CN210533395U - 一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，包括光纤干涉仪，光纤干涉仪包括激光器和第一耦合器，激光器能够向第一耦合器传输信号，第一耦合器与探头部连接，其特征在于，探头部的输出端和第一耦合器分别通过光电探测件与第一混频器和第二混频器连接，第一混频器和第二混频器与第三混频器及激光器连接，激光器能够向第一混频器和第二混频器输出信号，第一混频器和第二混频器能够将信号输出给第三混频器，第三混频器与控制器连接，所述光电探测件还与控制器连接，能够将第一耦合器和探头部输出的光信号转换为电信号传输给控制器，本实用新型的光纤干涉装置稳定性和实用性好。

Description

一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置

技术领域

本实用新型涉及光纤干涉仪技术领域，具体涉及一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置。

背景技术

干涉型光纤传感器是利用光在光纤中进行光的干涉，并利用光的干涉现象对干涉光的相位变化进行测量，通过对干涉光的相位变化的测量来间接测量物理量，包括震动，应力，位移，速度等，干涉型光纤传感器具有灵敏度高，线性度高，体积尺寸小，动态范围大等特点。此类光纤传感器的典型应用包括光纤陀螺仪，光纤振动检测仪，光纤水听器，光纤水平仪，光纤地震计，光纤应变仪等。光纤陀螺仪可以应用于监测火箭飞行状态，卫星运行状态等；光纤振动检测仪可以应用于周界安防等，光纤地震计可以监测地震，核爆等大幅度信号，Zumberge等人指出其动态范围在180dB*1kHz左右；光纤水听器主要用于对水下不可视目标，雷达无法探知的盲区进行监测，光纤水听器阵列相比于传统的水听器具有方向性好，工作带宽大等特点；光纤水平仪主要应用于检测桥梁，建筑物，风力发电机的结构健康；光纤应变仪可以测量超低频的物理过程，如潮汐，其工作频段最低可达0.001Hz。对于光路中的相位变化需要通过特定的算法求解，常用的相位解调算法可以分为：有源检测，无源检测，外差检测，零差检测等。其中有源零差法中的相位生成载波算法(PGC)，具有结构简单，分辨率高的特定，被广泛应用于光纤地震计，光纤水听器阵列等传感器中(CN200810117296.X)。但因内调制过程中高频载波交变电流注入激光器造成功率的不稳定，带来的光强波动，称为伴生调幅效应。

发明人发现，在实际应用过程中，两路检波信号在光路上的采集位置可能相距十几公路或上百公里，此时采用传统的补偿伴生调幅效应的办法会导致高频直流光强部分的抑制信号失真，从而造成信号调节失真。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服现有技术的不足，提供一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，解决了由于信号采集位置不同引起的高频直流光强部分的抑制信号失真问题，提高了光纤干涉装置的稳定性和实用性。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，包括光纤干涉仪，光纤干涉仪包括激光器和第一耦合器，激光器能够向第一耦合器传输信号，第一耦合器与探头部连接，探头部的输出端和第一耦合器分别通过光电探测件与第一混频器和第二混频器连接，第一混频器和第二混频器与第三混频器及激光器连接，激光器能够向第一混频器和第二混频器输出信号，第一混频器和第二混频器能够将信号输出给第三混频器，第三混频器与控制器连接，所述光电探测件还与控制器连接，能够将第一耦合器和探头部输出的光信号转换为电信号传输给控制器。

进一步的，所述控制器与激光器连接，能够控制激光器发出设定的信号。

进一步的，所述探头部包括第二耦合器和第三耦合器，第二耦合器和第三耦合器与第一干涉臂和第二干涉臂的两端连接，第二干涉臂上设置有滤波件，第三耦合器与光电探测件连接。

进一步的，所述探头部通过光环形器与第一耦合器连接，所述光环形器与第二光电探测器连接，所述探头部包括与光环形器连接的第四耦合器，所述第四耦合器与第三干涉臂和第四干涉臂的一端连接，第三干涉臂和第四干涉臂的另一端分别连接有第一反射镜和第二反射镜，第四干涉臂上设置有滤波件，第一反射镜和第二反射镜能够将光信号反射传输给光环形器，所述光环形器与光电探测件连接，能够将反射的光信号传输给光电探测件。

进一步的，所述光电探测件包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器输入端与第一耦合器连接，输出端与第一混频器及控制器连接，所述第二光电探测器的输入端与探头部的输出端连接，输出端与第二混频器及控制器连接。

