一种光纤干涉信号解调方法技术

一种光纤干涉信号解调方法，该方法通过包含激光光源、２×２光纤耦合器、传感头、３×３光纤耦合器、光电转换器和对称解调器的装置进行光纤干涉信号解调，该方法包括如下步骤：由２×２光纤耦合器将激光光源产生的光分为两束，由传感头将所关注的外部信号转化为所述两束光中的相移，由３×３光纤耦合器将所述的两束光合并、产生三路相位调制信号，由光电转换器将所述的三路相位调制信号转换为三路电信号，由对称解调器将所述的三路电信号转换为单一的相位信号。利用３×３耦合器可以实现无反馈控制、无需调制激光光源也无需使用电子元件的相位调制信号的无源零差解调。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感
具体涉及一种用于光纤干涉型水听器的信号解调方法。
技术介绍
光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。基于光纤干涉仪的光纤干涉型水听器具有较高的声探测灵敏度。从干涉仪的输出信号中解调出相位信号是光纤干涉型水听器的关键技术之一。传统的Mach-Zehnder光纤干涉仪采用2×2耦合器，由于2×2耦合器的本征特性，其两个输出端存在180°的相位差，导致当相位为π的整数倍时，两路输出信号相对于相位的变化均为零。为了得到正交的光强输出，通常加一外部元件，如PZT和布喇格盒，或者采用调制光源的方法等。目前用于光纤干涉型水听器的信号解调技术主要有零差解调法和外差解调法。通常采用的零差法有被动零差法和相位跟踪零差法。被动零差法需要在干涉仪中产生一高频载波，然后提取输出信号的傅立叶一贝赛尔函数中的一对正交信号进行调制。产生载波的方法有两种其一是加压电陶瓷(PZT)调制器；其二是调制激光二极管输出光的频率。相位跟踪法是通过引入一相位调制量A，使得干涉仪两臂的相位差Δφ-A＝π/2，当Δφ变化时，调节对应的A以满足上述条件，从而实现A对Δφ的跟踪。A的产生是通过在干涉仪的一条臂上加一PZT调制器并由经过处理的干涉仪输出信号进行反馈控制来实现。外差法一般是在干涉仪的一条臂上加一布喇格盒，使之产生频移。由于PZT或者布喇格盒的引入使得光纤水听器不能实现全光纤化，并且由于引入了电元件而使光纤水听器丧失了防电磁干扰的优点。虽然通过在激光二极管的驱动电源上附加一锯齿波电压对激光频率进行调制可以起到与加PZT相同的作用，但是这种方法对激光二极管的性能要求较高，提高了系统的成本；同时，附加的调制电流使输出光强也叠加上一调制信号，对接收系统存在一定的干扰；并且这种调制方法要求干涉仪的两臂必需有一定的光程差，这就大大增加了干涉仪对激光器的相位噪声和环境的灵敏度。以上方案所提取的信号多在载波频率及其边带上，使激光器的光功率不能完全得到利用，这也进一步提高了对激光器性能的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术中存在的问题提供一种基于3×3对称耦合器的光纤干涉信号解调方法，该方法通过包含光源、第一2×2耦合器、传感头、第二3×3耦合器、光电转换器和对称解调器的装置进行光纤干涉信号的解调。本专利技术的基于3×3对称耦合器的光纤干涉信号解调方法包含如下步骤由光源产生相干光束；由第一2×2耦合器将光源产生的光分为两束；由传感头将所关注的外部信号转化为所述的两束光中的相移；由第二3×3耦合器合并由所述第一耦合器分开的两束光来产生三路相位调制信号f1、f2和f3；由光电转换器将所述的三路相位调制信号转换为三路电信号x1、x2和x3；由对称解调器将所述的三路电信号x1、x2和x3转换为单一的相位信号φ(t)。在本专利技术中，由2×2耦合器作为输入端、3×3耦合器作为输出端来建立Mach-Zehnder光纤干涉仪。其中，将一根光纤紧密缠绕在一由多主分硅橡胶灌注而成的弹性柱体上构成干涉仪的传感臂；然后将所述弹性柱体固定在一刚性底座上，同样将另一根光纤绕成环状置于所述刚性底座之中构成干涉仪的参考臂。声信号作用在该弹性柱体上使其产生形变，从而引起缠绕在其上的光纤的折射率发生变化，进而使干涉仪的传感臂和参考臂之间产生相位差。由激光二极管发出的光经2×2耦合器后分为两部分，其中一部分注入传感臂光纤，另一部分则注入参考臂光纤。将3×3耦合器的三个输入端中的两个分别与传感臂光纤和参考臂光纤相连。