[發明專利]一種干涉型光纖傳感器的大動態信號解調裝置及解調方法

有效

• 申請號: 201410218701.2
• 申請日: 2014-05-22
• 公開（公告）號: CN103954310A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 姚瓊;熊水東;曹春燕;梁迅;羅洪;楊華勇;孟洲
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 李振

技術領域

本發明涉及干涉型光纖傳感器的信號解調領域，主要是一種適用于干涉型光纖傳感器的大動態信號解調裝置及解調方法。

背景技術

光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨著光纖及光纖通信技術的發展而迅速發展起來的一種新型傳感技術。與傳統傳感技術不同，它以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測信號。由于光纖柔軟、纖細、重量輕、體積小、頻帶寬、具有良好的傳光特性和電絕緣性，而且光纖本身就可作為一個敏感元件，因此光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾，耐高壓，耐腐蝕，體積小，重量輕，傳輸距離遠，易陣列復用，構成大規模陣列等特點，在國防軍事、航空航天、工農礦業、能源環保、建筑結構、生物醫學等各個領域具有廣闊的應用。

在各種類型的光纖傳感器中，干涉型光纖傳感器通過高靈敏度的光纖相干檢測技術，將被測信號轉換成光信號，并通過光纖傳至信號處理系統從而提取信息，具有靈敏度高、便于復用等諸多優異的特性。由于被測信號是以相位信息形式加載在干涉型光纖傳感器輸出信號中，并且由于干涉型光纖傳感器中存在著隨機相位衰落現象，必須對其進行信號調制解調才能實現穩定的信號檢測，因此信號解調方法成為了干涉型光纖傳感器應用中的關鍵技術。

隨著干涉型光纖傳感器在海洋物理信息獲取、水下目標探測、油氣勘探、地震波監測等領域的應用越來越廣泛深入，實現大動態范圍信號檢測和大規模陣列化已成為其發展的重要方向。例如，在油氣探測、地層勘探領域，可以采用干涉型光纖地震檢波器進行地層信息的探測，為了獲得豐富的地層反射信息，要采用幅度大、頻帶寬的聲發射源，需要光纖地震檢波器具有較強的寬頻大信號解調能力；在水下目標探測領域，為了滿足主被動探測的應用要求，也需要保證傳感器具有大的動態范圍。

目前，干涉型光纖傳感器主要的信號解調方案有相位載波(Phase?Generated?Carrier，簡稱PGC)、外差解調、3×3耦合器多相檢測等。

PGC方法中動態范圍受調制頻率限制，并且采樣頻率要求至少為調制頻率的8倍；而外差解調方法中動態范圍受外差頻率限制，并且采樣頻率要求至少為外差頻率的4倍。因此，在PGC方法和外差解調方法中，提高動態范圍需要提高調制頻率或外差頻率，從而使得對采樣頻率的要求將成倍增加，系統的技術難度和成本也大大增加。

3×3耦合器多相檢測法動態范圍大，每個傳感器都要加入3×3耦合器，光路結構復雜，且每個傳感器有三路輸出信號，需要三路光學采樣通道，也增加了系統的硬件復雜性和成本，不適用于大規模復用的干涉型光纖傳感系統。

針對越來越明確和緊迫的應用需求，迫切需要發展一種適用于干涉型光纖傳感器的大動態信號解調方法，在不增加系統復雜性和成本條件下，擴展動態范圍，推動干涉型光纖傳感器向大動態范圍、大規模復用陣列方向發展。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中的缺點和不足，提供一種干涉型光纖傳感器的大動態信號解調裝置和解調方法，為大規模干涉型光纖傳感系統的大動態信號檢測應用提供一種有效的信號解調方案。

本發明所采用的技術方案是：一種干涉型光纖傳感器的大動態信號解調裝置，由激光器1、相位調制器2、強度調制器3、驅動信號源4、干涉型光纖傳感器5、光電轉換器6、數字信號處理機7組成；激光器1發出的光經過光纖傳輸入相位調制器2的輸入端口，在相位調制器2中進行臺階波相位調制后形成光信號，從相位調制器2的輸出端口輸出；相位調制器2的輸出端口通過光纖連接強度調制器3的輸入端口，光信號從強度調制器3的輸入端口輸入，在強度調制器3內經脈沖強度調制后產生光脈沖對，從強度調制器3的輸出端口輸出；驅動信號源4兩個輸出端口分別連接相位調制器2和強度調制器3的驅動信號輸入端口，提供相位調制器2和強度調制器3的驅動電信號；強度調制器3的輸出端口通過光纖與干涉型光纖傳感器5的輸入端口連接，所述干涉型光纖傳感器5采用非平衡結構，光脈沖對從干涉型光纖傳感器5的輸入端口輸入，在干涉型光纖傳感器5內形成干涉，產生的干涉光信號從干涉型光纖傳感器5的輸出端口輸出；干涉型光纖傳感器5的輸出端口通過光纖與光電轉換器6的輸入端口連接，干涉光信號從光電轉換器6的輸入端口輸入，在光電轉換器6內進行光電轉換后完成數字采樣，形成采樣數字信號，從光電轉換器6的輸出端口輸出；光電轉換器6輸出端口通過電纜連接數字信號處理機7的輸入端口，采樣數字信號從數字信號處理機7的輸入端口輸入，依次通過數據預處理模塊71、正交信號提取模塊72、正交信號解調模塊73完成解調算法后，獲得被測相位信息，最后通過數據輸出模塊74輸出。

進一步地，所述的激光器1為窄線寬激光器，如光纖激光器、半導體激光器或固體激光器。