进一步的，所述滤波件采用无源的光纤滤波器或有源的光开关。

进一步的，所述探头部包括第五耦合器及第六耦合器，所述第五耦合器和第六耦合器之间连接有第五干涉臂和第六干涉臂，第六干涉臂设置有第七耦合器。

进一步的，所述光电探测件包括第三光电探测器、第四光电探测器及第五光电探测器，第三光电探测器的输入端与第一耦合器连接，输出端与激光器及第一混频器连接，所述第四光电探测器输入端与第七耦合器连接，输出端与第二混频器连接，所述第五光电探测器输入端与第六耦合器连接，输出端与控制器连接。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，具有第一混频器、第二混频器，第三混频器，能够利用激光器输出的调制信号得到第一光路和第二光路的光程差，从而得到两个光路输出信号的相位差，激光器发出光信号时，将采集的相位差带入第一光路输出的光信号中，然后用第二光路的输出光信号数据除以第一光路带入相位差后的光信号数据，得到干涉数据，解决了由于信号采集位置的不同而引起直流光强的相位差异，从而导致高频直流光强部分的抑制信号失真问题，解决了光纤干涉仪在长距离实际应用时产生的伴生调幅消除失真问题，通过测量出信号采集位置不同引起的相位差，实现了光纤干涉仪在长距离应用时的正常工作，提高了光纤干涉仪的稳定性和实用性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本实用新型实施例1整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例2整体结构示意图；

图3为本实用新型实施例3整体结构示意图；

其中，1.激光器，2.第一耦合器，3.第二耦合器，4.第三耦合器，5.第一干涉臂，6.第二干涉臂，7.第一光纤滤波器，8.第一光电探测器，9.第二光电探测器，10.第一混频器，11.第二混频器，12.第三混频器，13.控制器，14.光环形器，15.第四耦合器，16.第三干涉臂，17.第四干涉臂，18.第一反射镜，19.第二反射镜，20.第二光纤滤波器，21.第五耦合器，22.第六耦合器，23.第五干涉臂，24.第六干涉臂，25.第七耦合器，26.第四光电探测器，27.第三光电探测器，28.第五光电探测器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本实用新型中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的补偿伴生调幅效应的方法应用于采集位置相距较远的情况时，容易引起直流光强相位差异，从而导致高频直流光强部分的抑制信号失真的问题，针对上述问题，本申请提出了一种能够对伴生调幅消除的光纤干涉装置。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1所示，一种能够对伴生调幅消除的光纤干涉装置，包括光纤干涉仪，所述光纤干涉仪采用马赫曾德干涉仪，所述光纤干涉仪包括激光器1，所述激光器采用DFB激光器，所述DFB激光器通过光纤与第一耦合器2连接，第一耦合器能够对DFB激光器输出的光信号进行分光，采用99:1的1X2耦合器作为第一耦合器，所述第一耦合器的99％的通光口连接探头部，所述探头部包括第二耦合器3及第三耦合器4，所述第二耦合器与第一耦合器的99％的通光口连接，所述第二耦合器采用50:50的1X2耦合器，其两个通光口分别与第一干涉臂5和第二干涉臂6的一端连接，第一干涉臂和第二干涉臂的另一端连接第三耦合器，所述第三耦合器采用50:50的1X2耦合器。

所述第二干涉臂连接有滤波件，所述滤波件采用无源的第一光纤滤波器7，所述光纤滤波器能够阻止线性调频信号通过而不能阻止干涉用的光信号通过，测距时如果有干涉信号是无法解决此测距问题的，因此设置了光纤滤波器，避免测距时信号的干涉。

所述第一耦合器及第三耦合器均与光电探测件连接，所述光电检测件包括第一光电探测器8及第二光电探测器9，所述第一耦合器的1％的通光口与第一光电探测器的输入端连接，所述第三耦合器与第二光电探测器的输入端连接。

第一光电探测器能够接收第一耦合器传来的信号，第二光电探测器能够接收第三耦合器传来的信号，并将信号转化为电信号输出。

所述第一光电探测器的输出端与第一混频器10连接，能够将电信号传输给第一混频器，第二光电探测器的输出端与第二混频器11连接，能够将电信号传输给第二混频器。

所述第一混频器和第二混频器均与DFB激光器连接，能够接收DFB激光器发出的线性调频信号。

所述第一混频器和第二混频器均与第三混频12器连接，第三混频器与控制器13连接，能够向控制器发送差频信号。

所述第一光电探测器和第二光电探测器均与控制器连接，能够将电信号传输给控制器。

所述控制器与DFB激光器连接，能够控制DFB激光器发出设定的线性调频信号或及光信号。

实施例2：

本实施例公开了一种能够对伴生调幅消除的光纤干涉装置，如图2所示，所述光纤干涉仪采用迈克尔逊干涉仪，其探头部通过光环形器14与第一耦合器的99％的通光口连接，所述探头部包括第四耦合器15，所述第四耦合器采用50:50的1X2耦合器，所述第四耦合器的两个通光口连接有第三干涉臂16和第四干涉臂17的一端，所述第三干涉臂和第四干涉臂的另一端分别连接有第一反射镜18和第二反射镜19，所述第四干涉臂上设置有无源的第二光纤滤波器20,第二光纤滤波器能够阻止线性调频信号的通过而无法阻止干涉用光信号通过。

