[发明专利]一种采用光程抵消抑制强背景噪声的微弱信号检测系统及方法

权利要求书

1.一种采用光程抵消抑制强背景噪声的微弱信号检测系统进行微弱信号检测的方法，其特征在于，所述系统包括激光器(1)、第一耦合器(2)、传感光纤(3)、参考光纤(4)、光纤长度调谐装置(5)、第二耦合器(6)、第一级光电检测装置(7)和第二级检测装置(8)；

所述激光器(1)输出接第一耦合器(2)，第一耦合器(2)输出的一臂接传感光纤(3)，另一臂依次接参考光纤(4)和光纤长度调谐装置(5)；传感光纤(3)和光纤长度调谐装置(5)的输出分别接第二耦合器(6)，以上结构构成一个马赫曾德尔干涉仪结构；第二耦合器(6)的两端分别接第一级光电检测装置(7)和第二级检测装置(8)，第一级光电检测装置(7)输出反馈回光纤长度调谐装置(5)；

所述传感光纤(3)敏感淹没在近场大噪声背景信号中的微弱信号，产生形变，干涉仪结构的两臂光程差发生改变，第一级光电检测装置(7)检测到的光功率强度随之改变，通过闭环反馈控制光纤长度调谐装置(5)调整干涉仪结构一臂的光纤长度，抵消传感光纤(3)的形变，从而抑制大噪声背景信号；大噪声背景信号被抑制后，微弱信号得以显露，通过第二级检测装置(8)检测该微弱信号；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：激光器(1)发出的光经过第一耦合器(2)分为两束在干涉仪的两臂中传输，其中一束光经过传感光纤(3)传输，另一束光经过参考光纤(4)和光纤长度调谐装置(5)传输，两束光在第二耦合器(6)合为一束并发生光学干涉；

步骤2：传感光纤(3)在强背景噪声和微弱信号的共同作用下发生形变，干涉仪两臂相对长度发生变化，进而导致两束光传播的相位差，通过光学干涉将相位差转变成光强度变化，由第一级光电检测装置(7)进行光强探测；干涉后的光强表达式为：

其中，I₀为干涉后的总光强，I₁、I₂分别是干涉仪两个臂的光强，φ_s表示微弱信号引起的相位变化，φ_n表示强背景噪声环境干扰引起的相位变化，φ₀表示初始相位，所有上面三项相位均指干涉仪两臂的相位差信号；第一级光电检测装置(7)的精度不足以检测到φ_s的变化，即其探测光强可近似为：

当φ_n+φ₀在附近区域变化时，光强对微小相位变化Δφ_s的响应有最高灵敏度；当φ_n+φ₀在0、π附近区域时，系统的响应灵敏度将大大降低，当φ_n+φ₀无规则变化时，系统响应输出将表现出极大的不稳定性；

步骤3：通过探测I₀的变化，提取强背景噪声信号和初始相差的和φ_n+φ₀，然后在光纤长度调谐装置(5)上加上反馈控制电压，产生控制相位差φ_反馈，使得干涉仪工作在一个确定的工作点上；定义φ_反馈+φ_n+φ₀为系统工作点，如下式：

当φ_n+φ₀变化时，φ_反馈也随之发生变化，控制工作点保持为一个常数值，抑制了强背景噪声导致的相位变化，且系统对微弱信号的响应有最高灵敏度；

步骤4：在上述步骤的基础上，使用第二级检测装置(8)进行强背景噪声抑制之后的小量程、高灵敏度、低噪声的微弱噪声信号检测；第二级检测装置(8)能够检测到微弱信号带来的相位改变，经过后续数据处理，即可得出微弱信号的参数信息。

2.根据权利要求1所述的一种采用光程抵消抑制强背景噪声的微弱信号检测系统进行微弱信号检测的方法，其特征在于，所述第一级光电检测装置(7)为低精度光电检测装置，用于检测大噪声背景信号并进行反馈控制，且其精度不足以分辨需要检测的微弱信号。

3.根据权利要求1所述的一种采用光程抵消抑制强背景噪声的微弱信号检测系统进行微弱信号检测的方法，其特征在于，所述第二级检测装置(8)为高精度光电检测装置，能够检测到微弱信号带来的光强改变。