基於移相信號調製的傳感器陣列的調製解調方法及裝置與流程
2023-05-02 07:07:31
本發明屬於光纖傳感技術領域，具體涉及一種基於移相信號調製的傳感器陣列的調製解調方法及裝置。
背景技術：
光纖傳感技術在國際上是七十年代後期迅速發展起來的新技術，與傳統檢波器相比，光纖傳感器具有重量輕、抗電磁幹擾、靈敏度高、安全可靠、耐腐蝕，同時復用能力強，可以實現長距離分布式應用。它已經被應用在油井溫度與壓力測量、輸油管道監測、測井技術、地震波監測、橋梁及建築監測等方面。光纖傳感器的分布式應用是近幾年研究和工程應用的熱點。
分布式傳感採用波分復用和時分復用的混合復用方式，這也是未來大規模陣列或超大規模陣列的首選方案。
在傳感器的複合使用中，信號檢測方法是其關鍵技術之一。pgc零差法和外差法是目前運用最廣的解調方法之一。pgc載波法不需要在幹涉儀中加任何器件，系統可以實現全光，也便於復用，這是大規模光纖水聽器系統採用的一種重要方案。但該方法電路處理複雜，硬體系統要求高，會帶來相關電路噪音，對濾波器的要求比較高。同時由於雷射光源的調製頻率的限制，要求產生幹涉的光程差較大，會引入相位噪聲。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於移相信號調製的傳感器陣列的調製解調方法及裝置，解決了傳統相位檢測技術易受幹擾，硬體系統要求高，解算速度慢的問題。
實現本發明目的的技術解決方案為：一種基於移相信號調製的傳感器陣列的調製解調方法，方法步驟如下：
步驟1、打開雷射光源和微振動臺，信號發生器分別與光開關和相位調製器連接，由信號發生器產生脈衝信號作用於光開關，產生連續光脈衝，作用於相位調製器，產生連續相位脈衝調製，雷射光源發出的光依次經過隔離器、光開關和相位調製器，形成經相位調製的雷射脈衝。
步驟2、經過相位調製的雷射脈衝進入設置在微振動臺上的傳感器陣列，傳感器陣列包括若干個通過延遲光纖並聯的傳感模塊，傳感模塊包括光分插復用器和傳感器，傳感器的輸入端和輸出端分別設有一個光分插復用器，通過第一個傳感模塊輸入端的光分插復用器選擇對應波長的雷射脈衝進入傳感器；其餘波長的光脈衝通過延遲光纖，分別進入其餘傳感模塊輸入端的光分插復用器，通過輸入端的光分插復用器選擇對應波長的雷射脈衝進入對應的傳感器，每個傳感器攜帶振動相位信息後的幹涉信號由輸出端的光分插復用器依次向前合併，由第一個傳感模塊輸出端的光分插復用器送入光電探測器，然後進入數據採集和處理模塊。
對於任意傳感器，帶有對應傳感器的振動相位信息，其幹涉光強i表示為
其中表示初始相位，表示環境引起的相位變化，表示振動相位信號，表示為相位調製信號，令合相位則幹涉光強i(t)簡化式為
步驟3、光電探測器將幹涉光強信號轉換為電信號，數據採集和處理模塊採集電信號，由於每個傳感器的信號對應於不同的光脈衝，通過標定相位調製信號和接收信號的延時，獲取每個傳感器的三路移相的光強信號i1，i2，i3，於是有
根據三步移相算法，解得
步驟4、去除θ的初始直流相和環境漂移相，解調出傳感器連續的振動相位信號