光环形器有三个端口，其中一个端口与第一耦合器的99％的通光口连接，另一个端口与第四耦合器的通光口连接，第三个端口用于接收第一反射镜和第二反射镜反射的信号，并与第二光电探测器连接，其他结构与实施例1相同，在此不进行详细叙述。

实施例3

本实施例公开了一种能够对伴生调幅消除的光纤干涉装置，如图3所示，所述光纤干涉仪采用马赫曾德干涉仪，所述探头部包括第五耦合器21和第六耦合器22，所述第五耦合器采用40:60的1X2耦合器，第六耦合器采用50:50的1X2耦合器，第五耦合器和第六耦合器之间连接有第五干涉臂23和第六干涉臂24，所述第六干涉臂上设置有第七耦合器25，第七耦合器和第六耦合器在光路上十分接近，第五耦合器40％的通光口与第五干涉臂连接，60％的通光口与第六干涉臂连接，所述第七耦合器采用70:30的1X2耦合器，第七耦合器70％的通光口接第六耦合器，30％的通光口与第四光电探测器26连接，与探头部连接的第一耦合器的1％的通光口与第三光电探测器27连接，所述第六耦合器与第五光电探测器28连接，所述第三光电探测器的输出端连接第一混频器，第四光电探测器的输出端连接第二混频器，第三光电探测器及第四光电探测器均与DFB激光器连接，第一混频器和第二混频器与第三混频器连接，第三混频器与控制器连接，第三光电探测器和第四光电探测器均与控制器连接。

实施例4

本实施例公开了一种能够对伴生调幅消除的光纤干涉装置的工作方法：

实施例1的光纤干涉装置中，激光器、第一耦合器、第一光电探测器构成第一光路，激光器、探头部及第二光电探测器构成第二光路。

DFB激光器在控制器的控制下，发出测距调制信号，所述测距调制信号为设定的线性调频信号，本领域技术人员可根据实际情况选择合适的线性调频信号，线性调频信号经过第一光路(第一耦合器-第一光电探测器)，由第一光电探测器输出给第一混频器，同时线性调频信号也直接传输给第一混频器，第一混频器对接收的激光器和第一光路的信号进行混频，形成第一差频信号，并输出给第三混频器，由于第一光纤滤波器能够阻止线性调频信号的通过，线性调频信号经过第二光路(第一耦合器-第二耦合器-第一干涉臂-第三耦合器-第二光电探测器)，由第二光电探测器输出给第二混频器，同时线性调频信号也直接传输给第二混频器，第二混频器对接收的激光器和第二光路的信号进行混频，形成第二差频信号，并输出给第三混频器，第三混频器对第一差频信号和第二差频信号进行混频，得到DFB激光器发出的信号到达第一光电探测器和第二光电探测器处光程差△L的差频信号，并传输给控制器，控制器对光程差的差频信号进行运算，得到第一光电探测器和第二光电探测器输出信号的相位差

具体计算方法为：

其中，C_n为光在光纤中的传输速度；V(t)为光频。

DFB激光器在控制器的控制下发出用于产生干涉的光信号，光信号经过第一光路和后由第一光电探测器输出并传输给控制器，光信号在探头部的第一干涉臂和第二干涉臂中传输，产生干涉后由第三耦合器传通过第二光电探测器传输给控制器，控制器将得到的相位差带入第一光电探测器输出的光信号，然后用第二光电探测器输出的信号数据除以第一光电探测器输出的带入相位差后的信号数据，得到干涉光信号数据。

