信号进行相位解调处理，实现光栅阵列光纤的解调。
上述技术方案中，它还包括光纤放大器，所述光纤放大器用于将脉冲光信号串进行放大，放大后的脉冲光信号串由光纤环形器输入至光栅阵列传感光纤。
上述技术方案中，每组脉冲光信号在一个周期内的前后两束脉冲光信号具有时延tp，每束脉冲光信号的脉宽均为tw，第二组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号t1时间，第三组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第二预设时间t2时间，t2＞t1，第一组脉冲光信号、第二组脉冲光信号和第三组脉冲光信号的波长分别为λ1、λ2、λ3。
所述时延tp＝2neffd/c，其中neff为光栅阵列传感光纤的纤芯折射率，约为1.5，c为光在真空中的传播速度，约为3×10^8m/s，d为光栅阵列传感光纤中相邻光栅的间距；0<tw<tp/3；tw<t1<tp-2tw；tw+t1<t2<tp-tw。
所述脉冲光信号串表示为p11、p21、p31、p12、p22、p32，其中，p11表示第1组脉冲光信号中第1个脉冲，p21表示第2组脉冲光信号中第1个脉冲，p31表示第3组脉冲光信号中第1个脉冲，p12表示第1组脉冲光信号中第2个脉冲，p22表示第2组脉冲光信号中第2个脉冲，p32表示第3组脉冲光信号中第2个脉冲，脉冲光信号串经过光纤放大器放大后通过光纤环形器输入至光栅阵列传感光纤，脉冲光信号串中每个脉冲遇到光栅阵列传感光纤中的每个光栅均会发生反射，即每个光栅都将返回6个脉冲光信号，光栅阵列传感光纤中相邻光栅反射的对应序号的脉冲信号时延为tp，比如前一个光栅对脉冲p12的反射脉冲光信号与后一个光栅对脉冲p11的反射脉冲光信号时延为tp。
上述技术方案中，光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅的前一个光栅反射的每组脉冲光信号中第二束脉冲光信号与相邻两个光栅的后一个光栅反射的每组脉冲光信号中对应的第一束脉冲光信号发生干涉可表示为：
对于第一组脉冲光信号，前一个光栅对脉冲p12的反射脉冲光信号与后一个光栅对脉冲p11的反射脉冲光信号同时到达光电转换模块发生干涉；
对于第二组脉冲光信号，前一个光栅对脉冲p22的反射脉冲光信号与后一个光栅对脉冲p21的反射脉冲光信号同时到达光电转换模块发生干涉；
对于第三组脉冲光信号，前一个光栅对脉冲p32的反射脉冲光信号与后一个光栅对脉冲p31的反射脉冲光信号同时到达光电转换模块发生干涉。
上述技术方案中，对传感电信号进行相位解调处理的具体方法为：
发生干涉的三路脉冲信号I1、I2、I3可以表示为：
其中，A表示干涉信号的直流量，B表示干涉信号的交流量，θ1＝2neffπd/λ1、λ2＝2neffπd/λ2、λ3＝2neffπd/λ3分别是不同波长作用下光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅之间光纤长度引入的固定相位差，neff为光栅阵列传感光纤的纤芯折射率，d为光栅阵列传感光纤中相邻光栅的间距，λ1、λ2和λ3分别表示第一组脉冲光信号、第二组脉冲光信号和第三组脉冲光信号的波长，fais1＝2neffπV/λ1，fais2＝2neffπV/λ2，fais3＝2neffπV/λ3分别表示不同波长作用下光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅之间光纤长度受外界振动发生的变化V导致的相位变化量，fai0表示产生干涉的两个信号之间的初始相位差，即p12和p11、p22和p21、p32和p31对应的相位差。
上述技术方案中，对于发生干涉的三路脉冲信号I1、I2、I3的求解公式，当外界振动导致的光栅阵列传感光纤中相邻光栅之间光纤长度的变化量小于阈值(1um)时，由于该变化量远小于光栅阵列传感光纤中相邻光栅之间光纤的长度；
公式中，所用三个光源模块的光波长(1550nm波段)相近，fais1≈fais2≈fais3，令fai＝fais1+fai0，联立I1、I2、I3可得相位解调公式：
上述技术方案中，所述三个脉冲调制模块输出的三组脉冲光信号的波长分别为1550.12nm、1550.92nm和1551.72nm。为了确保相邻光栅能够响应相同的光信号，光栅阵列光纤中各个光栅的中心波长及谱宽一致，三组脉冲光信号的波长在光栅光谱范围内，所用光栅阵列光纤中光栅的谱宽为4nm，中心波长1551nm，故而选用ITU标准波长列表中的1550.12nm、1550.92nm和1551.72nm波长的光源模块。
上述技术方案中，三个光源模块均采用窄线宽激光器模块；三个脉冲调制模块均采用高速开关型半导体光放大器模块。窄线宽为了提高干涉信号的灵敏度，半导体光放大器具有脉冲调制的功能也具有信号放大的功能。
一种多光源协同的光栅阵列光纤相位解调方法，它包括如下步骤：
