外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置的製作方法
2023-05-14 19:38:16 1
專利名稱：外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感領域，尤其涉及一種外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置。
背景技術：
光纖傳感器是20世紀70年代中期發展起來的一門新技術，各類型傳感器如光纖 加速度傳感器、光纖水聽器、光纖陀螺等成為研究的熱點。由於光纖傳感器與其他傳感器相 比具有抗電磁幹擾、靈敏度高、動態範圍大、探測距離遠等獨特優勢，在傳感技術方面有著 巨大的應用潛力。現在幹涉型光纖傳感器的信號解調技術主要包括零差解調法和外差解調法。在零 差解調法中，基於PGC(相位生成載波)的方法是研究最多，使用最廣泛的方法之一。PGC檢 測的原理是採用不平衡幹涉儀，通過對光源頻率進行高頻調製，從而在幹涉儀中引入檢測 信號帶寬外某一頻率的大幅度相位調製信號，使所檢測信號成為這些大幅度載波的邊帶， 分別用載波自身和二倍頻的載波進行相關檢測以及微分_交叉相乘的方式分離光纖幹涉 儀的交流傳感信號和低頻隨機相位漂移，再通過高通濾波器得到穩定的傳感信號輸出。但 是這種方法有兩個缺陷，一是對光源調頻的同時會有伴生調幅現象，導致解調信號失真；二 是二倍頻的載波是由載波自身相乘得到的，相位與自身不同步，也會帶來解調的失真。外差解調法不需要使用調製光源，通常在幹涉儀參考臂中加入外差調製器，使參 考臂產生頻移，從而使兩臂形成頻差，這樣幹涉後就可以得到被光電探測器響應的外差信 號。由光電探測輸出的外差信號分成相同的兩路，分別與外差調製信號及外差調製信號經 移相電路後的信號混頻，再經低通濾波、微分等解調電路進行傳感信號的解調。外差解調法 的優點是避免伴生調幅幹擾，缺點是需要用精密的外差調製信號移相電路，相位一旦固定 就不可隨著外差調製信號的變化而調節，且存在固有的電子相位漂移以及噪聲幹擾嚴重等 問題。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種相位延遲可調的外差式相位幹涉 型光纖傳感器的正交解調裝置。本發明提供的一種外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置，包括外差式相 位幹涉型光纖傳感器、第一光電檢測器、第一混頻器、第一低通濾波器、第一微分器、第一乘 法器、外差調製信號源、可調光纖延遲線、第二光電檢測器、第二混頻器、第二低通濾波器、 第二微分器、第二乘法器、減法器、積分器和高通濾波器；所述外差式相位幹涉型光纖傳感 器的一個輸出端與第一光電檢測器的輸入端連接，第一光電檢測器的輸出端與第一混頻器 的一個輸入端連接，第一混頻器的另一個輸入端與外差調製信號源連接，該外差調製信號 源與外差式相位幹涉型光纖傳感器的外差調製器連接，第一混頻器的輸出端與第一低通濾 波器的輸入端連接，第一低通濾波器的輸出端與第一微分器的輸入端連接，第一微分器的輸出端與第一乘法器的一個輸入端連接；所述外差式相位幹涉型光纖傳感器的另一個輸出 端與可調光纖延遲線的輸入端連接，可調光纖延遲線的輸出端與第二光電檢測器的輸入端 連接，第二光電檢測器的輸出端與第二混頻器的一個輸入端連接，第二混頻器的另一個輸 入端與外差調製信號源連接，第二混頻器的輸出端與第二低通濾波器的輸入端連接，第二 低通濾波器的輸出端與第二微分器的輸入端連接，第二微分器的輸出端與第二乘法器的一 個輸入端連接；所述第一乘法器的另一個輸入端與第二低通濾波器的輸出端連接；所述第 二乘法器的另一個輸入端與第一低通濾波器的輸出端連接；所述減法器的兩個輸入端分別 與第一乘法器的輸出端和第二乘法器的輸出端連接；所述減法器的輸出端與積分器的輸入 端連接，所述積分器的輸出端與高通濾波器的輸入端連接。與現有技術相比，本發明的一種外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置的 有益效果如下可調光纖延遲線通過控制信號改變輸入光纖到輸出光纖之間的光程差，實 現第一光電檢測器輸出的電信號與第二光電檢測器輸出的電信號之間相位差的連續調節。 通過調節可調光纖延遲線，使得第一光電檢測器輸出的電信號與第二光電檢測器輸出的電 信號之間具有90°的相位差，得到輸入解調電路的正交信號。通過可調光纖延遲線在光路 上實現相位延遲，因而無需在解調電路中使用移相電路，既實現了相位延遲可調又降低了 解調電路的複雜度，還避免了相位延遲隨電氣元件溫度的改變而漂移；兩路的正交輸出信 號與同一個調製信號混頻，避免調製信號移相引起的相位不同步，降低了噪聲，使得解調輸 出更準確，更穩定。
