CN108760021A - 基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置及解调方法，SLD宽带光源发出光信号传入到光纤法珀声振动传感器，并在外界声振动信号的作用下受到调制，被调制后的光信号反射回1×2的耦合器，并通过一个1×4的耦合器分成四路信号，分别经过用于入射的光纤准直器阵列，受到起偏器阵列、双折射晶体阵列和检偏器阵列调制，受到调制的信号入射到用于接收的光纤准直器阵列，并经过光电探测器阵列四路光信号转换成电信号；双折射晶体阵列中的四个双折射晶体具有不同的厚度，使得每路信号之间存在一个正交相位差，采集到四路干涉信号，结合四象限反正切得到相位信息，进而实现对声振动信号的解调。与现有技术相比，本发明能够保证测量精度。

Description

基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置及解调方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置及解调方法。

背景技术

光纤传感技术由于具有光纤不带电、抗电磁干扰、耐恶劣环境、灵敏度高、远程监测、长期监测等优点，因此在一些重大工程、重大装备和环境等多个领域得到了广泛的应用。光纤法珀声振动传感是光纤传感的一个重要分支，是利用光纤传感技术来检测声振动信号，主要原理是光信号在受到声场振动会使某些参量发生变化，利用光纤传感技术检测出此变化量，最后还原出声振动信号。声振动信号是一种变化速度快，由多种频率成分组成的动态的微压信号，研究人员对此提出多种解调方法。其中主要有干涉型强度解调法和干涉型相位解调法。干涉型强度解调法是指采用相干光源，对传感器返回的光信号进行直接强度探测的解调方法。利用传感器返回的光强与其腔长有关，声振动信号引起腔长变化，进而使光强发生变化。但此方法需使传感器的静态工作点在线性区域内，才能使光强与腔长的变化满足线性关系，这样传感器的灵敏度高、信号处理方法简单、响应快，但受外界环境因素的影响下，传感器的工作点容易偏离线性区，因此将降低传感器的灵敏度和线性度，甚至会使信号严重畸变失真。

针对上述问题，研究人员提出了多种干涉型相位解调方法。这些方法主要是利用多路信号，并在多路信号之间引入一个相位差，以此来实现对声振动信号的解调，其中多路信号之间引入正交的相位差得到最为广泛的使用。其中如采用宽带光源和滤波器的解调结构或采用多个单波长窄带光来引入正交信号。但上述方法中必须针对传感器的初始腔长来选择光源的波长，一旦腔长发生漂移或者光源的波长没有得到精确的控制，由此得到的多路干涉信号就不会满足彼此正交的关系，进而造成解调误差。

发明内容

针对上述的解调方法存在的问题，本发明提出了一种基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置及解调方法，利用双折射的特性，采用四个厚度不同的双折射晶体来构建四路正交干涉信号，并通过对四路干涉信号计算处理，实现对声振动信号的解调。

本发明提出一种基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置及解调方法，该装置包括SLD宽带光源1、1×2的耦合器2、光纤法珀声振动传感器3、1×4的耦合器4、由光纤准直器5构成的用于入射的光纤准直器阵列6、由起偏器7构成的起偏器阵列8、由双折射晶体9构成的双折射晶体阵列10、由检偏器11构成的检偏器阵列12、由光纤准直器13构成的用于接收的光纤准直器阵列14、由光电探测器15构成的光电探测器阵列16和数据采集卡17；

SLD宽带光源1与1×2的耦合器2，所述1×2的耦合器2与所述光纤法珀声振动传感器3连接；所述1×4的耦合器4分四路与所述光纤准直器阵列6、所述起偏器阵列8、所述双折射晶体阵列10、检偏器阵列12、所述光纤准直器阵列14连接，所述光纤准直器阵列6、所述起偏器阵列8、所述双折射晶体阵列10、检偏器阵列12、所述光纤准直器阵列14的四路输出与所述光电探测器阵列16连接，所述光电探测器阵列16的输出与数据采集卡17连接；