基于3×3耦合器的光纤干涉信号解调方案如下3×3耦合器的三个输出端的输出光强相等，可确定任意两臂间的相位差为120°，也就是每条臂的输出光强为ik(t)=C+Bcos---(1)]]>式中k为1、2、3，C是每条臂输出的平均光强，B是干涉条纹的峰值强度，φ(t)是干涉仪两臂的相位变化。，尽管采用一个低通滤波器可以消除从光电探测器得到的直流量C，但这样限制了对低频信号的解调能力。为了消除直流量C项，利用三角函数关系Σ13cos=0---(2)]]>将三个输出端信号相加，选取加法因子为-1/3，得到-C，再加到每一路信号上，得到ik(t)=A1Bcos---(3)]]> 其中A1为加法器的增益，将每一路信号进行微分，得到ik(t)=ADA1Bφ·(t)sin---(4)]]>其中AD为微分器增益，利用三角函数关系sin(α+β)-sin(α-β)＝2cosαsinβ (5)将每一路信号乘以另两信号微分信号的差，得到3AMADA12B2φ·(t)cos2---(6)]]>其中AM为乘法器增益，将三路信号相加，得到332ADAMA12A3B2φ·(t)---(7)]]>其中利用了Σn=13cos2=32---(8)]]>由于实际系统中的B项受光源强度及偏振态的影响，所以是不稳定的，我们将三路除去C项的信号平方后再相加，同样利用公式(8)可得到32AmA12A2B2---(9)]]>将公式(7)除以公式(9)得到A3ADARA2φ·(t)---(10)]]>其中AR为除法器增益，将此信号积分，就得到了φ(t)，也就是所要测量的信号。利用对称3×3耦合器的三个输出端进行干涉信号解调有如下优点光源无需调制，从而减小了激光模式跳变的可能性，这样也就减小了噪声和费用；干涉仪各光路间不需要光程差，这使得激光器的相位噪声大大减小，也就意味着作为光源的激光器的相干长度可以大幅度缩短，这样就可以使用费用较低的激光二极管。附图说明图1是输入端采用2×2耦合器、输出端采用3×3耦合器的M-Z光纤干涉仪的示意图；图2是将一个3×3耦合器既作为输入端也作为输出端的Michelson光纤干涉仪的示意图；图3是输入端采用2×2耦合器、输出端采用3×3耦合器的M-Z光纤干涉型水听器的示意图；图4是对称解调算法的方框图；图5示出在公式1中描述的、激励的幅度A＝5π弧度时干涉仪的输入与输出曲线图。具体实施例方式通过结合附图对根据本专利技术的最佳实施例进行详细描述，本专利技术的这些和/或其它方面和优点将会变得清楚和更容易理解。图1是输入端采用2×2耦合器2、输出端采用3×3耦合器3的M-Z光纤干涉仪的示意图。图2是将一个3×3耦合器3既作为输入端也作为输出端的Michelson光纤干涉仪的示意图。在图2中，3×3耦合器只有两个输出端是可用的而另一端用作输入端。图3是输入端采用2×2耦合器2、输出端采用3×3耦合器3的M-Z光纤干涉型水听器的示意图。在图3中，将光纤紧密缠绕在一由多主分硅橡胶灌注而成的弹性柱体6上构成干涉仪的传感臂4；然后将所述弹性柱体固定在一刚性底座7上，同样将另外一根光纤绕成环状置于所述刚性底座之中构成干涉仪的参考臂5。声信号作用在该弹性柱体6上使其产生形变，从而引起缠绕在其上的光纤的折射率发生变化，进而使干涉仪的传感臂和参考臂之间产生相位差。需要指出的是在图3中既可以采用如图1所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤干涉信号解调方法，该方法通过包含光源、第一２×２耦合器、传感头、第二３×３耦合器、光电转换器和对称解调器的装置进行光纤干涉信号的解调，该方法包含如下步骤：由光源产生相干光束；由第一２×２耦合器将光源产生的光分为两束； 由传感头将所关注的外部信号转化为所述的两束光中的相移；由第二３×３耦合器合并由所述第一耦合器分开的两束光来产生三路相位调制信号ｆ↓［１］、ｆ↓［２］和ｆ↓［３］；由光电转换器将所述的三路相位调制信号转换为三路电信号ｘ ↓［１］、ｘ↓［２］和ｘ↓［３］；由对称解调器将所述的三路电信号ｘ↓［１］、ｘ↓［２］和ｘ↓［３］转换为单一的相位信号φ（ｔ）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江毅，程延霞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]