一種消除光強擾動的高穩定性光纖傳感裝置及解調方法與流程

本發明屬于干涉型光纖傳感技術領域，特別是一種可以消除光強干擾的高穩定性的光纖傳感裝置和方法。

背景技術：

振動廣泛存在于工業活動和人們的生活當中,如地震,機械工業中機床的運轉,鐵路和橋梁等的晃動等。實現對振動的傳感對地震的早期預測，機械部件工作狀態的檢測,鐵路和橋梁的安全監測，以及對長距離輸油、輸電線路安全的保證，具有非常重要的現實意義。

光纖傳感傳送頻帶寬、信息容量大、傳輸損耗低,適合遙測遙控；對外界環境變化敏感,對多種物理量具有優良的傳感性能；可通過陣列式或分布式結構實現大規模、長距離傳感等。

相位生成載波調制解調是通過在干涉儀中引入檢測信號帶寬外的某一頻率的大幅度相位調制信號,使所檢測信號成為這些大幅度載波的邊帶,然后在接收端利用PGC解調算法對待測信號進行提取。然而傳統的PGC解調算法易受到光強不穩定的影響，當光纖傳感器中光的強度不穩定時，解調結果將發生失真。

技術實現要素：

本發明的目的是解決當光纖傳感器中光強度不穩定使解調結果發生失真的問題，提出一種消除光強擾動的高穩定性光纖傳感裝置及解調方法。該傳感裝置中引入一個振幅恒定的參考信號與待測信號一起進行調制，在接收端利用解波分復用器對待測信號與參考信號進行分離，其解調方法采用基于參考補償的PGC解調算法，通過光強干擾對參考信號的影響測量光強擾動，進而對待測信號進行補償，消除光強干擾對解調結果的影響，提高傳感裝置的穩定性。

本發明的技術方案：

一種消除光強擾動的具有高穩定性的光纖傳感裝置，該傳感裝置如圖1所示，包括：寬帶光源，隔離器，光纖傳感陣列，光電探測器陣列，數據采集卡及微型計算機；所述寬帶光源經過隔離器與光纖傳感陣列相連，光纖傳感陣列輸出的光信號由光電探測器陣列進行檢測，之后由數據采集卡對光電探測器陣列的輸出信號進行模數轉換，再利用微型計算機中的解調算法對輸出信號進行數據處理。

所述的光纖傳感陣列的組成方式如圖2所示：2×2耦合器C0的a端口作為光纖傳感陣列的輸入端與隔離器連接，2×2耦合器C0的c端口接波分復用器M1輸入口，波分復用器M1的輸出口和傳感臂陣列相連接(所述的傳感臂陣列由n個傳感臂組成，所述2×2耦合器C0的c端口接波分復用器輸入口，波分復用器具有N個輸出端口，N≥2n，其中2n個波分復用器的輸出端口分別連接2×1耦合器C1，C2…Cn的a/b端，每個2×1耦合器的c端口各連接一個傳感光纖F1，F2…，或Fn，每個傳感光纖的另外一端接兩個光纖光柵B1、B2，…，或B2n-1、B2n，兩個光纖光柵B2n-1、B2n的中心波長分別與對應2×1耦合器Cn的a/b端口所連接波分復用端口的波長一致，兩個光纖光柵之間的光纖上各纏有一個壓電陶瓷P1，…或Pn)，2×2耦合器C0的d端口接參考臂(所述的參考臂由參考光纖F0、法拉第旋轉鏡L及壓電陶瓷P0構成，2×2耦合器C0的d端口連接參考光纖F0，參考光纖的另一端和法拉第旋轉鏡L相連接，參考光纖上纏有一個壓電陶瓷P0)，傳感臂陣列信號與參考臂信號在2×2耦合器C0的b端口干涉輸出。

所述的光電探測器陣列由解波分復用器M2和2n個光電探測器D1,D2…D2n構成，如圖3所示；所述2×2耦合器C0的b端口連接解波分復用器M2的輸入端口。解波分復用器M2具有N個輸出端口(N≥2n)，其中2n個輸出端口各連接一個光電檢測器。

所述的傳感光纖為普通的單模光纖，待測信號加載到此光纖上，光纖長度可根據具體需求進行調整。

本發明同時給出了采用所述裝置進行基于參考補償的PGC解調方法。

所述的解調方法包括以下步驟：

(1)在壓電陶瓷P0上加載由信號發生器產生的正弦信號cosω₀t作為載波。在壓電陶瓷P1-Pn上加載由信號發生器產生的幅度恒定的正弦信號作為參考信號；

(2)寬帶光源輸出經隔離器，光纖傳感陣列，由光電探測器陣列探測，采樣并模數轉換后輸出2n路信號；

(3)對第每個傳感臂上的信號進行解調，得到每個傳感臂上的待測信號。

所述的對第每個傳感臂上的信號進行如下解調處理：將第2i路信號與基頻載波cosω₀t和2倍載波cos2ω₀t混頻，再依次通過低通濾波器濾波、微分交叉相乘、相減積分后，得到信號S_2i，；第2i-1路信號與基頻載波cosω₀t和2倍載波cos2ω₀t混頻，再依次通過低通濾波器濾波、微分交叉相乘、相減積分后，得到信號S_2i-1；將信號S_2i和信號S_2i-1進行相減運算，得到信號M_i；計算信號M_i的上下包絡，并對上下包絡進行相減運算，得到信號R_i；將信號S_2i-1與信號R_i相除，再經過帶通濾波器得到信號O_i，O_i即為第i個傳感臂上的待測信號，i取正整數1，2，3，4…n。

