一种多解调方案的分布式弱光栅阵列传感系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种多解调方案的分布式弱光栅阵列传感系统，包括窄线宽激光器、声光调制器、相位调制器、双脉冲信号发生器、信号发生器、掺铒光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器和数据采集卡。本发明专利技术在系统结构不变的情况下，可同时实现多种解调方案：π/2相位差解调、2π/3相位差解调、π/4相位差解调，以满足不同的应用需求；另外，消除了相位调制器半波电压不稳定性的影响，保证了解调使用的光电流信号的相位差稳定性。调使用的光电流信号的相位差稳定性。调使用的光电流信号的相位差稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种多解调方案的分布式弱光栅阵列传感系统和方法


[0001]本专利技术属于光纤传感
，尤其涉及一种多解调方案的分布式弱光栅阵列传感系统和方法。

技术介绍

[0002]光纤传感技术起源于上世纪70年代，是随着低损耗光纤的问世而迅速发展起来的一种传感技术。经过近五十年的研究与发展，光纤传感技术在各方面日趋成熟，并已经在军事、安防、工业等多个领域得到了应用。
[0003]光纤传感技术以光纤同时作为传输介质和传感元件，以光波作为外界信号的载体。光波在光纤内传播过程中，当外界的温度、应变、振动等环境因素发生变化，其某些特征参量(如频率、偏振态、相位等)也会随之相应的产生变化，即会产生被外界信息调制的背向散射光，然后检测光波的相关参量，可以解调出被加载在光波上的信息，进而得到光纤所处的环境的变化情况。
[0004]分布式弱光栅阵列传感原理是：把嵌入光纤的弱光栅阵列当作一组＂弱反射镜＂，在光纤的指定位置提供稳定的、强度可控的反射光信号，使用这些反射光信号取代光纤中的自发瑞利散射，通过解调出干涉光的相位、功率等变化的信息，最终可以得到外部的扰动信号。与传统的光纤传感系统相比，分布式弱光栅阵列传感系统得到的反射光信号更稳定，信噪比更高。
[0005]光纤传感技术的解调方案众多，包括π/2相位差解调、2π/3相位差解调、π/4相位差解调等，它们各有优劣，适用于不同的实际场景。而不同的解调方案，意味着不同的系统结构。但实际中，需求是灵活多变的，为了需求的改变去实时改变系统是不现实的。目前，没有一个能同时实现多种解调方案，适用于不同场景的传感系统和方法。
[0006]同时，π/2相位差解调、2π/3相位差解调、π/4相位差解调都对相位差的稳定性有着很好的需求，而由于相位调制器的半波电压的不稳定性，相位差稳定性的保证也是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]解决的技术问题：本专利技术需要解决的技术问题包括：(1)目前的系统结构与解调方案具有对应关系，同一套系统结构难以灵活满足不同的场景需求；(2)由于相位调制器的半波电压的不稳定性，导致难以保证相位差稳定性。
[0008]技术方案：
[0009]一种多解调方案的分布式弱光栅阵列传感系统，所述分布式弱光栅阵列传感系统包括窄线宽激光器、声光调制器、相位调制器、双脉冲信号发生器、信号发生器、掺铒光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器和数据采集卡；
[0010]所述窄线宽激光器发出的连续光经耦合器输出至声光调制器，所述双脉冲信号发生器发出同步信号，作为信号发生器的触发信号，使声光调制器在信号发生器的控制下对
连续光进行调制，以产生具有指定脉冲宽度和脉冲间距的双脉冲光；所述相位调制器对双脉冲光的前脉冲光进行调相，使部分区域相位线性增加；
[0011]所述掺铒光纤放大器对经调相处理后的双脉冲光进行功率放大处理后输出至环形器，通过环形器进入传感光纤，使双脉冲光的反射光在光栅中叠加干涉，产生的干涉光返回至环形器；所述光电探测器将返回的干涉光信号转换成相应的电信号输出至数据采集卡，数据采集卡对采集到的电信号进行数字化处理后输出至计算机；
[0012]所述计算机对多次采集的时域信号进行分析，通过观察反射峰信号的波动大小，进行扰动定位，并且从扰动位置的光电流信号中，得到N个同一个相位周期对应的位置的变化量，对于相位相差Φ的光电流信号，选择采样点数相差ΦN/2π的光电流信号进行解调。
[0013]进一步地，对于π/2相位差解调，选择相差1/4相位周期的两个光电流信号进行解调；对于2π/3相位差解调，选择相差1/3相位周期的三个光电流信号进行解调；对于π/4相位差解调，选择相差1/8相位周期的四个光电流信号进行解调；N为大于1的正整数。
[0014]进一步地，对于应变量大于预设应变量阈值的扰动，选择2π/3相位差解调，否则采用π/4相位差解调；对于要求的解调速度大于预设解调速度阈值的扰动，选择π/2相位差解调。
[0015]进一步地，所述双脉冲光的两个脉冲的脉冲宽度均为t1，两个脉冲的脉冲间距满足：其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率，L为光栅阵列中相邻光栅的间距。
[0016]进一步地，所述信号发生器发出的控制电信号的周期与双脉冲光的电信号的周期一致，且其电压范围为0V至2V
π
，V
π
为相位调制器的半波电压。
