基于３×３耦合器两路输出的波长解调系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于３×３耦合器两路输出的波长解调系统及方法，系统包括：高通滤波模块，对接收自３×３耦合器的任意两路干涉条纹进行高通滤波，滤去直流项后得到两路输出信号；乘法交叉相减模块，对两路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项；微分平方相加模块，对信号进行消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项；开方判断正负模块，对信号微分的平方项进行开根号运算，然后再对得到的结果进行正负的判断，得到信号的微分项；中值滤波积分模块，对信号的微分项进行中值滤波，滤去坏点后再经过积分器积分，得到最后的解调结果。本发明专利技术具有精度高，动态范围大，成本低，算法简单，容易实现组网的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感
，尤其涉及一种基于3x3耦合器两路输 出的波长解调系统及方法，主要应用于波长调制型传感器波长解调。
技术介绍
光纤传感技术是以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的新 型传感技术。利用外界物理量对光波不同参量的调制，光纤传感器可以分为波长调制型、光强调制型、相位调制型和偏振态调制型等类型。波长 调制型光纤传感器有抗干扰能力强、传感探头结构简单、尺寸小和便于组 网复用等优点，因此波长调制型传感器在光纤传感中广泛应用于土木工 程，航空航天，石油工业，国防安全等诸多领域。基于波长调制型光纤传感器的解调方法有很多，例如色散法、F-P滤 波器法、匹配光栅法、边缘滤波器法等，这些方法的最高波长分辨率约为O.lpm。要达到更高的分辨率，必须采用干涉的方法，传感头波长的变化 经过非平衡干涉仪后转化为相位变化，然后通过相位解调技术还原波长的 变化，基于干涉式波长解调的方法主要包括相位跟踪法，相位载波法，3x3 耦合器方法等等。相位跟踪法是在干涉仪的一个臂上引入相位调制器，干涉仪输出信号 经过相位补偿电路后对其进行反馈控制，产生相位补偿，使得干涉仪的两 臂的相位差为71/2，即干涉仪工作在正交状态下，此时传感器波长的变化 量与探测器输出的电压变化成正比。相位跟踪法的结构较简单，解调速度 快，其缺点是检测大信号时失真严重，解调结果与光强相关，且在组网复 用中，由于每一路传感器的干涉信号初始相位漂移不同，因此每一路传感 器需要单独的干涉仪和补偿电路，组网结构比较复杂。相对于其它相位解调技术，基于3x3耦合器法实现的波长解调系统成 本低，算法简单，而且系统光路的实现相对容易，但是通常解调算法需要依赖于3W耦合器的三路输出，并且需要相位展开技术，这样不仅增加了 系统组网的难度而且加大了算法的难度。
技术实现思路
(一) 要解决的技术问题 为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的主要目的在于提供一种基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统及方法，以降低算法复杂度，增大解 调动态范围，降低解调系统成本，便于实现组网。(二) 技术方案为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下-一种基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统，该系统包括高通滤波模块IO，用于对接收自3x3耦合器的任意两路干涉条纹进行高通滤波，滤去直流项后得到两路输出信号，输出给乘法交叉相减模块20;乘法交叉相减模块20，用于对高通滤波模块10输入的两路信号进行 乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模 块30;微分平方相加模块30，用于对乘法交叉相减模块20输入的信号进行 消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，输出给开方判断 正负模块40;开方判断正负模块40，用于对微分平方相加模块30输入的信号微分 的平方项进行开根号运算，然后再对得到的结果进行正负的判断，得到信 号的微分项，输出给中值滤波积分模块50;中值滤波积分模块50，用于对开方判断正负模块40输入的信号的微 分项进行中值滤波，滤去坏点后再经过积分器积分，得到最后的解调结果。上述方案中，所述高通滤波模块10包含第一高通滤波器101，用于对输入的干涉条纹al进行高通滤波得到信 号bl，输出给乘法交叉相减模块20;第二高通滤波器102，用于对输入的干涉条纹a2进行高通滤波得到信 号b2，输出给乘法交叉相减模块20。6上述方案中，所述乘法交叉相减模块20包含四个乘法器和两个减法器，第一乘法器201和第二乘法器202分别将信号bl分别与(A/A)cos/ 2 和(A/^)sinj32相乘得到信号cl和c2，第三乘法器203和第四乘法器204 分别将信号b2分别与cos A和sin A相乘得到信号c3和C4，第一减法器205 将信号cl和c3相减得到信号dl ，第二减法器206将信号c2和c4相减得 到信号d2。上述方案中，所述微分平方相加模块30包含两个微分器、两个平方 器和一个加法器，其中，第一微分器301对信号dl微分得到信号el，第 二微分器302对信号d2微分得到信号e2，第一平方器303对信号el平方 得到信号fl，第二平方器304对信号e2平方得到信号f2，加法器305将 信号fl和信号f2相加得到信号g。上述方案中，所述开方判断正负模块40包括一个开方器和一个判断 正负模块，开方器401将信号g开方得到信号h，判断正负模块402根据 信号dl和e2的值判断信号h的符号得到信号i。上述方案中，所述中值滤波积分模块50包括一个中值滤波器和一个 积分器，中值滤波器501对信号i进行中值滤波得到信号j，积分器502 对信号j进行积分得到最后解调结果。一种基于3x3耦合器两路输出的波长解调方法，应用于权利要求1所 述的系统，该方法具体包括高通滤波模块10对接收自3x3耦合器的任意两路干涉条纹进行高通 滤波，滤去直流项后得到两路输出信号，输出给乘法交叉相减模块20;乘法交叉相减模块20对高通滤波模块10输入的两路信号进行乘法交 叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模块30;微分平方相加模块30对乘法交叉相减模块20输入的信号进行消去包 含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，输出给开方判断正负模块40;开方判断正负模块40对微分平方相加模块30输入的信号微分的平方 项迸行开方判断正负处理，得到信号的微分项，输出给中值滤波积分模块50;中值滤波积分模块50对开方判断正负模块40输入的信号的微分项进行中值滤波积分，得到最后的解调结果。