[发明专利]一种光学干涉相位解调方法和声波测量系统

说明书

本发明公开了一种光学干涉相位解调方法和声波测量系统，属于声波测量领域，所述方法包括：S1：采集第一干涉信号V₁、第二干涉信号V₂、第一对比度B₁和第二对比度B₂；S2：对V₁和V₂做直线拟合获得所述直线的斜率k和截距b；S3：利用k、b、V₁、V₂、B₁、B₂计算得到归一化信号V_n；S4：对V_n采用三角变换构建第一正交信号V_x和第二正交信号V_y；S5：对V_x和V_y采用微分交叉相乘算法进行处理计算待测相位信号V_m。本发明对两路正交信号采用微分交叉相乘算法实现相位解调，无论是小信号或者大信号，直线拟合算法和三角变换都不受影响，且无需采用光谱采集设备或者引入调制信号。由此提升解调算法动态范围，还能适合于低频信号的相位解调。

技术领域

本发明属于声波探测领域，更具体地，涉及一种光学干涉相位解调方法和声波测量系统。

背景技术

声波探测技术广泛的被应用于气体泄漏监测、潜艇探测、气体浓度监测等领域，待测声波信号频段覆盖次声波、可听声、超声波，声压大小从微帕量级到数百帕量级，具有动态范围大、探测频段宽的特点。基于光纤声波传感器的声波测量系统因为其体积小、重量轻、抗电磁干扰和精度高等特点而受到广泛的研究，常见的光纤声波传感器为迈克尔逊干涉型传感器和法布里珀罗干涉型传感器，通过特定的换能元件，如声光换能薄膜和弹性柱体，将声波信号转化为干涉型传感器的相位变化，结合相位解调算法，将相位变化解调出来，结合传感器的灵敏度，得到声波信号。

常用的相位解调算法有正交工作点解调算法、正交双波长解调算法、光谱解调算法和相位生成载波解调算法。

对于正交工作点解调算法，通过将调节波长使得初始相位位于干涉仪的正交工作点，同时将干涉谱的余弦函数部分近似为线性函数，从而将相位变化转换为光强变化，该算法简单容易实现，能够实现宽频带信号的相位解调，但是其解调结果容易受到初始相位的影响，当初始相位由于环境扰动等影响偏离干涉仪的正交工作点时，相位解调结果可能出现严重失真，需要采用一定的反馈控制电路稳定其初始相位，此外，由于对干涉谱采用了线性近似，相位变化受限于线性近似的线性区，使得该算法的动态范围有限，不适合于大信号的相位解调。

对于正交双波长解调算法，通过波长获得两路正交信号，采用椭圆拟合算法去除两路正交信号的直流分量和微分交叉相乘算法获取相位变化，该算法不受干涉仪的初始相位以及光源功率和波长抖动的影响，系统简单，稳定性好，能够实现宽频带信号的相位解调，但是由于采用了椭圆拟合算法，当相位变化为小信号时，椭圆退化为直线，椭圆拟合算法误差较大甚至失效，因此该算法不适合于小信号的相位解调。

对于光谱解调算法，通过对干涉仪的干涉光谱进行运算，获得干涉仪的相位，该算法精度高，动态范围大，但受限于现有光谱采集设备的采样率，该算法仅适用于低频信号的相位解调。

对于相位生成载波解调算法，通过对干涉仪进行相位载波调制，将待测相位信号调制到载波信号上，对调制信号运算获得相位信号，该算法精度高，动态范围大，但对采样频率有极高的要求，该算法系统复杂，仅适合于低频信号的相位解调。

也即，现有声波测量方法存在带宽有限、动态范围有限和稳定性差等问题，无法同时实现高动态范围、宽频带信号的相位解调。

发明内容