一種基於移相信號調製的傳感器陣列的調製解調方法的裝置，包括雷射光源、隔離器、光開關、相位調製器、延遲光纖、傳感器陣列、信號發生器、光電探測器、數據採集和處理模塊和微振動臺；信號發生器分別與光開關和相位調製器連接，傳感器陣列包括若干個通過延遲光纖並聯的傳感模塊，傳感模塊包括光分插復用器和傳感器，傳感器的輸入端和輸出端分別設有一個光分插復用器；相鄰兩個傳感模塊中輸出端的光分插復用器通過延遲光纖依次連接，輸入端的光分插復用器通過延遲光纖依次連接，第一個輸入端的光分插復用器再與光電探測器通過光纖相連數據採集和處理模塊與光電探測器相連。
信號發生器產生兩組高速脈衝信號，一組提供給光開關產生光脈衝，另一組提供給相位調製器，產生π/2的相位調製，所述雷射光源發出的光依次經過隔離器、光開關、相位調製器後，形成經相位調製的雷射脈衝，進入傳感器陣列，通過第一個傳感模塊輸入端的光分插復用器選擇對應波長的光脈衝進入其對應的傳感器，其餘的光脈衝進入延遲光纖，再通過其餘傳感模塊輸入端的光分插復用器選擇對應波長的光脈衝依次分別進入對應的傳感器，直至傳輸到整個傳感器陣列，傳感器感應帶有振動信號，產生帶有振動相位信息的幹涉光強信號，並由輸出端的光分插復用器依次向前合併；最後由第一個傳感模塊輸出端的光分插復用器合併後傳入光電探測器，利用數據採集和處理模塊進行數據處理和相位信息的提取。
本發明與現有技術相比，其顯著優點在於：
(1)利用光開關形成光脈衝信號，利用脈衝信號對雷射光脈衝進行相位內調製，利用耦合器的參考臂和信號臂長度差的特性，在輸出端實現多路移相信號的產生，有利於快速解算相位信息。
(2)結構簡單，精度高，信噪比高，抗環境幹擾能力強，提高了算法的實時性，同時減少了器件的使用，降低了成本，是解調分布式傳感器相位信號的一種有效可行的方法。
附圖說明
圖1為本發明的一種基於移相信號調製的傳感器陣列的調製解調方法的裝置結構示意圖。
圖2為本發明單個傳感模塊的結構示意圖。
圖3為本發明實施例中，光電探測器接收的四個光脈衝信號示意圖。
圖4為本發明實施例中單個傳感器單個光脈衝內參考臂、信號臂和光電探測器的信號圖，其中(a)為參考臂的相位和時間關係圖，(b)為信號臂的相位和時間關係圖，(c)為幹涉光強信號光強和時間關係圖。
圖5為本發明實施例中四組經過脈衝相位調製的幹涉光強脈衝返回圖。
圖6為本發明實施例中任意傳感器對應的三組移相干涉信號光強與時間關係圖，其中(a)為i1的移相干涉信號光強與時間關係圖，(b)為i2的移相干涉信號光強與時間關係圖，(c)為i3的移相干涉信號光強與時間關係圖。
圖7為本發明實施例中四個傳感器(7-1，7-2，7-3，7-4)解調出的振動相位信號。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
結合圖1和圖2，一種基於移相信號調製的傳感器陣列的調製解調方法，方法步驟如下：
步驟1、打開雷射光源1和微振動臺11，信號發生器8分別與光開關3和相位調製器4連接，由信號發生器8產生脈衝信號作用於光開關3，產生連續光脈衝，作用於相位調製器4，產生連續相位脈衝調製，雷射光源1發出的光依次經過隔離器2、光開關3、相位調製器4，形成經相位調製的雷射脈衝光束。
雷射光源包含n個不同波長，光脈衝寬度為τ1ns，光脈衝周期為t1，光脈衝上升沿時刻為t1。相位調製信號脈衝寬度為τ2ns，周期為t2，上升沿時刻為t2，相位調製深度為π/2，滿足t1＝t2，t1-t2＝τ1/2-τ2ns，τ1>5τ2。即π/2相位信號調製開始於光脈衝上升沿產生之後的τ1/2-τ2ns，並持續τ2ns。
經過相位調製後的光脈衝信號，對於任意波長其輸出e(t)可以表示為
