[发明专利]一种正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统和方法

说明书

本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统和方法。波长控制和同步采样模块实现激光器输出波长驱动和光电探测器数据的同步采集和传输。所述宽可调谐激光器实现纳秒量级的波长切换速度，通过波长线性扫描获取Fabry–Perot干涉式光纤声传感器的干涉光谱并计算初始腔长，进而选择三个正交波长进行快速动态腔长解调。实时腔长的直流成分用来计算正交相位偏离量，实现三波长的正交相位锁定，从而解决了现有三波长解调技术无法适应大幅度腔长变化导致的正交相位偏离问题。该发明可以解决现有光纤声传感系统的不足，采用三波长解调方式，实现高速、大动态范围、高分辨率和高稳定性解调。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，首次提出正交相位保持的共光路三波长腔长解调方案，实现光纤声传感器的高速、高分辨率、高稳定性腔长解调。

背景技术

声学信号的高性能动态传感已得到广泛应用，如无损检测，光声成像和结构状态监测。干涉式光纤声传感器由于其紧凑的结构，高灵敏度，抗电磁干扰，远程监测和多路复用能力等特性，是一种有很大潜力的声传感技术，尤其在极端温度、强电磁干扰等其他无法使用传统电学声传感器的使用场景。通常基于四种基本结构：光纤Mach-Zehnder干涉仪，光纤迈克尔逊干涉仪，光纤Sagnac干涉仪和光纤Fabry–Perot干涉仪。其中Fabry–Perot干涉声传感器由于具有结构简单，体积小，稳定性高等优势得到了广泛的应用。当前使用最为广泛的光纤Fabry–Perot声传感器解调方法是强度解调方法，输出波长固定在正交点(Q点)，以确保最大的灵敏度和线性度。然而，Q点可能会因为环境温度或背景压力变化产生大的漂移，从而使检测到的信号失真。另外，强度解调法的检测动态范围很小，难以检测大声压。白光干涉腔长解调方法通常通过使用宽带光源和光谱分析仪。通过互相关算法或快速傅立叶变换，可以从频谱中解调绝对腔长。通常具有高精度和大动态范围，但系统成本高，测量速度慢，难以胜任高速动态信号的解调。而双波长或三波长正交相位解调技术因其高频响应，高灵敏度和大动态范围的特性而被广泛应用。其中三波长解调方法由于无需计算干涉光谱的直流分量，直接根据三个正交波长的强度数据就能解调出相位值，相对双波长解调方法，稳定性更高，更适合于工程应用。

然而，三波长正交相位解调方法的前提是要满足正交相位条件，当Fabry–Perot声传感器的腔长由于外界环境温度或压力变化发生大幅度腔长变化时，原有的正交相位条件将无法满足，此时继续按照原来的方式解调得到的数据将存在不可忽略的误差。在实际工程应用中，由于环境恶劣或者需要长期监测，有很大可能会出现大幅度腔长变化，这给三波长正交解调方式的有效性带来了很大的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种正交相位保持的三波长解调式声传感系统和方法。

本发明的技术方案：

一种正交相位保持的三波长解调式光纤声传感系统，包括波长控制和同步采样模块1、快速宽可调谐激光器2、光纤环形器3、Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4、光电探测器5和数据处理模块6；

所述的波长控制和同步采样模块1是计算机、单片机或FPGA核心板，内置控制激光波长对应的电流查找表；波长控制和同步采样模块1分别与快速宽可调谐激光器2、光电探测器5和数据处理模块6相连接，波长控制和同步采样模块1实现快速宽可调谐激光器2的波长控制和输出，并通过时钟同步，同时进行光电探测器5数据的采集、转换和传输至数据处理模块6中；

所述的光纤环形器3，分别与快速宽可调谐激光器2、Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4和光电探测器5相连接；光纤环形器3用于光信号的传输，将来自快速宽可调谐激光器2的光信号引入Fabry–Perot干涉式光纤声传感器4，反射光信号再次经过光纤环形器3被光电探测器5探测；

所述的光电探测器5是具备光纤输入接口、直流耦合的高速光电探测器，将探测到的光强信号转换为模拟信号，经波长控制和同步采样模块1采集后传输给数据处理模块6进行信号处理和反馈控制；