[发明专利]一种扰动波形和位置同时测量的光纤传感装置和解调方法

说明书

一种扰动波形和位置同时测量的光纤传感装置和解调方法，所述装置包括双波长Sagnac干涉仪、光电探测器以及信号解调部分。搭建双波长Sagnac干涉仪实现对扰动信号的感知；在信号解调部分，采用基于3×3耦合器的不对称相除算法，正确解调扰动信号波形，通过相位比值定位法得出扰动位置。本发明的优点是：在光路部分，双波长Sagnac干涉仪复用同一传感光纤，可提高系统信噪比；在解调算法部分，基于3×3耦合器的不对称相除算法采样频率低、不需要载波信号、抗光强干扰、无谐波失真，相位比值定位法可对任意频率的扰动信号进行定位。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种扰动波形和位置同时测量的光纤传感装置和解调方法。

背景技术

干涉型光纤传感器因其具有灵敏度高、抗电磁干扰、动态范围大、结构多样化、便于复用等优点而被应用到各领域，如周界安防、石油泄漏、水听器等。典型的干涉技术包括Sagnac干涉技术、Michelson干涉技术、M-Z干涉技术。其中，Sagnac干涉仪和Michelson干涉技术均采用基于频谱变换的零频点法定位，从而限制了可检测扰动信号的频率，而M-Z干涉仪中光是分别经过两根光纤进行传播的，温度等环境的变化作用于传感光纤会引起传输光相位的变化，从而使系统的信噪比降低。而后提出的M-Z和Sagnac组合性干涉仪采用基于频谱变换的零频点法定位，从而限制了可检测扰动信号的频率。

外界扰动通过干涉测量技术转化为光纤中光波相位的变化，要从干涉信号中恢复出扰动信号，需要专门的解调技术，解调技术的好坏直接影响到测量精度与系统的动态范围。目前常用的解调方案主要有3×3耦合器解调法和相位生成载波(PGC)调制解调法。传统的PGC解调技术主要包括交叉微分相乘(PGC-DCM)算法和反正切(PGC-Arctan)算法，其中PGC-DCM算法受光强扰动影响会导致解调信号失真，PGC-Arctan算法在载波调制深度偏离2.63rad时会引起谐波失真。为此提出了一系列既能消除光强扰动对解调结果的影响又不会引起谐波失真的改进算法，如微分自相乘(PGC-DSM)法、不对称相除法等。而在PGC解调算法中由于低通滤波器的使用，忽略了高阶Bessel函数，会造成解调结果的失真，同时有限的载波频率会导致系统的动态范围受到限制。

3×3耦合器解调法不需要载波调制，且其测量范围大，灵敏度高，最低采样频率低，解调简单。传统的3×3耦合器解调法要求3×3耦合器输出信号间产生绝对120⁰的相位差，且3×3耦合器分光比为1:1:1，这是该解调方案的致命缺陷。为此提出了一系列的改良方案以消除由于3×3耦合器的不对称所带来的影响，以消除分光比和相位差不稳定带来的影响。而现有的反正切法会因为Arctan算法的使用而使解调范围受限。

针对基于相位调制的干涉型光纤传感器，国内外提出了很多不同的光纤传感定位技术。主要包括两路干涉结果解调相位的比值定位法，基于频谱变换的零频点法和基于时延估计的方法。基于频谱变换的零频点法定位依赖于扰动信号的频率特性。因此，干涉型光纤传感系统应尽量避免采用基于频谱变换的零频点法定位。

发明内容

本发明目的是解决PGC解调算法动态范围受限以及基于频谱变换的零频点法定位依赖于扰动信号频率的问题，提供一种扰动波形和位置同时测量的光纤传感装置和解调方法，通过双波长Sagnac干涉仪实现对外界扰动波形的探测和外界扰动位置的确定。在光纤感测部分，通过两个不同波长的窄带滤波器对宽带光源发出的光进行滤波，实现双波长Sagnac干涉仪以达到感知扰动信号的目的；在信号解调部分，采用基于3×3耦合器的不对称相除算法，正确解调扰动信号波形，通过相位比值定位法得出扰动位置。

本发明的技术方案：