[发明专利]一种迈克尔逊声传感器的解调方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光纤声波探测技术领域，更具体地，涉及一种迈克尔逊声传感器的解调方法及装置。

技术背景

光纤传感技术以其灵敏度高、体积小、质量轻、易于复用、抗电磁干扰和够在恶劣环境下工作等优点，目前已广泛地应用于生产生活的各个领域，其中光纤声波传感技术是光纤传感应用的一个重要的分支，声波探测，特别是低频声波探测在医学成像、大型结构和建筑健康监测、海底资源探测、油气管道监测、重大自然灾害预警、深海探潜等诸多领域有着广泛的应用。光纤声波传感器以其固有的优点是人们研究的重点。

光纤声波传感系统主要由三个部分组成，声光换能结构、光信号读取系统和解调单元构成，三个部分相辅相成相互影响。

由于光纤本身对声波的响应很弱，因此需要换能结构将声压的变化转换成光纤中传输的光的特征参数的变化，目前常见的声光换能结构主要有可形变薄膜、弹性柱体和刚性薄板三种。对于弹性柱体来说，光纤通常缠绕着柱体上，为提高灵敏度，缠绕的光纤一般具有较大的长度；刚性薄板常用与超声的探测，因此一般选用可形变薄膜作为换能结构，为提高传感结构的稳定性，实现高灵敏度低频声波探测，需要选用直径小、厚度薄、光学反射率高的膜片。

换能结构将声波信号转换为光纤中传输光的特性的调制后，需要传感系统读取光信号的调制并通过相应的解调方法解调出来。因此光信号读取系统要根据换能结构和相应的解调方法进行特殊设计。根据光信号读取系统的不同，光纤声波传感器可以分为本征型光纤声波传感器、干涉型光纤声波传感器和基于特殊结构的光纤声波传感器。其中干涉型光纤声波传感器具有结构简单、灵敏度高等优点，是目前研究最为广泛的光纤声波传感器。根据其工作原理可以分为法布里-泊罗干涉型、马赫泽德干涉型、迈克尔逊干涉型和萨格纳克干涉型。

传感系统读取到的加载了声波调制的光信号需要采用适当的解调方法进行解调。目前常见的方法有直接强度解调法、斜边解调法和相位解调法，对于干涉型声波传感器，可以采用斜边解调法和相位解调法，其中相位解调法直接解调干涉仪输出信号的相位，灵敏度高、动态范围大，解决了斜边解调法中正交工作点(Q点)漂移对解调结果的影响。常见的相位解调方法有零差法和外差法，其中基于被动零差解调的相位生成载波(PGC)法和3×3光纤耦合器法应用最为广泛。

传统的基于3×3光纤耦合器的解调方法要求耦合器的分光比严格满足1:1:1且相位差等于120°，然而完全对称的光纤耦合器难以制备，同时光纤耦合器的性能参数会随着时间而退化。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种迈克尔逊声传感器的解调方法及装置，旨在解决现有的基于3×3光纤耦合器的解调方法要求耦合器的分光比严格满足1:1:1且相位差等于120°导致对3×3光纤耦合器的性能参数要求高的技术问题。

作为本发明的一方面，本发明提供了一种迈克尔逊声传感器的解调方法，包括如下步骤：

对一个采样周期的第一干涉信号和第二干涉信号进行椭圆拟合处理获得两个干涉信号散点关系；并根据两个干涉信号的散点关系获得第一干涉信号的直流分量和第二干涉信号的直流分量；

根据第一干涉信号和第一干涉信号的直流分量获得第一干涉信号的交流分量；第二干涉信号和第二干涉信号的直流分量获得第二干涉信号的交流分量；

根据第一干涉信号的交流分量和第二干涉信号的交流分量进行微分交叉相乘处理提取被测信号的微分量；

对被测信号的微分量进行积分处理和高通滤波获得被测信号。

优选地，两个干涉信号散点关系满足公式I₁²+a₁I₁I₂+a₂I₂²+a₃I₁+a₄I₂+a₅＝0，

式中，I₁为第一干涉信号，I₂为第二干涉信号，a_i表示为椭圆的相关系数，1≤i≤5。

优选地，根据公式获得第一干涉信号的直流分量；根据公式获得第二干涉信号的直流分量。

优选地，根据公式获得中间解调信号；

式中，I_1AC为第一干涉信号的交流分量，I_2AC为第二干涉信号的直流分量。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种迈克尔逊声传感器的解调装置，包括：