基于移相信号调制的传感器阵列的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传感器阵列的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、光分插复用器、传感器、延迟光纤、信号发生器、光电探测器、数据采集和处理模块和微振动台。光源通过光开关生成光脉冲，对光脉冲进行脉冲相位调制，然后进入传感器阵列，通过光分插复用器选择对应波长的激光脉冲进入传感器，在输出端实现多路移相信号的产生，后将带有振动相位信息的干涉信号合并传入光电探测器，通过标定多路移相信号，配合移相算法，实现光纤传感器振动相位解调。该调制解调方法光路简单，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，同时能减少器件的使用，降低成本。

【技术实现步骤摘要】
基于移相信号调制的传感器阵列的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传感器阵列的调制解调方法及装置。
技术介绍
光纤传感技术在国际上是七十年代后期迅速发展起来的新技术，与传统检波器相比，光纤传感器具有重量轻、抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀，同时复用能力强，可以实现长距离分布式应用。它已经被应用在油井温度与压力测量、输油管道监测、测井技术、地震波监测、桥梁及建筑监测等方面。光纤传感器的分布式应用是近几年研究和工程应用的热点。分布式传感采用波分复用和时分复用的混合复用方式，这也是未来大规模阵列或超大规模阵列的首选方案。在传感器的复合使用中，信号检测方法是其关键技术之一。PGC零差法和外差法是目前运用最广的解调方法之一。PGC载波法不需要在干涉仪中加任何器件，系统可以实现全光，也便于复用，这是大规模光纤水听器系统采用的一种重要方案。但该方法电路处理复杂，硬件系统要求高，会带来相关电路噪音，对滤波器的要求比较高。同时由于激光光源的调制频率的限制，要求产生干涉的光程差较大，会引入相位噪声。
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传感器阵列的调制解调方法及装置，解决了传统相位检测技术易受干扰，硬件系统要求高，解算速度慢的问题。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传感器阵列的调制解调方法，方法步骤如下：步骤1、打开激光光源和微振动台，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。步骤2、经过相位调制的激光脉冲进入设置在微振动台上的传感器阵列，传感器阵列包括若干个通过延迟光纤并联的传感模块，传感模块包括光分插复用器和传感器，传感器的输入端和输出端分别设有一个光分插复用器，通过第一个传感模块输入端的光分插复用器选择对应波长的激光脉冲进入传感器；其余波长的光脉冲通过延迟光纤，分别进入其余传感模块输入端的光分插复用器，通过输入端的光分插复用器选择对应波长的激光脉冲进入对应的传感器，每个传感器携带振动相位信息后的干涉信号由输出端的光分插复用器依次向前合并，由第一个传感模块输出端的光分插复用器送入光电探测器，然后进入数据采集和处理模块。对于任意传感器，带有对应传感器的振动相位信息，其干涉光强I表示为其中表示初始相位，表示环境引起的相位变化，表示振动相位信号，表示为相位调制信号，令合相位则干涉光强I(t)简化式为步骤3、光电探测器将干涉光强信号转换为电信号，数据采集和处理模块采集电信号，由于每个传感器的信号对应于不同的光脉冲，通过标定相位调制信号和接收信号的延时，获取每个传感器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的初始直流相和环境漂移相，解调出传感器连续的振动相位信号一种基于移相信号调制的传感器阵列的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、延迟光纤、传感器阵列、信号发生器、光电探测器、数据采集和处理模块和微振动台；信号发生器分别与光开关和相位调制器连接，传感器阵列包括若干个通过延迟光纤并联的传感模块，传感模块包括光分插复用器和传感器，传感器的输入端和输出端分别设有一个光分插复用器；相邻两个传感模块中输出端的光分插复用器通过延迟光纤依次连接，输入端的光分插复用器通过延迟光纤依次连接，第一个输入端的光分插复用器再与光电探测器通过光纤相连数据采集和处理模块与光电探测器相连。信号发生器产生两组高速脉冲信号，一组提供给光开关产生光脉冲，另一组提供给相位调制器，产生π/2的相位调制，所述激光光源发出的光依次经过隔离器、光开关、相位调制器后，形成经相位调制的激光脉冲，进入传感器阵列，通过第一个传感模块输入端的光分插复用器选择对应波长的光脉冲进入其对应的传感器，其余的光脉冲进入延迟光纤，再通过其余传感模块输入端的光分插复用器选择对应波长的光脉冲依次分别进入对应的传感器，直至传输到整个传感器阵列，传感器感应带有振动信号，产生带有振动相位信息的干涉光强信号，并由输出端的光分插复用器依次向前合并；最后由第一个传感模块输出端的光分插复用器合并后传入光电探测器，利用数据采集和处理模块进行数据处理和相位信息的提取。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用光开关形成光脉冲信号，利用脉冲信号对激光光脉冲进行相位内调制，利用耦合器的参考臂和信号臂长度差的特性，在输出端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，精度高，信噪比高，抗环境干扰能力强，提高了算法的实时性，同时减少了器件的使用，降低了成本，是解调分布式传感器相位信号的一种有效可行的方法。附图说明图1为本专利技术的一种基于移相信号调制的传感器阵列的调制解调方法的装置结构示意图。图2为本专利技术单个传感模块的结构示意图。图3为本专利技术实施例中，光电探测器接收的四个光脉冲信号示意图。图4为本专利技术实施例中单个传感器单个光脉冲内参考臂、信号臂和光电探测器的信号图，其中(a)为参考臂的相位和时间关系图，(b)为信号臂的相位和时间关系图，(c)为干涉光强信号光强和时间关系图。图5为本专利技术实施例中四组经过脉冲相位调制的干涉光强脉冲返回图。图6为本专利技术实施例中任意传感器对应的三组移相干涉信号光强与时间关系图，其中(a)为I1的移相干涉信号光强与时间关系图，(b)为I2的移相干涉信号光强与时间关系图，(c)为I3的移相干涉信号光强与时间关系图。图7为本专利技术实施例中四个传感器(7-1，7-2，7-3，7-4)解调出的振动相位信号。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和图2，一种基于移相信号调制的传感器阵列的调制解调方法，方法步骤如下：步骤1、打开激光光源1和微振动台11，信号发生器8分别与光开关3和相位调制器4连接，由信号发生器8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、相位调制器4，形成经相位调制的激光脉冲光束。激光光源包含N个不同波长，光脉冲宽度为τ1ns，光脉冲周期为T1，光脉冲上升沿时刻为t1。相位调制信号脉冲宽度为τ2ns，周期为T2，上升沿时刻为t2，相位调制深度为π/2，满足T1＝T2，t1-t2＝τ1/2-τ2ns，τ1>5τ2。即π/2相位信号调制开始于光脉冲上升沿产生之后的τ1/2-τ2ns，并持续τ2ns。经过相位调制后的光脉冲信号，对于任意波长其输出E(t)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对应波长的中心频率，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τ2ns。其中0<τ2<T2，k为常数。步骤2、经过相位调制的激光脉冲进入设置在微振动台上11的传感器阵列，传感器阵列包括若干个通过延迟光纤5并联的传感模块，传感模块包括光分插复用器6和传感器7，传感器7的输入端和输出端分别设有一个光分插复用器6，通过第一个传感模块输入端的光分插复用器6选择对应波长的激光脉冲进入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于移相信号调制的传感器阵列的调制解调方法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、打开激光光源(1)和微振动台(11)，信号发生器(8)分别与光开关(3)和相位调制器(4)连接，由信号发生器(8)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；步骤2、经过相位调制的激光脉冲进入设置在微振动台(11)上的传感器阵列，传感器阵列包括若干个通过延迟光纤(5)并联的传感模块，传感模块包括光分插复用器(6)和传感器(7)，传感器(7)的输入端和输出端分别设有一个光分插复用器(6)，通过第一个传感模块输入端的光分插复用器(6)选择对应波长的激光脉冲进入传感器(7)；其余波长的光脉冲通过延迟光纤(5)，分别进入其余传感模块输入端的光分插复用器(6)，通过输入端的光分插复用器(6)选择对应波长的激光脉冲进入对应的传感器(7)，每个传感器(7)携带振动相位信息后的干涉信号由输出端的光分插复用器(6)依次向前合并，由第一个传感模块输出端的光分插复用器(6)送入光电探测器(9)，然后进入数据采集和处理模块(10)。对于任意传感器(7)，带有对应传感器的振动相位信息，其干涉光强I(t)表示为...

