[发明专利]一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置及解调方法有效

专利信息
申请号: 201410218701.2 申请日: 2014-05-22
公开(公告)号: CN103954310A 公开(公告)日: 2014-07-30
发明(设计)人: 姚琼;熊水东;曹春燕;梁迅;罗洪;杨华勇;孟洲 申请(专利权)人: 中国人民解放军国防科学技术大学
主分类号: G01D5/353 分类号: G01D5/353
代理公司: 国防科技大学专利服务中心 43202 代理人: 李振
地址: 410073 湖*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 一种 干涉 光纤 传感器 动态 信号 解调 装置 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及干涉型光纤传感器的信号解调领域,主要是一种适用于干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置及解调方法。

背景技术

光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种新型传感技术。与传统传感技术不同,它以光波为载体,光纤为媒质,感知和传输外界被测信号。由于光纤柔软、纤细、重量轻、体积小、频带宽、具有良好的传光特性和电绝缘性,而且光纤本身就可作为一个敏感元件,因此光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰,耐高压,耐腐蚀,体积小,重量轻,传输距离远,易阵列复用,构成大规模阵列等特点,在国防军事、航空航天、工农矿业、能源环保、建筑结构、生物医学等各个领域具有广阔的应用。

在各种类型的光纤传感器中,干涉型光纤传感器通过高灵敏度的光纤相干检测技术,将被测信号转换成光信号,并通过光纤传至信号处理系统从而提取信息,具有灵敏度高、便于复用等诸多优异的特性。由于被测信号是以相位信息形式加载在干涉型光纤传感器输出信号中,并且由于干涉型光纤传感器中存在着随机相位衰落现象,必须对其进行信号调制解调才能实现稳定的信号检测,因此信号解调方法成为了干涉型光纤传感器应用中的关键技术。

随着干涉型光纤传感器在海洋物理信息获取、水下目标探测、油气勘探、地震波监测等领域的应用越来越广泛深入,实现大动态范围信号检测和大规模阵列化已成为其发展的重要方向。例如,在油气探测、地层勘探领域,可以采用干涉型光纤地震检波器进行地层信息的探测,为了获得丰富的地层反射信息,要采用幅度大、频带宽的声发射源,需要光纤地震检波器具有较强的宽频大信号解调能力;在水下目标探测领域,为了满足主被动探测的应用要求,也需要保证传感器具有大的动态范围。

目前,干涉型光纤传感器主要的信号解调方案有相位载波(Phase Generated Carrier,简称PGC)、外差解调、3×3耦合器多相检测等。

PGC方法中动态范围受调制频率限制,并且采样频率要求至少为调制频率的8倍;而外差解调方法中动态范围受外差频率限制,并且采样频率要求至少为外差频率的4倍。因此,在PGC方法和外差解调方法中,提高动态范围需要提高调制频率或外差频率,从而使得对采样频率的要求将成倍增加,系统的技术难度和成本也大大增加。

3×3耦合器多相检测法动态范围大,每个传感器都要加入3×3耦合器,光路结构复杂,且每个传感器有三路输出信号,需要三路光学采样通道,也增加了系统的硬件复杂性和成本,不适用于大规模复用的干涉型光纤传感系统。

针对越来越明确和紧迫的应用需求,迫切需要发展一种适用于干涉型光纤传感器的大动态信号解调方法,在不增加系统复杂性和成本条件下,扩展动态范围,推动干涉型光纤传感器向大动态范围、大规模复用阵列方向发展。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺点和不足,提供一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置和解调方法,为大规模干涉型光纤传感系统的大动态信号检测应用提供一种有效的信号解调方案。

本发明所采用的技术方案是:一种干涉型光纤传感器的大动态信号解调装置,由激光器1、相位调制器2、强度调制器3、驱动信号源4、干涉型光纤传感器5、光电转换器6、数字信号处理机7组成;激光器1发出的光经过光纤传输入相位调制器2的输入端口,在相位调制器2中进行台阶波相位调制后形成光信号,从相位调制器2的输出端口输出;相位调制器2的输出端口通过光纤连接强度调制器3的输入端口,光信号从强度调制器3的输入端口输入,在强度调制器3内经脉冲强度调制后产生光脉冲对,从强度调制器3的输出端口输出;驱动信号源4两个输出端口分别连接相位调制器2和强度调制器3的驱动信号输入端口,提供相位调制器2和强度调制器3的驱动电信号;强度调制器3的输出端口通过光纤与干涉型光纤传感器5的输入端口连接,所述干涉型光纤传感器5采用非平衡结构,光脉冲对从干涉型光纤传感器5的输入端口输入,在干涉型光纤传感器5内形成干涉,产生的干涉光信号从干涉型光纤传感器5的输出端口输出;干涉型光纤传感器5的输出端口通过光纤与光电转换器6的输入端口连接,干涉光信号从光电转换器6的输入端口输入,在光电转换器6内进行光电转换后完成数字采样,形成采样数字信号,从光电转换器6的输出端口输出;光电转换器6输出端口通过电缆连接数字信号处理机7的输入端口,采样数字信号从数字信号处理机7的输入端口输入,依次通过数据预处理模块71、正交信号提取模块72、正交信号解调模块73完成解调算法后,获得被测相位信息,最后通过数据输出模块74输出。

进一步地,所述的激光器1为窄线宽激光器,如光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。

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