步骤1：三个脉冲调制模块分别在信号处理模块的控制下将相应的连续光信号调制为对应的三组脉冲光信号，第二组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第一预设时间，第三组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第二预设时间，每组脉冲光信号在一个周期内具有时延的前后两束脉冲光信号；
步骤2：光纤合束器将三组脉冲光信号合为脉冲光信号串；
步骤3：光纤环形器将脉冲光信号串输入至光栅阵列传感光纤，脉冲光信号串中每个脉冲遇到光栅阵列传感光纤中的各个光栅均发生反射，光栅阵列传感光纤的反射脉冲光信号串经过光纤环形器，输送到光电转换模块，并由光电转换模块进行光电转换得到对应的各个传感电信号；其中光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅的前一个光栅反射的每组脉冲光信号中第二束脉冲光信号与相邻两个光栅的后一个光栅反射的每组脉冲光信号中对应的第一束脉冲光信号发生干涉，产生对应的传感电信号；
步骤4：信号处理模块对光电转换模块输出的各个传感电信号进行相位解调处理。
为了验证本发明的有效性，假设第一个光栅和第二个光栅间光纤长度受到频率为40Hz、峰峰值为100nm的正弦振动信号扰动，即V＝50*cos(2*π*40*t)，t为时间变量，计算可得不同波长作用下相邻两个光栅之间光纤长度受外界振动发生的变化导致的相位变化量如图3所示，可见三组信号基本重叠，满足fais1≈fais2≈fais3；
根据公式cos(x)＝cos(x+2π)，计算可得θ1、θ2、θ3分别为3.58、1.96、0.81，假设初始相位差fai0为0，干涉可见度为1，即A＝B＝1，则I1、I2、I3三路信号如图4所示，将获取到的I1、I2、I3、θ1、θ2、θ3的值带入相位解调公式求得fai值，即完成光栅阵列光纤的相位解调，如图5所示。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，其特征在于：它包括信号处理模块、光纤合束器、光纤环形器、光电转换模块、光栅阵列传感光纤和三个脉冲调制模块，其中，三个脉冲调制模块用于分别在信号处理模块的控制下将相应的连续光信号调制为对应的三组脉冲光信号，第二组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第一预设时间，第三组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第二预设时间，每组脉冲光信号在一个周期内具有时延的前后两束脉冲光信号；
光纤合束器用于将三组脉冲光信号合为脉冲光信号串；
光纤环形器用于将脉冲光信号串输入至光栅阵列传感光纤，脉冲光信号串中每个脉冲遇到光栅阵列传感光纤中的各个光栅均发生反射，光栅阵列传感光纤的反射脉冲光信号串经过光纤环形器，输送到光电转换模块，并由光电转换模块进行光电转换得到对应的各个传感电信号；其中光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅的前一个光栅反射的每组脉冲光信号中第二束脉冲光信号与相邻两个光栅的后一个光栅反射的每组脉冲光信号中对应的第一束脉冲光信号发生干涉，产生对应的传感电信号；
信号处理模块用于对光电转换模块输出的各个传感电信号进行相位解调处理。
2.根据权利要求1所述的多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，其特征在于：它还包括光纤放大器，所述光纤放大器用于将脉冲光信号串进行放大，放大后的脉冲光信号串由光纤环形器输入至光栅阵列传感光纤。
3.根据权利要求1所述的多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，其特征在于：每组脉冲光信号在一个周期内的前后两束脉冲光信号具有时延tp，每束脉冲光信号的脉宽均为tw，第二组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号t1时间，第三组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第二预设时间t2时间，t2＞t1，第一组脉冲光信号、第二组脉冲光信号和第三组脉冲光信号的波长分别为λ1、λ2、λ3。
4.根据权利要求3所述的多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，其特征在于：所述时延tp＝2neffd/c，其中neff为光栅阵列传感光纤的纤芯折射率，c为光在真空中的传播速度，d为光栅阵列传感光纤中相邻光栅的间距；0<tw<tp/3；tw<t1<tp-2tw；tw+t1<t2<tp-tw。