所述方法所能測量的傳感臂的路數n受波分復用器及解波分復用器的輸出端口的數量N限制(1≦n≦N/2)，可根據使用需要確定。

所述方法的采樣頻率對測量精度的影響較為明顯，采樣頻率越高，測量精度越大。

所述的方法可消除頻率小于參考信號頻率的光源不穩定，因此參考信號的頻率應該設置的盡量高。

所述的方法中，待測信號的頻率ω_s與幅度D，以及載波信號頻率ω₀應滿足關系式這樣可以使得頻譜不發生混疊，待測信號才能正確解調。

本發明的優點和有益效果

本發明提出了一種結構簡單、成本低且易于實現的探測振動點信號波形的裝置和解調方法。基于本發明的光路結構和解調方法，可以較為準確的測量振動波形，且解調結果相對穩定。通過把調制和傳感分開，使其易于適用各種復雜環境下的傳感。在解調算法部分，利用參考補償的方法，可以消除光源不穩定引起的解調失真。且本系統利于光纖傳感的陣列化，實現多路信號同時測量且降低使用成本。

附圖說明

圖1為本發明光纖傳感裝置的結構圖。

圖2為本發明光纖傳感陣列圖。

圖3為本發明光電探測器陣列圖。

圖4為本發明解調算法流程圖。

圖5為傳統解調算法解調信號圖(a)與本發明實施例1的解調信號圖(b)，其中載波頻率為10000Hz，采樣頻率取500KHz，待測信號頻率為700Hz，參考信號頻率為2000Hz，不引入光強擾動。

圖6為傳統解調算法解調信號圖(a)與本發明實施例2的解調信號圖(b)，其中載波頻率為10000Hz，采樣頻率取500KHz，待測信號頻率為700Hz，參考信號頻率為2000Hz，引入頻率為50Hz的光強擾動。

圖7為傳統解調算法解調信號圖(a)與本發明實施例3的解調信號圖(b)，其中載波頻率為10000Hz，采樣頻率取500KHz，待測信號頻率為700Hz，參考信號頻率為2000Hz，引入頻率為100Hz的光強擾動。

圖8為傳統解調算法解調信號圖(a)與本發明實施例4的解調信號圖(b)，其中載波頻率為10000Hz，采樣頻率取500KHz，待測信號頻率為500Hz，參考信號頻率為2000Hz，引入頻率為50Hz的光強擾動。

圖9為傳統解調算法解調信號圖(a)與本發明實施例5的解調信號圖(b)，其中載波頻率為10000Hz，采樣頻率取500KHz，待測信號頻率為500Hz，參考信號頻率為2000Hz，引入頻率為100Hz的光強擾動。

圖中：1為寬帶光源，2為隔離器，3為光纖傳感陣列，4為光電探測器陣列，5為數據采集卡，6為微型計算機，C0為2×2耦合器，C1，C2…Cn為2×1耦合器，M1為波分復用器，M2為解波分復用器，F0為參考光纖，F1，F2…Fn為傳感光纖，P0，P1…Pn為壓電陶瓷，B1,B2…B2n為光纖光柵，L為法拉第旋轉鏡。D1，D2…D2n為光電探測器。

具體實施方式

實施例1：

如圖1所示，一種消除光強擾動的具有高穩定性的光纖傳感裝置，該傳感裝置包括：寬帶光源1，隔離器2，光纖傳感陣列3，光電探測器陣列4，數據采集卡5及微型計算機6；寬帶光源經過隔離器與光纖傳感陣列相連，光纖傳感陣列輸出的光信號由光電探測器陣列進行檢測，之后由數據采集卡對光電探測器陣列的輸出信號進行模數轉換，再由微型計算機利用解調算法對輸出信號進行數據處理。