[0017]进一步地，假设双脉冲光的前脉冲反射光的光场分布为E1，脉冲光的角频率是ω，初相位是电场幅度是E
r1
；后脉冲反射光的光场分布为E2，脉冲光的角频率是ω，初相位是电场幅度是E
r2
；是t时刻的外界扰动引起的相位变化，ψ(x)是相位调制器引入的相位变化；
[0018]前脉冲反射光的电场表示为：
[0019][0020]后脉冲反射光的电场表示为：
[0021][0022]前脉冲的反射光和后脉冲的反射光叠加后发生干涉，干涉光的光信号表示为：
[0023][0024]式中，忽略两束光的初始相位差和直流项，干涉光的光信号表示为：
[0025][0026]式中，ψ(x)是一个随着位置x增大，值线性增大的函数，干涉光的光信号的取值与ψ(x)之间存在2π的周期。
[0027]本专利技术提出一种多解调方案的分布式弱光栅阵列传感方法，所述分布式弱光栅阵列传感方法基于前述分布式弱光删阵列传感系统对扰动位置处的光信号进行解调；
[0028]所述分布式弱光删阵列传感方法包括以下步骤：
[0029]S1，将窄线宽激光器产生连续光经耦合器输出至声光调制器，将连续光调幅为第一脉冲光和第二脉冲光，第一脉冲光的脉冲宽度等于第二脉冲光的脉冲宽度；
[0030]S2，对第一脉冲光进行线性相位调制处理，部分区域相位线性增加；
[0031]S3，使第二脉冲光与调相处理后的第一脉冲光经过掺铒光纤放大器补偿后，由环形器进入融合光栅阵列的传感光纤；采用光电探测器探测相邻光栅上的反射光相互叠加干涉的光信号，由数据采集卡将采集到的电信号数字化，采集得到干涉光的时域信号；
[0032]S4，对多次采集的时域信号进行分析，通过观察反射峰信号的波动大小，实现扰动定位；
[0033]S5，从扰动位置的光电流信号中，得到一个相位周期对应的采样点数N；
[0034]S6，根据实际需求确定相位差解调方式，对于应变量大于预设应变量阈值的扰动，选择2π/3相位差解调，否则采用π/4相位差解调；对于要求的解调速度大于预设解调速度阈值的扰动，选择π/2相位差解调；
[0035]其中，若要进行π/2相位差解调，则选择相差1/4相位周期的两个光电流信号进行解调；若要进行2π/3相位差解调，则选择相差1/3相位周期的三个光电流信号进行解调；若要进行π/4相位差解调，则选择相差1/8相位周期的四个光电流信号进行解调；
[0036]S7，从扰动位置的光电流信号中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多解调方案的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，所述分布式弱光栅阵列传感系统包括窄线宽激光器、声光调制器、相位调制器、双脉冲信号发生器、信号发生器、掺铒光纤放大器、环形器、融合弱光栅阵列的传感光纤、光电探测器和数据采集卡；所述窄线宽激光器发出的连续光经耦合器输出至声光调制器，所述双脉冲信号发生器发出同步信号，作为信号发生器的触发信号，使声光调制器在信号发生器的控制下对连续光进行调制，以产生具有指定脉冲宽度和脉冲间距的双脉冲光；所述相位调制器对双脉冲光的前脉冲光进行调相，使部分区域相位线性增加；所述掺铒光纤放大器对经调相处理后的双脉冲光进行功率放大处理后输出至环形器，通过环形器进入传感光纤，使双脉冲光的反射光在光栅中叠加干涉，产生的干涉光返回至环形器；所述光电探测器将返回的干涉光信号转换成相应的电信号输出至数据采集卡，数据采集卡对采集到的电信号进行数字化处理后输出至计算机；所述计算机对多次采集的时域信号进行分析，通过观察反射峰信号的波动大小，进行扰动定位，并且从扰动位置的光电流信号中，得到N个同一个相位周期对应的位置的变化量，对于相位相差Φ的光电流信号，选择采样点数相差ΦN/2π的光电流信号进行解调。2.根据权利要求1所述的多解调方案的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，对于π/2相位差解调，选择相差1/4相位周期的两个光电流信号进行解调；对于2π/3相位差解调，选择相差1/3相位周期的三个光电流信号进行解调；对于π/4相位差解调，选择相差1/8相位周期的四个光电流信号进行解调；N为大于1的正整数。3.根据权利要求2所述的多解调方案的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，对于应变量大于预设应变量阈值的扰动，选择2π/3相位差解调，否则采用π/4相位差解调；对于要求的解调速度大于预设解调速度阈值的扰动，选择π/2相位差解调。4.根据权利要求1所述的多解调方案的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，所述双脉冲光的两个脉冲的脉冲宽度均为t1，两个脉冲的脉冲间距满足：其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤的等效折射率，L为光栅阵列中相邻光栅的间距。5.根据权利要求1所述的多解调方案的分布式弱光栅阵列传感系统，其特征在于，所述信号发生器发出的控制电信号的周期与双脉冲光的电信号的周期一致，且其电压范围为0V至2V
π
，V
π
为相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，洪瑞，张旭苹，张益昕，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：