所述双折射晶体阵列10中的四个双折射晶体具有不同的厚度；

所述SLD宽带光源1用于发出的光信号；

所述光纤法珀声振动传感器3用于将光信号在外界声振动信号的作用下受到调制，被调制后的光信号反射回1×2的耦合器2，

所述1×4的耦合器4用于将调制后的光信号分成四路信号；

所述光电探测器阵列16用于实现光电转换，将调制后的光信号转换成电信号；所

述数据采集卡用于采集四路电信号，对采集到的电信号进行运算处理，从中提取出相位信息。

本发明的一种利用基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置的解调方法，该方法具体包括以下过程：

步骤一：一个1×2的耦合器将SLD宽带光源发出的光信号传入到光纤法珀声振动传感器，并在外界声振动信号的作用下受到调制，被调制后的光信号会反射回1×2的耦合器，并通过一个1×4的耦合器分成四路信号；四路信号再分别经过用于入射的光纤准直器阵列，然后受到起偏器阵列、双折射晶体阵列和检偏器阵列调制，受到调制的信号入射到用于接收的光纤准直器阵列，并经过光电探测器阵列；

步骤二：四路光信号经过光电探测器阵列发生光电转换，转换成电信号；选择双折射晶体阵列中的四个双折射晶体具有不同的厚度，使得每路信号之间存在一个正交相位差，从而保证四路信号彼此之间为正交关系，采集到的四路干涉信号为：

其中I₁，I₂，I₃，I₄代表四路信号的强度，A代表干涉信号的交流项，再结合四象限反正切得到相位信息，相位信息表达式如下：

tan[φ(t)]＝(I₄-I₂)/(I₁-I₃)，

步骤三：解调得到的相位信息φ(t)与光纤法珀声振动传感器的腔长呈线性比例关系，进而实现对声振动信号的解调。

与现有技术相比，本发明的与现有技术相比，本发明采用四个厚度不同的双折射晶体构成双折射晶体阵列，来构建四路正交干涉信号，并且引入的相位差仅与双折射率差和双折射晶体厚度有关，保证测量精度。

附图标记

图1为本发明的一种基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感解调装置结构示意图；

图2为按照实际变量得到的解调相位误差随腔长变化的仿真结果示意图；

图3为在外界信号是频率为21kHz的正弦信号下的解调结果示意图；其中：(a)采集卡采集到的原始四路信号；(b)根据发明提出的基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置及解调方法，解调得到的原始相位信息；(c)对(b)图即解调得到的原始相位信息，进行傅里叶变换得到的频谱图；

附图标记：1、SLD宽带光源，2、1×2的耦合器，3、光纤法珀声振动传感器，4、1×4的耦合器，5、光纤准直器，6、光纤准直器阵列，7、起偏器，8、起偏器阵列，9双折射晶体、10、双折射晶体阵列、11、检偏器，12、构成的检偏器阵列，13、光纤准直器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

以下结合附图及实施案例，对依据本发明提供的具体实施方式及效果的详细说明如下：

搭建如图1所示的光纤法珀声振动传感解调装置结构作为本例的实验系统，该系统从输入端到输出端依次将SLD宽带光源(1)、1×2的耦合器(2)、光纤法珀声振动传感器(3)、1×4的耦合器(4)、由光纤准直器(5)构成的用于入射的光纤准直器阵列(6)、由起偏器(7)构成的起偏器阵列(8)、由双折射晶体(9)构成的双折射晶体阵列(10)、由检偏器(11)构成的检偏器阵列(12)、由光纤准直器(13)构成的用于接收的光纤准直器阵列(14)、由光电探测器(15)构成的光电探测器阵列(16)、数据采集卡(17)连接。SLD宽带光源(1)发出的光信号通过1×2的耦合器(2)传入到光纤法珀声振动传感器(3)，并在外界声振动信号的作用下受到调制，被调制后的光信号会反射回1×2的耦合器(2)，并通过一个1×4的耦合器(4)分成四路信号；四路信号再分别经过用于入射的光纤准直器阵列(6)，然后受到起偏器阵列(8)、双折射晶体阵列(10)和检偏器阵列(12)调制，受到调制的信号入射到用于接收的光纤准直器阵列(14)，并经过光电探测器阵列(16)发生光电转换，转换成电信号；四路电信号被数据采集卡采集(17)，由于双折射晶体阵列(10)中的四个双折射晶体具有不同的厚度，使得每路信号之间存在一个正交相位差。因此采集到的四路干涉信号为：