【技术特征摘要】
1.一种基于移相信号调制的传感器阵列的调制解调方法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、打开激光光源(1)和微振动台(11)，信号发生器(8)分别与光开关(3)和相位调制器(4)连接，由信号发生器(8)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；步骤2、经过相位调制的激光脉冲进入设置在微振动台(11)上的传感器阵列，传感器阵列包括若干个通过延迟光纤(5)并联的传感模块，传感模块包括光分插复用器(6)和传感器(7)，传感器(7)的输入端和输出端分别设有一个光分插复用器(6)，通过第一个传感模块输入端的光分插复用器(6)选择对应波长的激光脉冲进入传感器(7)；其余波长的光脉冲通过延迟光纤(5)，分别进入其余传感模块输入端的光分插复用器(6)，通过输入端的光分插复用器(6)选择对应波长的激光脉冲进入对应的传感器(7)，每个传感器(7)携带振动相位信息后的干涉信号由输出端的光分插复用器(6)依次向前合并，由第一个传感模块输出端的光分插复用器(6)送入光电探测器(9)，然后进入数据采集和处理模块(10)。对于任意传感器(7)，带有对应传感器的振动相位信息，其干涉光强I(t)表示为其中表示初始相位，表示环境引起的相位变化，表示振动相位信号，表示为相位调制信号，令合相位则干涉光强I(t)简化式为步骤3、光电探测器(9)将干涉光强信号转换为电信号，数据采集和处理模块(10)采集电信号，由于每个传感器的信号对应于不同的光脉冲，通过标定相位调制信号和接收信号的延时，获取传感器(7)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的初始直流相和环境漂移相，解调出传感器(7)连续的振动相位信号2.根据权利要求1所述的基于移相信号调制的传感器阵列的调制解调方法，其特征在于：所述步骤1中，激光光源(1)是由不同波长激光组成的多波长激光光源。3.根据权利要求1所述的基于移相信号调制的传感器阵列的调制解调方法，其特征在于：所述步骤1中，由信号发生器(8)产生脉冲信号作用于光开关(3)，产生连续光脉冲，一个周期内光脉冲宽度为τ1ns，光脉冲的周期为T1；由信号发生器(8)产生脉冲信号作用于相位调制器(4)，产生连续的相位脉冲调制，一个周期内相位调制脉冲宽度为τ2ns，周期为T2，相位为π/2；满足T1＝T2，且τ1>5τ2；传感器阵列中的传感器(7)的个数为N，满足Nτ1≤T1。4.根据权利要求1所述的基于移相信号调制的传感器阵列的调制解调方法，其特征在于：所述步骤1中，光脉冲上升沿时刻为t1，相位调制脉冲上升沿时刻为t2，满足t2-t1＝τ1/2-τ2ns。5.根据权利要...

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