所述的光纖傳感陣列的組成方式如圖2所示：2×2耦合器C0的a端口作為光纖傳感陣列的輸入端與隔離器連接，2×2耦合器C0的d端口接參考臂(所述的參考臂由壓電陶瓷、參考光纖及法拉第旋轉鏡構成，參考光纖的一端接2×2耦合器C0的d端口，參考光纖的另一端接法拉第旋轉器L，參考光纖F0上纏有壓電陶瓷P0)，2×2耦合器C0的c端口接波分復用器M1的輸入口，波分復用器的輸出口和傳感臂陣列相連接(所述的傳感臂陣列由n個傳感臂組成，所述2×2耦合器C0的c端口接波分復用器輸入口，波分復用器具有2n個輸出端口，波分復用器的輸出端口分別連接n個2×1耦合器(C1、C2、...、Cn)的a/b端，n個2×1耦合器的c口各連接一個傳感光纖(F1，F2、…或Fn)，傳感光纖的另外一端接兩個光纖光柵B1、B2；…；或B2n-1、B2n，兩個光纖光柵B1、B2；…或B2n-1、B2n的中心波長分別與對應2×1耦合器的a/b端口所連接波分復用端口的波長一致，兩個光纖光柵之間的光纖上纏有一個壓電陶瓷(P1、P2、...或Pn))，傳感臂陣列信號與參考臂信號在2×2耦合器C0的b端口干涉輸出。

所述的光電探測器陣列由解波分復用器M2和2n個光電探測器(D1、D2、…或D2n)構成，如圖3所示；所述2×2耦合器的b端口連接解波分復用器M2的輸入端口。解波分復用器具有2n個輸出端口，所述的2n個輸出端口各連接一個光電檢測器(D1、D2、…或D2n)。各光電檢測器的檢測值由數據采集卡5采集，之后輸出到微型計算機6中利用解調算法進行處理，本發明的解調算法為基于參考補償的PGC解調算法，解調算法流程如圖4所示。

解調方法的具體過程是：首先在壓電陶瓷P0上加載由信號發生器產生的頻率為10000Hz的正弦信號cosω₀t作為載波；在壓電陶瓷P1-Pn上加載由信號發生器產生的幅度恒定的頻率為2000Hz的正弦信號作為參考信號；寬帶光源輸出經隔離器，光纖傳感陣列，由光電探測器陣列探測，采樣并模數轉換后輸出2n路信號；對第i個傳感臂上的信號進行解調，得到第i個傳感臂上的待測信號,i取正整數1，2，3，4…n。

所述的對第i個傳感臂上的信號進行解調的方法是，將第2i路信號與基頻載波cosω₀t和2倍載波cos2ω₀t混頻，再依次通過低通濾波器濾波、微分交叉相乘、相減積分后，得到信號S_2i，；第2i-1路信號與基頻載波cosω₀t和2倍載波cos2ω₀t混頻，再依次通過低通濾波器濾波、微分交叉相乘、相減積分后，得到信號S_2i-1；將信號S_2i和信號S_2i-1進行相減運算，得到信號M_i；計算信號M_i的上下包絡，并對上下包絡進行相減運算，得到信號R_i；將信號S_2i-1與信號R_i相除，再經過帶通濾波器得到信號O_i，O_i即為第i個傳感臂上的待測信號。

本實施例中，光源選用寬帶光源，功率選取為150mw。信號發生器產生的載波頻率選取為10000Hz，解調電路中信號采樣頻率選取為500KHz，待測信號選取為幅值為1，頻率為700Hz的正弦波，參考信號頻率為2000Hz，不引入光強擾動。根據圖5可以得出，傳統解調算法和本發明算法都可以使待測信號正確解調。

實施例2：

本實施例具體結構同實施例1，其中，光源選用寬帶光源，功率選取為150mw。信號發生器產生的載波頻率選取為10000Hz，解調電路中信號采樣頻率選取為500KHz，待測信號選取為幅值為1，頻率為700Hz的正弦波，參考信號頻率為2000Hz，引入50Hz的光強擾動。根據圖6可以得出，傳統解調算法解調失真，本發明算法都可以使待測信號正確解調。

實施例3：

本實施例具體結構同實施例1，其中，光源選用寬帶光源，功率選取為150mw。信號發生器產生的載波頻率選取為10000Hz，解調電路中信號采樣頻率選取為500KHz，待測信號選取為幅值為1，頻率為700Hz的正弦波，參考信號頻率為2000Hz，引入100Hz的光強擾動。根據圖7可以得出，傳統解調算法解調失真，本發明算法都可以使待測信號正確解調。

實施例4：

本實施例具體結構同實施例1，其中，光源選用寬帶光源，功率選取為150mw。信號發生器產生的載波頻率選取為10000Hz，解調電路中信號采樣頻率選取為500KHz，待測信號選取為幅值為1，頻率為500Hz的正弦波，參考信號頻率為2000Hz，引入50Hz的光強擾動。根據圖8可以得出，傳統解調算法解調失真，本發明算法都可以使待測信號正確解調。

實施例5：

本實施例具體結構同實施例1，其中，光源選用寬帶光源，功率選取為150mw。信號發生器產生的載波頻率選取為10000Hz，解調電路中信號采樣頻率選取為500KHz，待測信號選取為幅值為1，頻率為500Hz的正弦波，參考信號頻率為2000Hz，引入100Hz的光強擾動。根據圖9可以得出，傳統解調算法解調失真，本發明算法都可以使待測信號正確解調。

以上實施例中，光耦合器的型號為SC-1550-50/50-0；壓電陶瓷的型號為CZ25437-0030-0012；光電探測器的型號為KG-PIN-1G-A-FA。