所以相位信息满足tan[φ(t)]＝(I₄-I₂)/(I₁-I₃)，并结合四象限反正切得到相位信息。

由于解调得到的相位信息与光纤法珀声振动传感器的腔长呈线性比例关系，进而实现对声振动信号的解调。

其中宽带光源选用中心波长为750nm，带宽为20nm的SLD光源。信号源为信号发生器驱动声源发出频率为21kHz的正弦信号。四路双折射晶体的厚度为7.651mm，7.667mm，7.682mm和7.698mm。传感器的初始腔长为45.98μm。图2可以看出当腔长形变量在[-10μm，10μm]这一区间时，解调得到的相位误差仅在[-0.019rad，0.032rad]这一区间，验证了本发明提出的基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置及解调方法具有非常高的精度。

如图3所示，为外界信号是频率为21kHz的正弦信号下的解调结果示意图。从图中可以看出，本发明准确地恢复出外界信号，验证了本发明提出的基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置及解调方法的有效性。

Claims (2)

1.一种基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置及解调方法，其特征在于，该装置包括SLD宽带光源(1)、1×2的耦合器(2)、光纤法珀声振动传感器(3)、1×4的耦合器(4)、由光纤准直器(5)构成的用于入射的光纤准直器阵列(6)、由起偏器(7)构成的起偏器阵列(8)、由双折射晶体(9)构成的双折射晶体阵列(10)、由检偏器(11)构成的检偏器阵列(12)、由光纤准直器(13)构成的用于接收的光纤准直器阵列(14)、由光电探测器(15)构成的光电探测器阵列(16)和数据采集卡(17)；SLD宽带光源(1)与1×2的耦合器(2)，所述1×2的耦合器(2)与所述光纤法珀声振动传感器(3)连接；所述1×4的耦合器(4)分四路与所述光纤准直器阵列(6)、所述起偏器阵列(8)、所述双折射晶体阵列(10)、检偏器阵列(12)、所述光纤准直器阵列(14)连接，所述光纤准直器阵列(6)、所述起偏器阵列(8)、所述双折射晶体阵列(10)、检偏器阵列(12)、所述光纤准直器阵列(14)的四路输出与所述光电探测器阵列(16)连接，所述光电探测器阵列(16)的输出与数据采集卡(17)连接；所述双折射晶体阵列(10)中的四个双折射晶体具有不同的厚度；

所述SLD宽带光源(1)用于发出的光信号；

所述光纤法珀声振动传感器(3)用于将光信号在外界声振动信号的作用下受到调制，被调制后的光信号反射回1×2的耦合器(2)，

所述1×4的耦合器(4)用于将调制后的光信号分成四路信号；

所述光电探测器阵列(16)用于实现光电转换，将调制后的光信号转换成电信号；

所述数据采集卡用于采集四路电信号，对采集到的电信号进行运算处理，从中提取出相位信息。

2.一种利用基于双折射晶体的光纤法珀声振动传感装置的解调方法，该方法具体包括以下过程：

步骤一：一个1×2的耦合器将SLD宽带光源发出的光信号传入到光纤法珀声振动传感器，并在外界声振动信号的作用下受到调制，被调制后的光信号会反射回1×2的耦合器，并通过一个1×4的耦合器分成四路信号；四路信号再分别经过用于入射的光纤准直器阵列，然后受到起偏器阵列、双折射晶体阵列和检偏器阵列调制，受到调制的信号入射到用于接收的光纤准直器阵列，并经过光电探测器阵列；

步骤二：四路光信号经过光电探测器阵列发生光电转换，转换成电信号；选择双折射晶体阵列中的四个双折射晶体具有不同的厚度，使得每路信号之间存在一个正交相位差，从而保证四路信号彼此之间为正交关系，采集到的四路干涉信号为：

其中I₁，I₂，I₃，I₄代表四路信号的强度，A代表干涉信号的交流项，再结合四象限反正切得到相位信息，相位信息表达式如下：

tan[φ(t)]＝(I₄-I₂)/(I₁-I₃)，

步骤三：解调得到的相位信息φ(t)与光纤法珀声振动传感器的腔长呈线性比例关系，进而实现对声振动信号的解调。