式中e0表示雷射光源1的功率振幅，v0表示雷射光源1對應波長的中心頻率，t表示傳播時間，表示經高速脈衝調製的相位，產生π/2的相位調製，其一個周期內調製的脈衝寬度為τ2ns。
其中0<τ2<t2，k為常數。
步驟2、經過相位調製的雷射脈衝進入設置在微振動臺上11的傳感器陣列，傳感器陣列包括若干個通過延遲光纖5並聯的傳感模塊，傳感模塊包括光分插復用器6和傳感器7，傳感器7的輸入端和輸出端分別設有一個光分插復用器6，通過第一個傳感模塊輸入端的光分插復用器6選擇對應波長的雷射脈衝進入傳感器7；其餘波長的光脈衝通過延遲光纖5，分別進入其餘傳感模塊輸入端的光分插復用器6，通過輸入端的光分插復用器6選擇對應波長的雷射脈衝進入對應的傳感器7，每個傳感器7攜帶振動相位信息後的幹涉信號由輸出端的光分插復用器6依次向前合併，由第一個傳感模塊輸出端的光分插復用器6送入光電探測器9，然後進入數據採集和處理模塊10。
對於任意傳感器7，帶有振動相位信息的傳感器，其幹涉光強i(t)可表示為
其中a，b均為常數，且有b＝ka，k<1，k為幹涉條紋可見度，表示初始相位，表示環境引起的相位變化，表示振動相位信號，表示相位調製信號，參考臂13與信號臂14存在長度差，設參考臂的長度為l1，信號臂的長度為l2，長度差δl＝l1-l2，則雷射通過參考臂和信號臂的時間差其中n為光纖介質折射率，c為光在真空中傳播速度。滿足δt＝τ2，令合相位幹涉光強信號可轉化為
步驟3、光電探測器9將幹涉光強信號轉換為電信號，數據採集和處理模塊10採集電信號，由於每個傳感器的信號對應於不同的光脈衝，通過標定相位調製信號和接收信號的延時，獲取傳感器7的三路移相的光強信號i1，i2，i3，於是有
根據三步移相算法，解得
步驟4、去除θ的初始直流相和漂移相，解調出連續的振動信號相
結合圖1，一種基於移相信號調製的傳感器陣列的調製解調裝置，其特徵在於：包括雷射光源1、隔離器2、光開關3、相位調製器4、延遲光纖5、傳感器陣列、信號發生器8、光電探測器9、數據採集和處理模塊10和微振動臺11。信號發生器8分別與光開關3和相位調製器4連接，傳感器陣列包括若干個通過延遲光纖5並聯的傳感模塊，傳感模塊包括光分插復用器6和傳感器7，傳感器7的輸入端和輸出端分別設有一個光分插復用器7；相鄰兩個傳感模塊中輸出端的光分插復用器7通過延遲光纖5依次連接，輸入端的光分插復用器6通過延遲光纖5依次連接，第一個輸入端的光分插復用器6再與光電探測器9通過光纖相連數據採集和處理模塊10與光電探測器9相連；
信號發生器8產生兩組高速脈衝信號，一組提供給光開關3產生光脈衝，另一組提供給相位調製器4，產生π/2的相位調製，所述雷射光源1發出的光依次經過隔離器2、光開關3、相位調製器4後，形成經相位調製的雷射脈衝，進入傳感器陣列，通過第一個傳感模塊輸入端的光分插復用器6選擇對應波長的光脈衝進入其對應的傳感器7，其餘的光脈衝進入延遲光纖5，再通過其餘傳感模塊輸入端的光分插復用器6選擇對應波長的光脈衝依次分別進入對應的傳感器7，直至傳輸到整個傳感器陣列，傳感器7感應帶有振動信號，產生帶有振動相位信息的幹涉光強信號，並由輸出端的光分插復用器6依次向前合併；最後由第一個傳感模塊輸出端的光分插復用器6合併後傳入光電探測器7，利用數據採集和處理模塊10進行數據處理和相位信息的提取。