5.根据权利要求1所述的多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，其特征在于：所述脉冲光信号串表示为p11、p21、p31、p12、p22、p32，其中，p11表示第1组脉冲光信号中第1个脉冲，p21表示第2组脉冲光信号中第1个脉冲，p31表示第3组脉冲光信号中第1个脉冲，p12表示第1组脉冲光信号中第2个脉冲，p22表示第2组脉冲光信号中第2个脉冲，p32表示第3组脉冲光信号中第2个脉冲，脉冲光信号串经过光纤放大器放大后通过光纤环形器输入至光栅阵列传感光纤，脉冲光信号串中每个脉冲遇到光栅阵列传感光纤中的每个光栅均会发生反射，光栅阵列传感光纤中相邻光栅反射的对应序号的脉冲信号时延为tp。
6.根据权利要求5所述的多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，其特征在于：
光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅的前一个光栅反射的每组脉冲光信号中第二束脉冲光信号与相邻两个光栅的后一个光栅反射的每组脉冲光信号中对应的第一束脉冲光信号发生干涉可表示为：
对于第一组脉冲光信号，前一个光栅对脉冲p12的反射脉冲光信号与后一个光栅对脉冲p11的反射脉冲光信号同时到达光电转换模块发生干涉；
对于第二组脉冲光信号，前一个光栅对脉冲p22的反射脉冲光信号与后一个光栅对脉冲p21的反射脉冲光信号同时到达光电转换模块发生干涉；
对于第三组脉冲光信号，前一个光栅对脉冲p32的反射脉冲光信号与后一个光栅对脉冲p31的反射脉冲光信号同时到达光电转换模块发生干涉。
7.根据权利要求6所述的多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，其特征在于：对传感电信号进行相位解调处理的具体方法为：
发生干涉的三路脉冲信号I1、I2、I3可以表示为：
其中，A表示干涉信号的直流量，B表示干涉信号的交流量，θ1＝2neffπd/λ1、θ2＝2neffπd/λ2、θ3＝3neffπd/λ3分别是不同波长作用下光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅之间光纤长度引入的固定相位差，neff为光栅阵列传感光纤的纤芯折射率，d为光栅阵列传感光纤中相邻光栅的间距，λ1、λ2和λ3分别表示第一组脉冲光信号、第二组脉冲光信号和第三组脉冲光信号的波长，fais1＝2neffπV/λ1，fais2＝2neffπV/λ2，fais3＝2neffπV/λ3分别表示不同波长作用下光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅之间光纤长度受外界振动发生的变化V导致的相位变化量，fai0表示产生干涉的两个信号之间的初始相位差。
8.根据权利要求7所述的多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，其特征在于：对于发生干涉的三路脉冲信号I1、I2、I3的求解公式，当外界振动导致的光栅阵列传感光纤中相邻光栅之间光纤长度的变化量小于阈值时，由于该变化量远小于光栅阵列传感光纤中相邻光栅之间光纤的长度；
公式中，fais1≈fais2≈fais3，令fai＝fais1+fai0，联立I1、I2、I3可得相位解调公式：
9.根据权利要求8所述的多光源协同的光栅阵列光纤相位解调系统，其特征在于：所述三个脉冲调制模块输出的三组脉冲光信号的波长分别为1550.12nm、1550.92nm和1551.72nm。
10.一种多光源协同的光栅阵列光纤相位解调方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：三个脉冲调制模块分别在信号处理模块的控制下将相应的连续光信号调制为对应的三组脉冲光信号，第二组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第一预设时间，第三组脉冲光信号滞后第一组脉冲光信号第二预设时间，每组脉冲光信号在一个周期内具有时延的前后两束脉冲光信号；
步骤2：光纤合束器将三组脉冲光信号合为脉冲光信号串；
步骤3：光纤环形器将脉冲光信号串输入至光栅阵列传感光纤，脉冲光信号串中每个脉冲遇到光栅阵列传感光纤中的各个光栅均发生反射，光栅阵列传感光纤的反射脉冲光信号串经过光纤环形器，输送到光电转换模块，并由光电转换模块进行光电转换得到对应的各个传感电信号；其中光栅阵列传感光纤中相邻两个光栅的前一个光栅反射的每组脉冲光信号中第二束脉冲光信号与相邻两个光栅的后一个光栅反射的每组脉冲光信号中对应的第一束脉冲光信号发生干涉，产生对应的传感电信号；
步骤4：信号处理模块对光电转换模块输出的各个传感电信号进行相位解调处理。
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