圖1為本發明一種外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置的原理圖；圖2為被測傳感信號的波形圖；圖3(a)為第一光電檢測器輸出電信號波形圖，圖3(b)為第二光電檢測器輸出電信號波形圖；圖4為解調輸出波形圖。
具體實施例方式本發明提供一種外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置，以下結合附圖進 一步說明本發明如圖1所示，本發明一種外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置包括外差 式相位幹涉型光纖傳感器101、第一光電檢測器103、第一混頻器105、第一低通濾波器107、 第一微分器109、第一乘法器111、外差調製信號源117、可調光纖延遲線102、第二光電檢 測器104、第二混頻器106、第二低通濾波器108、第二微分器110、第二乘法器112、減法器 113、積分器114和高通濾波器115 ；所述外差式相位幹涉型光纖傳感器101的一個輸出端 與第一光電檢測器103的輸入端連接，第一光電檢測器103的輸出端與第一混頻器105的 一個輸入端連接，第一混頻器105的另一個輸入端與外差調製信號源117連接，該外差調製 信號源117與外差式相位幹涉型光纖傳感器101的外差調製器116連接，第一混頻器105的 輸出端與第一低通濾波器107的輸入端連接，第一低通濾波器107的輸出端與第一微分器 109的輸入端連接，第一微分器109的輸出端與第一乘法器111的一個輸入端連接；所述外差式相位幹涉型光纖傳感器101的另一個輸出端與可調光纖延遲線102的輸入端連接，可調光纖延遲線102的輸出端與第二光電檢測器104的輸入端連接，第二光電檢測器104的 輸出端與第二混頻器106的一個輸入端連接，第二混頻器106的另一個輸入端與外差調製 信號源117連接，第二混頻器106的輸出端與第二低通濾波器108的輸入端連接，第二低通 濾波器108的輸出端與第二微分器110的輸入端連接，第二微分器110的輸出端與第二乘 法器112的一個輸入端連接；所述第一乘法器111的另一個輸入端與第二低通濾波器108 的輸出端連接；所述第二乘法器112的另一個輸入端與第一低通濾波器107的輸出端連接； 所述減法器113的兩個輸入端分別與第一乘法器111的輸出端和第二乘法器112的輸出端 連接；所述減法器113的輸出端與積分器114的輸入端連接，所述積分器114的輸出端與高 通濾波器115的輸入端連接。本發明裝置的工作原理如下如圖1所示，本發明的外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置結構如下 外差式相位幹涉型光纖傳感器101的傳感光路和參考光路經幹涉產生兩路輸出，其中第一 幹涉輸出經過第一光電檢測器103形成的第一檢測電信號formula see original document page 5(1)其中，A、B為與輸入光強成正比的常數，ω。為外差調製信號源117產生的用來調 制外差調製器116的信號頻率，C為被測信號所引起的相位調製幅度，為被測信號頻率， Φ O是初始相位差。第一檢測電信號與外差調製信號源117產生的外差調製信號Gcos (ω。t) 在第一混頻器105混頻，再經第一低通濾波器107濾波得到第一低通濾波信號formula see original document page 5令丁formula see original document page 5可以表示為Dcos Φ(3)第一低通濾波信號通過第一微分器109得到第一微分信號formula see original document page 5(4)第二幹涉輸出通過調節可調光纖延遲線102的機械致動部件，改變輸入光纖到輸 出光纖之間的光程差，實現第一光電檢測器103輸出的第一檢測電信號與第二光電檢測器 104輸出的第二檢測電信號之間相位差的連續調節。為了得到相對第一檢測電信號相位延 遲為90°的第二檢測電信號，輸入光纖到輸出光纖之間的長度差需滿足下式formula see original document page 5
1 = WC (6)其中，1表示輸入光纖到輸出光纖之間的長度差，c為光速，η表示光纖的折射率， λ表示光在光纖中的波長，f。表示外差調製信號源117產生的信號頻率。可調光纖延遲線102的輸出信號經過第二光電檢測器104後得到第二檢測電信號A+Bsin (ω ct+Ccos ω st+ Φ 0)(7)第二檢測電信號與外差調製信號Gcos (ω。t)在第二混頻器106混頻，再經第二低通濾波器108濾波得到第二低通濾波信號— sin(C cos ω/ + φ0)(8)簡化為
