一种消除光强扰动的高稳定性光纤传感装置及解调方法制造方法及图纸

一种消除光强扰动的高稳定性光纤传感装置及解调方法。通过在参考光纤上引入了一个幅度恒定的正弦参考信号对光强扰动进行估计，消除光强不稳定引起的解调失真，提高传感系统的稳定性。在信号分离部分，利用解波分复用器对参考信号和待测信号进行分离。在解调部分通过对包含参考信号的干涉光强进行解调得到光强的变化，然后对待测信号的解调结果进行补偿。本发明专利技术的优点是：基于本发明专利技术的光路结构和解调方法，可以有效消除光源不稳定引起的解调失真。本发明专利技术利于光纤传感的阵列化，并可以使解调效果更加优越。

High stability optical fiber sensing device for eliminating light intensity disturbance and demodulation method

High stability optical fiber sensing device for eliminating light intensity disturbance and demodulation method. By introducing a constant sinusoidal reference signal on the reference fiber, the light intensity disturbance is estimated, and the demodulation distortion caused by the instability of light intensity is eliminated, and the stability of the sensing system is improved. In the signal separation section, the demultiplexer is used to separate the reference signal and the signal to be measured. In the demodulation section, the change of light intensity is obtained by demodulating the interference intensity of the reference signal, and then the demodulation result of the measured signal is compensated. The advantage of the invention is that the demodulation distortion caused by the instability of the light source can be effectively eliminated based on the optical path structure and the demodulation method of the invention. The invention is beneficial to the array of optical fiber sensing, and the demodulation effect is superior.

