基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法及装置，包括激光光源、隔离器、光开关、相位调制器、环形器、光纤光栅组、信号发生器、光电转换器、数据采集模块和数据处理模块，利用光开关，对激光光源进行调制，产生脉冲光束，再利用相位调制器对脉冲光束进行高速脉冲相位调制，脉冲光束在环形器中发生干涉，实现多路移相信号的产生并由第3端口输出，配合多路移相算法的解调方法，实现光纤传感器的振动相位解调。该调制解调方法光路简单，可以方便地组成多个传感模块，调制要求较低，解调电路简单，实时性高，精度高，动态范围广，抗环境干扰能力强。

Modulation and demodulation method and device of fiber Bragg grating sensor based on phase shift signal modulation

The invention discloses a method and device for optical fiber grating sensing signal modulation and demodulation method based on phase modulation, including laser source, optical switch, isolator, phase modulator, circulator, fiber gratings, signal generator, photoelectric converter, data acquisition module and data processing module, using optical switch, modulation of the laser light source, produce pulsed beam, using phase modulator for high-speed pulse phase modulation on pulse pulse beam in the circulator in the interference, realize the multi-channel phase shift signal produced by third output ports, with the demodulation method of multi-channel phase shifting algorithm, realizes the vibration phase demodulation of the optical fiber sensor. The modulation and demodulation method has the advantages of simple optical path, convenient composition of multiple sensing modules, low modulation requirements, simple demodulation circuit, high real-time performance, high precision, wide dynamic range and strong anti-interference ability.

【技术实现步骤摘要】
基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法及装置
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法及装置。
技术介绍
随着科学技术的迅猛发展，人类社会已步入高速发展的信息时代。物联网技术、通信技术以及计算机已成为飞速发展的信息技术。在此基础上，物联网中的传感网络越来越受到人们的密切关注。在信息技术的发展过程中，各个行业都离不开传感器，比如工业控制、自动化生产过程、环境监测、石油管道的监测、生物医学、安防监测、桥梁和隧道监测等等都有传感器的踪迹。和传统的电子传感器相比，光纤光栅传感器光纤传感器具有尺寸小，重量轻，成本低廉，抗电磁干扰，灵敏度高，安全可靠，耐腐蚀，可进行分布式测量，易于组网等诸多优点，已经广泛应用于对温度，振动，应力等参量的测量。美国专利US5903350(DemodulatorandMethodusefulforMultiplexedOpticalSensors)，提出了“五步调制法”，需要在一个调制脉冲内，产生5个相位变化，分别为0，π/2，π，3π/2，2π。这种调制解调方法，需要产生5个台阶状的调制信号，5个相位需要均匀的提高，每个相位台阶宽度相等。该调制解调方法对产生调制信号所用的硬件及方法具有很高要求，由于相位调制的激光脉冲光束宽度较小，在生成5个相同宽度的相位台阶时，其高度不易保持均匀提高且单个相位容易产生抖动。