[發明專利]一種正交相位保持的三波長解調式光纖聲傳感系統和方法

有效

• 申請號: 201910828132.6
• 申請日: 2019-09-03
• 公開（公告）號: CN110470378B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發明（設計）人: 荊振國;彭偉;劉強;劉悅瑩;李昂;張楊;黃致遠
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明屬于光纖傳感技術領域，公開了一種正交相位保持的三波長解調式光纖聲傳感系統和方法。波長控制和同步采樣模塊實現激光器輸出波長驅動和光電探測器數據的同步采集和傳輸。所述寬可調諧激光器實現納秒量級的波長切換速度，通過波長線性掃描獲取Fabry–Perot干涉式光纖聲傳感器的干涉光譜并計算初始腔長，進而選擇三個正交波長進行快速動態腔長解調。實時腔長的直流成分用來計算正交相位偏離量，實現三波長的正交相位鎖定，從而解決了現有三波長解調技術無法適應大幅度腔長變化導致的正交相位偏離問題。該發明可以解決現有光纖聲傳感系統的不足，采用三波長解調方式，實現高速、大動態范圍、高分辨率和高穩定性解調。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，首次提出正交相位保持的共光路三波長腔長解調方案，實現光纖聲傳感器的高速、高分辨率、高穩定性腔長解調。

背景技術

聲學信號的高性能動態傳感已得到廣泛應用，如無損檢測，光聲成像和結構狀態監測。干涉式光纖聲傳感器由于其緊湊的結構，高靈敏度，抗電磁干擾，遠程監測和多路復用能力等特性，是一種有很大潛力的聲傳感技術，尤其在極端溫度、強電磁干擾等其他無法使用傳統電學聲傳感器的使用場景。通?；谒姆N基本結構：光纖Mach-Zehnder干涉儀，光纖邁克爾遜干涉儀，光纖Sagnac干涉儀和光纖Fabry–Perot干涉儀。其中Fabry–Perot干涉聲傳感器由于具有結構簡單，體積小，穩定性高等優勢得到了廣泛的應用。當前使用最為廣泛的光纖Fabry–Perot聲傳感器解調方法是強度解調方法，輸出波長固定在正交點(Q點)，以確保最大的靈敏度和線性度。然而，Q點可能會因為環境溫度或背景壓力變化產生大的漂移，從而使檢測到的信號失真。另外，強度解調法的檢測動態范圍很小，難以檢測大聲壓。白光干涉腔長解調方法通常通過使用寬帶光源和光譜分析儀。通過互相關算法或快速傅立葉變換，可以從頻譜中解調絕對腔長。通常具有高精度和大動態范圍，但系統成本高，測量速度慢，難以勝任高速動態信號的解調。而雙波長或三波長正交相位解調技術因其高頻響應，高靈敏度和大動態范圍的特性而被廣泛應用。其中三波長解調方法由于無需計算干涉光譜的直流分量，直接根據三個正交波長的強度數據就能解調出相位值，相對雙波長解調方法，穩定性更高，更適合于工程應用。

然而，三波長正交相位解調方法的前提是要滿足正交相位條件，當Fabry–Perot聲傳感器的腔長由于外界環境溫度或壓力變化發生大幅度腔長變化時，原有的正交相位條件將無法滿足，此時繼續按照原來的方式解調得到的數據將存在不可忽略的誤差。在實際工程應用中，由于環境惡劣或者需要長期監測，有很大可能會出現大幅度腔長變化，這給三波長正交解調方式的有效性帶來了很大的挑戰。

發明內容

本發明的目的是提供一種正交相位保持的三波長解調式聲傳感系統和方法。

本發明的技術方案：

一種正交相位保持的三波長解調式光纖聲傳感系統，包括波長控制和同步采樣模塊1、快速寬可調諧激光器2、光纖環形器3、Fabry–Perot干涉式光纖聲傳感器4、光電探測器5和數據處理模塊6；

所述的波長控制和同步采樣模塊1是計算機、單片機或FPGA核心板，內置控制激光波長對應的電流查找表；波長控制和同步采樣模塊1分別與快速寬可調諧激光器2、光電探測器5和數據處理模塊6相連接，波長控制和同步采樣模塊1實現快速寬可調諧激光器2的波長控制和輸出，并通過時鐘同步，同時進行光電探測器5數據的采集、轉換和傳輸至數據處理模塊6中；

所述的光纖環形器3，分別與快速寬可調諧激光器2、Fabry–Perot干涉式光纖聲傳感器4和光電探測器5相連接；光纖環形器3用于光信號的傳輸，將來自快速寬可調諧激光器2的光信號引入Fabry–Perot干涉式光纖聲傳感器4，反射光信號再次經過光纖環形器3被光電探測器5探測；

所述的光電探測器5是具備光纖輸入接口、直流耦合的高速光電探測器，將探測到的光強信號轉換為模擬信號，經波長控制和同步采樣模塊1采集后傳輸給數據處理模塊6進行信號處理和反饋控制；