【技术实现步骤摘要】
一种消除光强扰动的高稳定性光纤传感装置及解调方法
本专利技术属于干涉型光纤传感
，特别是一种可以消除光强干扰的高稳定性的光纤传感装置和方法。
技术介绍
振动广泛存在于工业活动和人们的生活当中,如地震,机械工业中机床的运转,铁路和桥梁等的晃动等。实现对振动的传感对地震的早期预测，机械部件工作状态的检测,铁路和桥梁的安全监测，以及对长距离输油、输电线路安全的保证，具有非常重要的现实意义。光纤传感传送频带宽、信息容量大、传输损耗低,适合遥测遥控；对外界环境变化敏感,对多种物理量具有优良的传感性能；可通过阵列式或分布式结构实现大规模、长距离传感等。相位生成载波调制解调是通过在干涉仪中引入检测信号带宽外的某一频率的大幅度相位调制信号,使所检测信号成为这些大幅度载波的边带,然后在接收端利用PGC解调算法对待测信号进行提取。然而传统的PGC解调算法易受到光强不稳定的影响，当光纤传感器中光的强度不稳定时，解调结果将发生失真。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决当光纤传感器中光强度不稳定使解调结果发生失真的问题，提出一种消除光强扰动的高稳定性光纤传感装置及解调方法。该传感装置中引入一个振幅恒定的参考信号与待测信号一起进行调制，在接收端利用解波分复用器对待测信号与参考信号进行分离，其解调方法采用基于参考补偿的PGC解调算法，通过光强干扰对参考信号的影响测量光强扰动，进而对待测信号进行补偿，消除光强干扰对解调结果的影响，提高传感装置的稳定性。本专利技术的技术方案：一种消除光强扰动的具有高稳定性的光纤传感装置，该传感装置如图1所示，包括：宽带光源，隔离器，光纤传感阵列，光电探测器阵列，数据采集卡及微型计算机；所述宽带光源经过隔离器与光纤传感阵列相连，光纤传感阵列输出的光信号由光电探测器阵列进行检测，之后由数据采集卡对光电探测器阵列的输出信号进行模数转换，再利用微型计算机中的解调算法对输出信号进行数据处理。所述的光纤传感阵列的组成方式如图2所示：2×2耦合器C0的a端口作为光纤传感阵列的输入端与隔离器连接，2×2耦合器C0的c端口接波分复用器M1输入口，波分复用器M1的输出口和传感臂阵列相连接(所述的传感臂阵列由n个传感臂组成，所述2×2耦合器C0的c端口接波分复用器输入口，波分复用器具有N个输出端口，N≥2n，其中2n个波分复用器的输出端口分别连接2×1耦合器C1，C2…Cn的a/b端，每个2×1耦合器的c端口各连接一个传感光纤F1，F2…，或Fn，每个传感光纤的另外一端接两个光纤光栅B1、B2，…，或B2n-1、B2n，两个光纤光栅B2n-1、B2n的中心波长分别与对应2×1耦合器Cn的a/b端口所连接波分复用端口的波长一致，两个光纤光栅之间的光纤上各缠有一个压电陶瓷P1，…或Pn)，2×2耦合器C0的d端口接参考臂(所述的参考臂由参考光纤F0、法拉第旋转镜L及压电陶瓷P0构成，2×2耦合器C0的d端口连接参考光纤F0，参考光纤的另一端和法拉第旋转镜L相连接，参考光纤上缠有一个压电陶瓷P0)，传感臂阵列信号与参考臂信号在2×2耦合器C0的b端口干涉输出。所述的光电探测器阵列由解波分复用器M2和2n个光电探测器D1,D2…D2n构成，如图3所示；所述2×2耦合器C0的b端口连接解波分复用器M2的输入端口。解波分复用器M2具有N个输出端口(N≥2n)，其中2n个输出端口各连接一个光电检测器。所述的传感光纤为普通的单模光纤，待测信号加载到此光纤上，光纤长度可根据具体需求进行调整。本专利技术同时给出了采用所述装置进行基于参考补偿的PGC解调方法。所述的解调方法包括以下步骤：(1)在压电陶瓷P0上加载由信号发生器产生的正弦信号cosω0t作为载波。在压电陶瓷P1-Pn上加载由信号发生器产生的幅度恒定的正弦信号作为参考信号；(2)宽带光源输出经隔离器，光纤传感阵列，由光电探测器阵列探测，采样并模数转换后输出2n路信号；(3)对第每个传感臂上的信号进行解调，得到每个传感臂上的待测信号。所述的对第每个传感臂上的信号进行如下解调处理：将第2i路信号与基频载波cosω0t和2倍载波cos2ω0t混频，再依次通过低通滤波器滤波、微分交叉相乘、相减积分后，得到信号S2i，；第2i-1路信号与基频载波cosω0t和2倍载波cos2ω0t混频，再依次通过低通滤波器滤波、微分交叉相乘、相减积分后，得到信号S2i-1；将信号S2i和信号S2i-1进行相减运算，得到信号Mi；计算信号Mi的上下包络，并对上下包络进行相减运算，得到信号Ri；将信号S2i-1与信号Ri相除，再经过带通滤波器得到信号Oi，Oi即为第i个传感臂上的待测信号，i取正整数1，2，3，4…n。所述方法所能测量的传感臂的路数n受波分复用器及解波分复用器的输出端口的数量N限制(1≦n≦N/2)，可根据使用需要确定。所述方法的采样频率对测量精度的影响较为明显，采样频率越高，测量精度越大。所述的方法可消除频率小于参考信号频率的光源不稳定，因此参考信号的频率应该设置的尽量高。所述的方法中，待测信号的频率ωs与幅度D，以及载波信号频率ω0应满足关系式这样可以使得频谱不发生混叠，待测信号才能正确解调。本专利技术的优点和有益效果本专利技术提出了一种结构简单、成本低且易于实现的探测振动点信号波形的装置和解调方法。基于本专利技术的光路结构和解调方法，可以较为准确的测量振动波形，且解调结果相对稳定。通过把调制和传感分开，使其易于适用各种复杂环境下的传感。在解调算法部分，利用参考补偿的方法，可以消除光源不稳定引起的解调失真。且本系统利于光纤传感的阵列化，实现多路信号同时测量且降低使用成本。附图说明图1为本专利技术光纤传感装置的结构图。图2为本专利技术光纤传感阵列图。图3为本专利技术光电探测器阵列图。图4为本专利技术解调算法流程图。图5为传统解调算法解调信号图(a)与本专利技术实施例1的解调信号图(b)，其中载波频率为10000Hz，采样频率取500KHz，待测信号频率为700Hz，参考信号频率为2000Hz，不引入光强扰动。图6为传统解调算法解调信号图(a)与本专利技术实施例2的解调信号图(b)，其中载波频率为10000Hz，采样频率取500KHz，待测信号频率为700Hz，参考信号频率为2000Hz，引入频率为50Hz的光强扰动。图7为传统解调算法解调信号图(a)与本专利技术实施例3的解调信号图(b)，其中载波频率为10000Hz，采样频率取500KHz，待测信号频率为700Hz，参考信号频率为2000Hz，引入频率为100Hz的光强扰动。图8为传统解调算法解调信号图(a)与本专利技术实施例4的解调信号图(b)，其中载波频率为10000Hz，采样频率取500KHz，待测信号频率为500Hz，参考信号频率为2000Hz，引入频率为50Hz的光强扰动。图9为传统解调算法解调信号图(a)与本专利技术实施例5的解调信号图(b)，其中载波频率为10000Hz，采样频率取500KHz，待测信号频率为500Hz，参考信号频率为2000Hz，引入频率为100Hz的光强扰动。图中：1为宽带光源，2为隔离器，3为光纤传感阵列，4为光电探测器阵列，5为数据采集卡，6为微型计算机，C0为2×2耦合器，C1，C2…Cn为2×1耦合器，M1为波分复用器，M2为解波分复用器，F0为参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除光强扰动的具有高稳定性的光纤传感装置，其特征在于该光纤传感装置包括：宽带光源，隔离器，光纤传感阵列，光电探测器阵列，数据采集卡及微型计算机；所述宽带光源经过隔离器与光纤传感阵列相连，光纤传感阵列输出的光信号由光电探测器阵列进行检测，之后由数据采集卡对光电探测器阵列的输出信号进行模数转换，再利用微型计算机中的解调算法对输出信号进行数据处理。