该调制解调方法还需要双脉冲光束，利用一个经过“五步调制法”的脉冲光束和另一个未进过调制的脉冲光束发生干涉，从而提供干涉光强信号。所以在脉冲光束进入光纤光栅组之前需要通过补偿器，以使两个脉冲光束获得相应的时间差，使两个脉冲光束从光纤光栅组返回后可以发生干涉。但由于补偿器的精度问题，两个脉冲光束干涉时可能产生误差，降低最终探测精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法及装置，解决了传统相位检测技术调制难度大、易受干扰、硬件系统要求高、解算速度慢，多区域探测时硬件复杂的问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法，方法步骤如下：步骤1、打开激光光源，并使光纤光栅组感应振动，信号发生器分别与光开关和相位调制器连接，由信号发生器产生脉冲信号作用于光开关，产生连续光脉冲，作用于相位调制器，产生连续相位脉冲调制，激光光源发出的光依次经过隔离器、光开关和相位调制器，形成经相位调制的激光脉冲光束；步骤2、经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器的第1端口，通过其第2端口进入熔接光纤光栅组的光纤，脉冲光束透过光纤光栅组中的不同光纤光栅时，均有部分脉冲光束返回环形器，相邻两个光纤光栅反射的脉冲光束在环形器中产生干涉信号，并从环形器的第3端口输出至光电转换器，光电转换器接收干涉信号，设相邻两个光纤光栅反射光的时间差为Δt，则相邻两个光纤光栅产生的干涉光强I(t)如下式：设振动信号的振动周期为TS，光开关形成的光脉冲光束宽度为T1，光开关形成的光脉冲周期与调制信号的相位调制周期相同，均为T，且T＜＜TS，所以认为在0＜t＜T这个时段内，振动信号在时域内保持不变；k为整数，令合相位其中为初始相，为漂移相，表示振动信号相；A、B均为常数；步骤3、光电转换器将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块采集光强电信号，并将其送入数据处理模块，数据处理模块通过标定相位调制信号和接收信号的延时，获取相邻两个光纤光栅发生干涉后产生的三路移相的光强信号I1，I2，I3，于是有根据三步移相算法，解得步骤4、去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法的装置，包括激光光源、隔离器、光开关、相位调制器、环形器、光纤光栅组、信号发生器、光电转换器、数据采集模块和数据处理模块，其中激光光源、隔离器、光开关、相位调制器和环形器依次连接，光纤光栅组与光纤熔接，环形器的第2端口与熔接光纤光栅组的光纤连接，信号发生器分别与光开关和相位调制器连接，环形器的第3端口通过光纤与光电转换器连接，数据采集模块分别与光电转换器和数据处理模块连接。所述激光光源发出的光依次经过隔离器、光开关和相位调制器，信号发生器产生脉冲信号作用于光开关，使光开关对激光进行调制，生成光脉冲并送入相位调制器，同时信号发生器产生高速脉冲信号，向相位调制器提供π/2的相位调制，使激光脉冲光束通过相位调制器形成经相位调制的激光脉冲光束；经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器的第1端口，通过其第2端口进入熔接光纤光栅组的光纤，经光纤光栅组反射后，返回环形器，在环形器中产生干涉信号，并从环形器的第3端口输出至光电转换器，光电转换器将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块采集光强电信号，并将其送入数据处理模块，解调出连续的振动信号相本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用光开关产生激光脉冲，利用相位调制器对激光脉冲光束进行相位内调制，利用光纤光栅对特定波长光束反射及环形器单向环形传输的特型，在环形器中实现多路移相信号的产生，有利于快速解算相位信息。(2)结构简单，尺寸小，精度高，信噪比高，抗环境干扰能力强，对调制信号的要求低，提高了算法的实时性。(3)可根据需求调节光纤光栅数量和间隔从而调整探测范围及探测区域数量。附图说明图1为本专利技术的基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法的装置结构示意图。图2为本专利技术单独两个光纤光栅(6-1、6-2)构成传感模块时反射光信号图，其中(a)、(b)为反射光脉冲中相位和时间关系图，(c)为环形器5第3端口(5-3)输出的光强和时间关系图，时间轴上大矩形代表反射光脉冲，之上的小矩形代表相位信息。图3为本专利技术四个光纤光栅(6-1、6-2、6-3、6-4)构成传感模块时反射光信号图，其中(a)、(b)、(c)、(d)为单个反射光脉冲中相位和时间关系图，(e)为环形器5第3端口输出的光强和时间关系图，时间轴上大矩形代表反射光脉冲，其上的小矩形代表相位信息。