所述傳感器7為光纖幹涉型傳感器，包括2x2耦合器12、參考臂13、信號臂14和法拉第旋光鏡15，2x2耦合器12的第1埠12-1和第4埠12-4分別設有光分插復用器6，參考臂13一端與2x2耦合器12的第2埠12-2連接，另一端設有法拉第旋光鏡15，信號臂14一端與2x2耦合器12的第3埠12-3連接，另一端設有法拉第旋光鏡15；參考臂13長度小於信號臂14長度。
所述數據處理模塊10通過三步移相算法，得到合相位θ，並去除θ的初始直流相和漂移相，解調出連續的振動相位信號
實施例1
實驗測試了四個光纖麥可遜光纖傳感器7在100hz下的振動信息，參考臂13和信號臂14的長度差為2.8m，採樣時間為0.02s，光脈衝產生的頻率為1mhz，光脈衝寬度為200ns，相位調製的頻率為1mhz，一個周期內相位調製的脈衝寬度為28ns，相位調製脈衝上升沿時刻在光脈衝上升沿時刻後86ns。雷射光源波長中心波長分別為1561.4nm，1560.6nm，1559.8nm，1559.0nm，四個光纖傳感器的靈敏度略有很小的差異。光分插復用器的選擇波長與光源波長一一對應，其測量裝置如圖1所示，其測量步驟為：
步驟1、打開雷射光源1和微振動臺11，信號發生器8分別與光開關3和相位調製器4連接，由信號發生器8產生脈衝信號作用於光開關3，產生連續光脈衝，作用於相位調製器4，產生連續相位脈衝調製，雷射光源1發出的光依次經過隔離器2、光開關3、相位調製器4，形成經相位調製的雷射脈衝光束。
雷射光源包含4個不同波長的光源，其中心波長分別為1561.4nm，1560.6nm，1559.8nm，1559.0nm。光脈衝寬度為200ns，光脈衝周期為1mhz，光脈衝上升沿時刻為t1。相位調製信號脈衝寬度為28ns，周期為1mhz，上升沿時刻為t2，相位調製深度為π/2，t1-t2＝86ns。即π/2相位信號調製開始於光脈衝上升沿產生之後的86ns，並持續28ns。
步驟2、經過相位調製的雷射脈衝進入設置在微振動臺上11的傳感器陣列，微振動臺產生100hz的穩定正弦振動。傳感器陣列包括若干個通過延遲光纖5並聯的傳感模塊，傳感模塊包括光分插復用器6和傳感器7，傳感器7的輸入端和輸出端分別設有一個光分插復用器6，通過第一個傳感模塊輸入端的光分插復用器6選擇對應波長的雷射脈衝進入傳感器7；其餘波長的光脈衝通過延遲光纖5，分別進入其餘傳感模塊輸入端的光分插復用器6，通過輸入端的光分插復用器6選擇對應波長的雷射脈衝進入對應的傳感器7，每個傳感器7攜帶振動相位信息後的幹涉信號由輸出端的光分插復用器6依次向前合併，由第一個傳感模塊輸出端的光分插復用器6送入光電探測器9，然後進入數據採集和處理模塊10。
步驟3、光電探測器9將幹涉光強信號轉換為電信號，數據採集和處理模塊10採集電信號，由於每個傳感器的信號對應於不同的光脈衝，通過標定相位調製信號和接收信號的延時，獲取傳感器7的三路移相的光強信號，通過標定相位調製信號和接收信號的延時，來獲取三路移相的幹涉光強信號。通過三步移相算法，得到合相位θ。
步驟4、去除θ的初始直流相和漂移相，解調出連續振動相位信號如圖7所示，7-1,7-2,7-3,7-4分別代表四個不同傳感器解調出的相位信號。
結合圖3～圖7，本實施例通過一系列的措施實現了對相位振動信號的測量。最終求得四個傳感器的相位均與微振動臺作正弦振動時產生的相位一致，表明該方法簡單實用，測量精度高，抗幹擾能力強，實時性高。