【技术特征摘要】
1.一种消除光强扰动的具有高稳定性的光纤传感装置，其特征在于该光纤传感装置包括：宽带光源，隔离器，光纤传感阵列，光电探测器阵列，数据采集卡及微型计算机；所述宽带光源经过隔离器与光纤传感阵列相连，光纤传感阵列输出的光信号由光电探测器阵列进行检测，之后由数据采集卡对光电探测器阵列的输出信号进行模数转换，再利用微型计算机中的解调算法对输出信号进行数据处理。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的光纤传感阵列组成方式为：2×2耦合器C0的一个端口a作为光纤传感阵列的输入端，2×2耦合器C0的一个端口c通过波分复用器和传感臂阵列相连接，2×2耦合器C0的另一个端口d与参考臂连接，传感臂阵列信号与参考臂信号在2×2耦合器C0的端口b干涉输出。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的传感臂阵列由n个传感臂组成，所述2×2耦合器C0的c端口接波分复用器输入口，波分复用器具有N个输出端口，N≥2n，其中2n个输出端口分别连接2×1耦合器C1，C2…Cn的a/b端，每个2×1耦合器的c端口各连接一个传感光纤F1，F2…，或Fn，每个传感光纤的另外一端接两个光纤光栅B1、B2，…，或B2n-1、B2n，两个光纤光栅B2n-1、B2n的中心波长分别与对应2×1耦合器Cn的a/b端口所连接波分复用端口的波长一致；两个光纤光栅之间的光纤上各缠有一个压电陶瓷P1，…或Pn。4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的参考臂由参考光纤及法拉第旋转镜及压电陶瓷P0构成；所述2×2耦合器C0的d端口连接参考光纤，参考光纤的另一端和法拉第旋转镜相连接；参考光纤上缠有一个压电陶瓷P0。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的光电探测器阵列由解波分复用器和2n个光电探测器构成；所述2×2耦合器C0的b...

【专利技术属性】
技术研发人员：张爱玲，张帅，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津,12