图4为本专利技术实施例中解调出的振动信号相信息。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。结合图1，一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法，方法步骤如下：步骤1、打开激光光源1，让测试人员在熔接了光纤光栅组6的光纤附近走动，使得光纤光栅组6感应振动，信号发生器7分别与光开关3和相位调制器4连接，由信号发生器7产生脉冲信号作用于光开关3，产生连续激光脉冲，作用于相位调制器4，产生相位为π/2的连续相位脉冲调制，激光光源1发出的光依次经过隔离器2、光开关3和相位调制器4，形成经相位调制的激光脉冲光束。经相位调制的激光脉冲光束，其脉冲光束宽度T1由相邻两光纤光栅间距决定，为一个脉冲内，激光光束可以表示为式中E0表示激光光源1的功率振幅，v0表示激光光源1的中心频率，t表示传播时间，表示经高速脉冲调制的相位，产生π/2的相位调制，其一个周期内调制的脉冲宽度为τns。步骤2、经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器5的第1端口，通过其第2端口进入熔接光纤光栅组6的光纤，脉冲光束经过光纤光栅组6反射后，返回环形器5，在环形器5中产生干涉信号，并从环形器5的第3端口输出至光电转换器8，光电转换器8接收干涉信号，设相邻两个光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、打开激光光源(1)，并使光纤光栅组(6)感应振动，信号发生器(7)分别与光开关(3)和相位调制器(4)连接，由信号发生器(7)产生脉冲信号作用于光开关(3)，产生连续光脉冲，作用于相位调制器(4)，产生连续相位脉冲调制，激光光源(1)发出的光依次经过隔离器(2)、光开关(3)和相位调制器(4)，形成经相位调制的激光脉冲光束；步骤2、经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器(5)的第1端口，通过其第2端口进入熔接光纤光栅组(6)的光纤，脉冲光束透过光纤光栅组(6)中的不同光纤光栅时，均有部分脉冲光束返回环形器(5)，相邻两个光纤光栅反射的脉冲光束在环形器(5)中产生干涉信号，并从环形器(5)的第3端口输出至光电转换器(8)，光电转换器(8)接收干涉信号，设相邻两个光纤光栅反射光的时间差为Δt，则相邻两个光纤光栅产生的干涉光强I(t)如下式：

【技术特征摘要】
1.一种基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、打开激光光源(1)，并使光纤光栅组(6)感应振动，信号发生器(7)分别与光开关(3)和相位调制器(4)连接，由信号发生器(7)产生脉冲信号作用于光开关(3)，产生连续光脉冲，作用于相位调制器(4)，产生连续相位脉冲调制，激光光源(1)发出的光依次经过隔离器(2)、光开关(3)和相位调制器(4)，形成经相位调制的激光脉冲光束；步骤2、经过相位调制的激光脉冲光束进入环形器(5)的第1端口，通过其第2端口进入熔接光纤光栅组(6)的光纤，脉冲光束透过光纤光栅组(6)中的不同光纤光栅时，均有部分脉冲光束返回环形器(5)，相邻两个光纤光栅反射的脉冲光束在环形器(5)中产生干涉信号，并从环形器(5)的第3端口输出至光电转换器(8)，光电转换器(8)接收干涉信号，设相邻两个光纤光栅反射光的时间差为Δt，则相邻两个光纤光栅产生的干涉光强I(t)如下式：设振动信号的振动周期为TS，光开关(3)形成的光脉冲光束宽度为T1，光开关(3)形成的光脉冲周期与调制信号的相位调制周期相同，均为T，且T＜＜TS，所以认为在0<t<T这个时段内，振动信号在时域内保持不变；k为整数，令合相位其中为初始相，为漂移相，表示振动信号相；A、B均为常数；步骤3、光电转换器(8)将干涉信号转换为光强电信号，数据采集模块(9)采集光强电信号，并将其送入数据处理模块(10)，数据处理模块(10)通过标定相位调制信号和接收信号的延时，获取相邻两个光纤光栅发生干涉后产生的三路移相的光强信号I1，I2，I3，于是有根据三步移相算法，解得步骤4、去除θ的初始直流相和漂移相，解调出连续的振动信号相2.根据权利要求1所述的基于移相信号调制的光纤光栅传感调制解调方法，其特征在于：所述步骤1中，信号发生器(7)产生脉冲信号作用于光开...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青，王晓烨，任仲杰，朱日宏，王海林，李建欣，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32