实施例2的光纤干涉装置的工作方法为：

第一光路为：激光器-第一耦合器-第一光电探测器，第二光路为：激光器-第一耦合器-光环形器-探头部-光环形器-第二光电探测器，DFB激光器发出线性调频信号，线性调频信号经过第一耦合器、第一光电探测器传输给第一混频器，同时线性调频信号直接传输给第一混频器，第一混频器进行混频，得到第一差频信号，第二光纤滤波器能够阻止线性调频信号的通过，因此线性调频信号经光环形器、第四耦合器、第三干涉臂、第一反射镜、光环形器、第二光电探测器后由第二光电探测器传输给第二混频器，同时线性调频信号直接传输给第二混频器，第二混频器进行混频，形成第二差频信号，第一差频信号和第二差频信号传输给第三混频器，第三混频器对第一差频信号和第二差频信号进行混频，得到DFB激光器发出的信号到达第一光电探测器和第二光电探测器处光程差△L的差频信号，并传输给控制器，控制器对光程差的差频信号进行运算，得到第一光电探测器和第二光电探测器输出信号的相位差

具体计算方法为：

其中，C_n为光在光纤中的传输速度；V(t)为光频。

DFB激光器在控制器的控制下发出用于产生干涉的光信号，光信号经第一耦合器、第一光电探测器后传输给控制器，第一耦合器输出的另一路光信号经光环形器进入第三干涉臂和第四干涉臂，由第一反射镜和第二反射镜反射后产生干涉，干涉后的信号通过光环形器传输给第二光电探测器，第二光电探测器将干涉后的光信号传输给控制器，控制器将得到的相位差带入第一光电探测器输出的光信号，然后用第二光电探测器输出的信号数据除以第一光电探测器输出的带入相位差后的信号数据，得到干涉光信号数据。

实施例3的光纤干涉装置的工作方法为：

第一光路为：激光器-第一耦合器-第三光电探测器，第二光路为：第二光路Ⅰ和第二光路Ⅱ构成，第二光路Ⅰ为：激光器-第一耦合器-第五耦合器-第七耦合器-第四光电探测器，第二光路Ⅱ为激光器-第一耦合器-探头部-第五光电探测器，DFB激光器发出线性调频信号，经过第一耦合器和第三光电探测器传输给第一混频器，线性调频信号同时直接传输给第一混频器，第一混频器进行混频，得到第一差频信号，第一耦合器输出的另一路线性调频信号经过第五耦合器、第七耦合器输入到第四光电探测器，第四光电探测器将信号传输给第二混频器，同时第二混频器接受DFB激光器发出的线性调频信号，第二混频器进行混频，形成第二差频信号，第一差频信号和第二差频信号传输给第三混频器进行混频，得到DFB激光器发出的信号到达第三光电探测器和第四光电探测器处光程差△L的差频信号，并传输给控制器，控制器对光程差的差频信号进行运算，得到第三光电探测器和第四光电探测器输出信号的相位差

具体计算方法为：

其中，C_n为光在光纤中的传输速度；V(t)为光频。

本实施例中，由于第七耦合器和第六耦合器的光程接近，所以激光器发出的信号到达第四光电探测器的光程和到达第五光电探测器的光程近似为相等。

DFB激光器发出用于干涉的光信号，光信号一路经第一耦合器、第三光电探测器传输给控制器，另一路探头部产生干涉后由第五光电探测器传输给控制器，控制器将得到的相位差带入第三光电探测器输出的光信号，然后用第五光电探测器输出的信号数据除以第三光电探测器输出的带入相位差后的信号数据，得到干涉光信号数据。

采用两路检波信号来补偿伴生调幅效应时，当不考虑两路检波信号的光程问题时，第一光电探测器处的光强I₁(t)表达式为

I₀为光源的直流分量；ΔI₀为光强随着电流变化的变化量幅值；ω_c为波长的角速度；时间t；

为光源的初始相位。

当不考虑两路检波信号的光程问题时，假设I₁(t)为光源的出射光I₀(t)，第二光电探测器处的光强I₂(t)表达式为

A和B为固定常数；v₀为直流光频；Δv为光频的变化幅值；ω_c为波长的角速度；△L为两干涉臂的光程差；C_n为光在光纤中的传输速度。

由1-1和1-2式子可知，常用的补偿伴生调幅效应的办法主要是基于两路检波信号相除来克服直流光强I₀(t)变化的影响，抑制信号解调失真。

但是，当两路检测信号在光路中的距离相距几十或上百公里时，就不能直接以第一光电探测器处检测到的光强I₁(t)作为光源的出射光I₀(t)，因为第二光电探测器处检测到的光强信号与光源的出射光I₀(t)存在相位差，直接相除会导致信号解调失真。