Dsin Φ(9)第二低通濾波信號第二微分器110得到第二微分信號Dcos Φ g(J>(10)第一微分信號與第二低通濾波信號在第一乘法器111相乘後得到第一乘法輸出 信號，即(4) X (9)得-D2Sin2 Φ δΦ 『(11)第二微分信號與第一低通濾波信號在第二乘法器112相乘後得到第二乘法輸出 信號，即(3) X (10)得D2COs2 Φ g<ji'(12)第二乘法器112的輸出與第一乘法器111的輸出經減法器113相減，即(12)-(11)D2 Φ 『(13)得到的減法輸出信號經積分器114積分，即對(13)積分得D2 Φ(14)再經過高通濾波器115濾除低頻幹擾即可還原出被測傳感信號C0S st。外差調製信號的頻率應大於被測傳感信號的10倍以上，避免幹涉信號中的被測 傳感信號在通過光纖延遲線時也產生較大的相位延遲。第一低通濾波器107、第二低通濾波器108的截止頻率大於被測傳感信號的頻率 且小於外差調製信號的頻率。第一低通濾波器107、第二低通濾波器108為高階濾波器，其特性是通帶到阻帶有 較快的衰減，將外差調製信號濾除乾淨，避免混入低通濾波後的信號帶來幹擾。高通濾波器115截止頻率大於環境幹擾造成的低頻相位噪聲的頻率且小於被測 傳感信號的頻率。第一混頻器105、第二混頻器106與第一乘法器111、第二乘法器112是基於CMOS 工藝的集成晶片，具有低輸入阻抗和低輸出阻抗。第一微分器109、第二微分器110是由運算放大器與電阻、電容構成的基本微分電 路，運算放大器具有較大的增益帶寬積。減法器113是由運算放大器與電阻構成的基本減法電路，運算放大器具有較大的 增益帶寬積。積分器114是由運算放大器與電阻、電容構成的基本積分電路，運算放大器具有 較大的增益帶寬積。外差調製信號源117為正弦波信號源。圖2為被測傳感信號的波形圖，圖3(a)為第一光電檢測器輸出電信號的波形圖， 圖3(b)為第二光電檢測器輸出電信號的波形圖。公式⑴和(5)中描述的A= LB= 1， C = 5, ωε = 231 Χ50ΚΗζ, ω3 = Χ5ΚΗζ, Φ。= 0· 。最後的解調輸出波形如圖 4 所不。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置，其特徵在於包括外差式相位幹涉型光纖傳感器、第一光電檢測器、第一混頻器、第一低通濾波器、第一微分器、第一乘法器、外差調製信號源、可調光纖延遲線、第二光電檢測器、第二混頻器、第二低通濾波器、第二微分器、第二乘法器、減法器、積分器和高通濾波器；所述外差式相位幹涉型光纖傳感器的一個輸出端與第一光電檢測器的輸入端連接，第一光電檢測器的輸出端與第一混頻器的一個輸入端連接，第一混頻器的另一個輸入端與外差調製信號源連接，該外差調製信號源與外差式相位幹涉型光纖傳感器的外差調製器連接，第一混頻器的輸出端與第一低通濾波器的輸入端連接，第一低通濾波器的輸出端與第一微分器的輸入端連接，第一微分器的輸出端與第一乘法器的一個輸入端連接；所述外差式相位幹涉型光纖傳感器的另一個輸出端與可調光纖延遲線的輸入端連接，可調光纖延遲線的輸出端與第二光電檢測器的輸入端連接，第二光電檢測器的輸出端與第二混頻器的一個輸入端連接，第二混頻器的另一個輸入端與外差調製信號源連接，第二混頻器的輸出端與第二低通濾波器的輸入端連接，第二低通濾波器的輸出端與第二微分器的輸入端連接，第二微分器的輸出端與第二乘法器的一個輸入端連接；所述第一乘法器的另一個輸入端與第二低通濾波器的輸出端連接；所述第二乘法器的另一個輸入端與第一低通濾波器的輸出端連接；所述減法器的兩個輸入端分別與第一乘法器的輸出端和第二乘法器的輸出端連接；所述減法器的輸出端與積分器的輸入端連接，所述積分器的輸出端與高通濾波器的輸入端連接。
全文摘要
本發明公開了一種外差式相位幹涉型光纖傳感器的正交解調裝置，其外差式相位幹涉型光纖傳感器的兩個輸出端分別與第一光電檢測器和可調光纖延遲線連接；第一光電檢測器、第一混頻器、第一低通濾波器、第一微分器、第一乘法器依次連接；可調光纖延遲線、第二光電檢測器、第二混頻器、第二低通濾波器、第二微分器、第二乘法器依次連接；第一低通濾波器與第二乘法器連接，第二低通濾波器與第一乘法器連接；外差調製信號源分別與外差式相位幹涉型光纖傳感器的外差調製器、第一混頻器、第二混頻器連接；第一乘法器、第二乘法器分別與減法器連接；減法器、積分器、高通濾波器之間依次連接。本發明實現相位延遲可調，避免相位延遲的漂移。
文檔編號G02F2/00GK101799610SQ201010039599
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月8日 優先權日2010年1月8日
發明者區堅海, 徐愷, 池灝, 章獻民, 鄭史烈, 金曉峰 申請人:浙江大學