上述方案中，所述乘法交叉相减模块20对高通滤波模块10输入的两 路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分 平方相加模块30的步骤，具体包括高通滤波模块10输入的第一路信号首先乘以一比值，该比值是由3x3 耦合器输出的干涉条纹第二路中光强和条纹可见度的乘积项除以3x3耦合器输出的干涉条纹第一路中光强和条纹可见度的乘积项得到的，然后再乘以3x3耦合器引入的第二路相位差的余弦值；高通滤波模块10输入的第 一路信号接着再乘以一比值，该比值是由3x3耦合器输出的干涉条纹第二 路中光强和条纹可见度的乘积项除以3x3耦合器输出的干涉条纹第一路中 光强和条纹可见度的乘积项得到的，然后再乘以3x3耦合器引入的第二路 相位差的正弦值；高通滤波模块10输入的第二路信号首先乘以3x3耦合器引入的第一 路相位差的余弦值；高通滤波模块10输入的第二路信号然后乘以3x3耦 合器引入的第一路相位差的正弦值，得到四路信号通过两个减法器交叉相 减得到的两路分别包含所求信号正弦和余弦的输出。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果1、 本专利技术提供的这种基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统及方 法，由于是基于干涉式的解调原理，将波长变化转变为相位的变化再进行 检测，具有高精度，动态范围大的特点。2、 本专利技术提供的这种基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统及方 法，由于该解调方法基于3x3耦合器进行波长解调，其算法简单，而且不需要有源器件，使解调系统成本降低。3、 本专利技术提供的这种基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统及方 法，由于该解调方法基于3x3耦合器的两路输出，较利用3x3耦合器三路 输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于３×３耦合器两路输出的波长解调系统，其特征在于，该系统包括：　　　　高通滤波模块（１０），用于对接收自３×３耦合器的任意两路干涉条纹进行高通滤波，滤去直流项后得到两路输出信号，输出给乘法交叉相减模块（２０）；　　　　乘法交叉相减模块（２０），用于对高通滤波模块（１０）输入的两路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模块（３０）；　　　　微分平方相加模块（３０），用于对乘法交叉相减模块（２０）输入的信号进行消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，输出给开方判断正负模块（４０）；　　　　开方判断正负模块（４０），用于对微分平方相加模块（３０）输入的信号微分的平方项进行开根号运算，然后再对得到的结果进行正负的判断，得到信号的微分项，输出给中值滤波积分模块（５０）；中值滤波积分模块（５０），用于对开方判断正负模块（４０）输入的信号的微分项进行中值滤波，滤去坏点后再经过积分器积分，得到最后的解调结果。

【技术特征摘要】
1、一种基于3×3耦合器两路输出的波长解调系统，其特征在于，该系统包括高通滤波模块(10)，用于对接收自3×3耦合器的任意两路干涉条纹进行高通滤波，滤去直流项后得到两路输出信号，输出给乘法交叉相减模块(20)；乘法交叉相减模块(20)，用于对高通滤波模块(10)输入的两路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模块(30)；微分平方相加模块(30)，用于对乘法交叉相减模块(20)输入的信号进行消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，输出给开方判断正负模块(40)；开方判断正负模块(40)，用于对微分平方相加模块(30)输入的信号微分的平方项进行开根号运算，然后再对得到的结果进行正负的判断，得到信号的微分项，输出给中值滤波积分模块(50)；中值滤波积分模块(50)，用于对开方判断正负模块(40)输入的信号的微分项进行中值滤波，滤去坏点后再经过积分器积分，得到最后的解调结果。2、 根据权利要求1所述的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统， 其特征在于，所述高通滤波模块(10)包含第一高通滤波器(101)，用于对输入的干涉条纹al进行高通滤波得 到信号bl，输出给乘法交叉相减模块(20);第二高通滤波器(102)，用于对输入的干涉条纹a2进行高通滤波得 到信号b2，输出给乘法交叉相减模块(20)。3、 根据权利要求2所述的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统， 其特征在于，所述乘法交叉相减模块(20)包含四个乘法器和两个减法器， 第一乘法器(201)和第二乘法器(202)分别将信号M分别与(尾/A)cosA 和(A/A)sinA相乘得到信号cl和c2，第三乘法器(203)和第四乘法器(204)分别将信号b2分别与cosA和sinA相乘得到信号c3和c4，第一减法器(205)将信号cl和c3相减得到信号dl，第二减法器(206)将信号 c2和c4相减得到信号d2。4、 根据权利要求3所述的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统， 其特征在于，所述微分平方相加模块(30)包含两个微分器、两个平方器 和一个加法器，其中，第一微分器(301)对信号dl微分得到信号el，第 二微分器(302)对信号d2微分得到信号e2，第一平方器(303)对信号 el平方得到信号fl，第二平方器(304)对信号e2平方得到信号f2，加法 器(305)将信号fl和信号￡2相加得到信号g。5、 根据权利要求4所述的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统， 其特征在于，所述开方判断正负模块(40)包括一...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯磊，李芳，刘育梁，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]