[發明專利]一種光學干涉相位解調方法和聲波測量系統

有效

• 申請號: 202110393116.6
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113203468B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 魯平;張萬金;瞿致遠;司馬朝坦;劉德明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 王穎翀

本發明公開了一種光學干涉相位解調方法和聲波測量系統，屬于聲波測量領域，所述方法包括：S1：采集第一干涉信號V₁、第二干涉信號V₂、第一對比度B₁和第二對比度B₂；S2：對V₁和V₂做直線擬合獲得所述直線的斜率k和截距b；S3：利用k、b、V₁、V₂、B₁、B₂計算得到歸一化信號V_n；S4：對V_n采用三角變換構建第一正交信號V_x和第二正交信號V_y；S5：對V_x和V_y采用微分交叉相乘算法進行處理計算待測相位信號V_m。本發明對兩路正交信號采用微分交叉相乘算法實現相位解調，無論是小信號或者大信號，直線擬合算法和三角變換都不受影響，且無需采用光譜采集設備或者引入調制信號。由此提升解調算法動態范圍，還能適合于低頻信號的相位解調。

技術領域

本發明屬于聲波探測領域，更具體地，涉及一種光學干涉相位解調方法和聲波測量系統。

背景技術

聲波探測技術廣泛的被應用于氣體泄漏監測、潛艇探測、氣體濃度監測等領域，待測聲波信號頻段覆蓋次聲波、可聽聲、超聲波，聲壓大小從微帕量級到數百帕量級，具有動態范圍大、探測頻段寬的特點。基于光纖聲波傳感器的聲波測量系統因為其體積小、重量輕、抗電磁干擾和精度高等特點而受到廣泛的研究，常見的光纖聲波傳感器為邁克爾遜干涉型傳感器和法布里珀羅干涉型傳感器，通過特定的換能元件，如聲光換能薄膜和彈性柱體，將聲波信號轉化為干涉型傳感器的相位變化，結合相位解調算法，將相位變化解調出來，結合傳感器的靈敏度，得到聲波信號。

常用的相位解調算法有正交工作點解調算法、正交雙波長解調算法、光譜解調算法和相位生成載波解調算法。

對于正交工作點解調算法，通過將調節波長使得初始相位位于干涉儀的正交工作點，同時將干涉譜的余弦函數部分近似為線性函數，從而將相位變化轉換為光強變化，該算法簡單容易實現，能夠實現寬頻帶信號的相位解調，但是其解調結果容易受到初始相位的影響，當初始相位由于環境擾動等影響偏離干涉儀的正交工作點時，相位解調結果可能出現嚴重失真，需要采用一定的反饋控制電路穩定其初始相位，此外，由于對干涉譜采用了線性近似，相位變化受限于線性近似的線性區，使得該算法的動態范圍有限，不適合于大信號的相位解調。

對于正交雙波長解調算法，通過波長獲得兩路正交信號，采用橢圓擬合算法去除兩路正交信號的直流分量和微分交叉相乘算法獲取相位變化，該算法不受干涉儀的初始相位以及光源功率和波長抖動的影響，系統簡單，穩定性好，能夠實現寬頻帶信號的相位解調，但是由于采用了橢圓擬合算法，當相位變化為小信號時，橢圓退化為直線，橢圓擬合算法誤差較大甚至失效，因此該算法不適合于小信號的相位解調。

對于光譜解調算法，通過對干涉儀的干涉光譜進行運算，獲得干涉儀的相位，該算法精度高，動態范圍大，但受限于現有光譜采集設備的采樣率，該算法僅適用于低頻信號的相位解調。

對于相位生成載波解調算法，通過對干涉儀進行相位載波調制，將待測相位信號調制到載波信號上，對調制信號運算獲得相位信號，該算法精度高，動態范圍大，但對采樣頻率有極高的要求，該算法系統復雜，僅適合于低頻信號的相位解調。

也即，現有聲波測量方法存在帶寬有限、動態范圍有限和穩定性差等問題，無法同時實現高動態范圍、寬頻帶信號的相位解調。

發明內容