当考虑两路检测信号的光程问题时，必须考虑上测量点之间的相位差。则第一光电探测器处的光强I₁(t)表达式为

I₀为光源的直流分量；ΔI₀为光强随着电流变化的变化量幅值；ω_c为波长的角速度；t为时间；

为光源的初始相位；

为光源出射光到达第一光电探测器处增加的相位变化量。

其中

L₁为光源到第一光电探测器处的光程；C_n为光在光纤中的传输速度；v(t)为光频。

当考虑两路检测信号的光程问题时。第二光电探测器处的光强I₂(t)表达式为

A和B为固定常数；I₀(t)为光源的出射光到达第二光电探测器处的光强表达式；ω_c为波长的角速度；v₀为直流光频；Δv为光频的变化幅值；△L为两干涉臂的光程差；C_n为光在光纤中的传输速度。

其中

I₀为光源的直流分量；ΔI₀为光强随着电流变化的变化量幅值；ω_c为波长的角速度；t为时间；

为光源的初始相位；

为光源出射光到达第二光电探测器处增加的相位变化量。

其中

L₂为光源到第二光电探测器处的光程；C_n为光在光纤中的传输速度；v(t)为光频。

如上所示，若想在考虑两路检测信号的光程问题时，让第一光电探测器处的光强I₁(t)等于光源的出射光到达第一光电探测器处的光强I₀(t)，根据公式1-3、1-6；设光源的出射光到达第一光电探测器和第二光电探测器处光的相位差为

可得

I₀为光源的直流分量；ΔI₀为光强随着电流变化的变化量幅值；ω_c为波长的角速度；t为时间；

为光源的初始相位；

为光源出射光到达第一光电探测器处增加的相位变化量；

为光源的出射光到达第一光电探测器和第二光电探测器处光的相位差。

即只需要测得光源的出射光到达第一光电探测器和第二光电探测器处光的相位差为

就可通过两路检测信号的相除来克服伴生调幅效应中光强变化的影响，达到信号解调的目的。

因此采用本实施例的装置和方法，解决了由于信号采集位置的不同而引起直流光强的相位差异，从而导致高频直流光强部分的抑制信号失真问题，解决了光纤干涉仪在长距离实际应用时产生的伴生调幅消除失真问题。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，包括光纤干涉仪，光纤干涉仪包括激光器和第一耦合器，激光器能够向第一耦合器传输信号，第一耦合器与探头部连接，其特征在于，探头部的输出端和第一耦合器分别通过光电探测件与第一混频器和第二混频器连接，第一混频器和第二混频器与第三混频器及激光器连接，激光器能够向第一混频器和第二混频器输出信号，第一混频器和第二混频器能够将信号输出给第三混频器，第三混频器与控制器连接，所述光电探测件还与控制器连接，能够将第一耦合器和探头部输出的光信号转换为电信号传输给控制器。

2.如权利要求1所述的一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，其特征在于，所述控制器与激光器连接，能够控制激光器发出设定的信号。

3.如权利要求1所述的一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，其特征在于，所述探头部包括第二耦合器和第三耦合器，第二耦合器和第三耦合器与第一干涉臂和第二干涉臂的两端连接，第二干涉臂上设置有滤波件，第三耦合器与光电探测件连接。

4.如权利要求1所述的一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，其特征在于，所述探头部通过光环形器与第一耦合器连接，所述光环形器与第二光电探测器连接，所述探头部包括与光环形器连接的第四耦合器，所述第四耦合器与第三干涉臂和第四干涉臂的一端连接，第三干涉臂和第四干涉臂的另一端分别连接有第一反射镜和第二反射镜，第四干涉臂上设置有滤波件，第一反射镜和第二反射镜能够将光信号反射传输给光环形器，所述光环形器与光电探测件连接，能够将反射的光信号传输给光电探测件。

5.如权利要求3或4所述的一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，其特征在于：所述光电探测件包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器输入端与第一耦合器连接，输出端与第一混频器及控制器连接，所述第二光电探测器的输入端与探头部的输出端连接，输出端与第二混频器及控制器连接。

6.如权利要求3或4所述的一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，其特征在于：所述滤波件采用无源的光纤滤波器或有源的光开关。

7.如权利要求1所述的一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，其特征在于：所述探头部包括第五耦合器及第六耦合器，所述第五耦合器和第六耦合器之间连接有第五干涉臂和第六干涉臂，第六干涉臂设置有第七耦合器。

8.如权利要求7所述的一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置，其特征在于，所述光电探测件包括第三光电探测器、第四光电探测器及第五光电探测器，第三光电探测器的输入端与第一耦合器连接，输出端与激光器及第一混频器连接，所述第四光电探测器输入端与第七耦合器连接，输出端与第二混频器连接，所述第五光电探测器输入端与第六耦合器连接，输出端与控制器连接。

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