低噪声白光PMDI信号检测与复用系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统和方法，采用成熟的PGC调制解调方法，在保证路径匹配干涉仪具有较好的路径匹配能力的前提下，实现了较高频率的PGC调制解调，光路中引入光纤布拉格光栅获得窄带相干干涉信号以检测出匹配干涉仪的干扰信号，实现对长臂路径匹配干涉仪引入噪声和干扰的抵消，显著降低了传感干涉仪的噪声水平，尤其是低频段的噪声水平，破解路径匹配干涉仪易受外界影响导致解调噪声增加的问题，该方法还同时具备微臂差干涉型传感器的时分复用能力，实现了可复用、易匹配、低噪声的白光路径匹配差分干涉动态信号调制与解调。态信号调制与解调。态信号调制与解调。

【技术实现步骤摘要】
低噪声白光PMDI信号检测与复用系统和方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感器
，尤其涉及采用白光路径匹配差分干涉法进行信号检测的微臂差光纤传感器阵列，具体是一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统和方法。

技术介绍

[0002]微臂差光纤传感器具有体积小、受外界干扰小、传感能力强的优势，典型的如光纤非本征法布里
‑
珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry
‑
Perot Interferometer,EFPI)传感器，可用于传感声压、振动、压力、温度、应力、应变、位移、湿度、折射率等。随着微加工和光电检测技术的进步，微臂差传感器在低频段明显的噪声优势尤其适合对声音和振动进行检测。
[0003]当微臂差光纤传感器用于声音和振动等动态信号检测时，白光路径匹配差分干涉法(White Light Path
‑
Matched Differential Interferometer)是一种很有前景的检测方法，具有检测精度高、工作频带宽的优势。对已有研究的总结发现，多数的路径匹配干涉仪采用PZT驱动的F
‑
P腔，具有调节腔长和施加调制的优势，且由于体积较小，受外界干扰较小，但为了保证路径匹配干涉仪自身的相干度，F
‑
P腔的调节范围非常有限，难以适应各种臂差的传感干涉仪的需要；少部分的路径匹配干涉仪采用空间光或光纤迈克尔逊干涉仪，可以在其中干涉臂上设计相位调制器和光程调节器，具有调制能力强、光程匹配范围广的优势，但由于体积较大，极易受到外界噪声的影响。现有的微臂差干涉型传感器信号检测方法难以同时兼顾大的臂差适配性和较低的低频噪声。因此，有必要发展一种兼顾上述两种特性的信号检测方法，为提高微臂差干涉型光纤传感器及阵列的动态信号拾取能力奠定基础。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术中微臂差干涉型光纤传感器及阵列应用中面临的低频噪声大、工作频带受限、光程匹配通用性差等问题，本专利技术提供一种低噪声白光PMDI信号检测与复用系统和方法，其引入FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)作为高相干路径匹配干涉仪光路参考，采用成熟的PGC调制解调方法，旨在保持路径匹配干涉仪路径匹配能力和相位调制能力的前提下，破解路径匹配干涉仪易受外界影响导致解调噪声增加的问题，同时还可实现微臂差干涉型传感器的时分复用，实现可复用、易匹配的白光路径匹配差分干涉动态信号调制与解调。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供一种低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，包括如下步骤：
[0006]S1、对宽谱光源输出的宽谱光进行斩波处理，使其变为系列宽谱脉冲串；
[0007]S2、对宽谱光或系列宽谱光脉冲串进行路径匹配干涉，为宽谱光或系列宽谱脉冲串施加相位调制；
[0008]S3、将系列宽谱脉冲串经第一光纤分束器分束为宽谱的第一系列脉冲与第二系列
脉冲，并进行如下处理：
[0009]将第一系列脉冲输至光纤布拉格光栅，经光纤布拉格光栅反射后变成具有路径匹配干涉仪相移信息的窄谱相干脉冲串后返回；
[0010]将第二系列脉冲输至传感干涉仪复用链路，使第二系列脉冲在传感干涉仪复用链路发生路径匹配差分干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息与传感干涉仪相移信息的宽谱路径匹配差分干涉脉冲串，并实现脉冲信号的时分复用或时分波分混合复用，且所述窄谱相干脉冲串与所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串在时间上不重叠；
[0011]S4、对所述窄谱相干脉冲串与所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串进行解调，并将所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串的解调信号与所述窄谱相干脉冲串的解调信号相减，得到降低噪声的白光路径匹配差分干涉信号检测结果；
[0012]其中，在保持S1操作在S3操作之前的前提下，S1、S2与S3的操作时序可任意组合。
[0013]在其中一个实施例，步骤S1中，所述宽谱光源的谱宽满足：
[0014][0015]式中，Δλ
s
为宽谱光源的谱宽，λ
s
为宽谱光源的中心波长，δL为路径匹配干涉仪光程差与传感干涉仪光程差的差值，ΔL
MI
为路径匹配干涉仪的光程差，ΔL
SI
为传感干涉仪的光程差。
[0016]在其中一个实施例，步骤S1中，所述系列宽谱脉冲串的脉冲宽度为1/(2N
T
N
m
f
m
)，重复频率为N
T
N
m
f
m
，其中，N
T
为传感干涉仪复用链路的时分复用重数，N
m
为调制采样倍数，f
m
为相位调制的调制频率。
[0017]在其中一个实施例，步骤S3中，所述光纤布拉格光栅具有高反射率，其中心波长λ0与所述宽谱光源中心波长λ
s
相同，其带宽Δλ满足其中，ΔL
MI
为路径匹配干涉仪的光程差，ΔL
SI
为传感干涉仪的光程差。
[0018]在其中一个实施例，步骤S3中，所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路，或为波分复用和时分复用的混合复用链路；
[0019]当所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路时，所述传感干涉仪复用链路由若干光纤延迟线、第二光纤分束器与传感干涉仪组成；
[0020]当所述传感干涉仪复用链路为波分复用和时分复用的混合复用链路时，外层为波分复用链路，内层为时分复用链路，每个波分链路由粗波分复用器与时分复用链路组成，所述时分复用链路由若干光纤延迟线、第二光纤分束器与传感干涉仪组成。
[0021]在其中一个实施例，所述传感干涉仪复用链路中的各传感干涉仪光程差的最大绝对差异不大于以使得各传感干涉仪的光程差应尽可能一致，其中，λ
s
为宽谱光源的中心波长。
[0022]在其中一个实施例，所述传感干涉仪复用链路中的各光纤延迟线的长度为c/(4nN
T
N
m
f
m
)，其中，n为光纤的折射率，N
T
为传感干涉仪复用链路的时分复用重数，N
m
为调制采样倍数，f
m
为相位调制的调制频率。
[0023]在其中一个实施例，当所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路时，所述第一光纤分束器与各第二光纤分束器的分束比确定过程为：
[0024]若所述传感干涉仪复用链路的时分复用重数为N
T
，则第二光纤分束器、传感干涉
仪的数量为N
T
‑
1，按时间脉冲的顺序，从光纤布拉格光栅到第N
T
‑
1个传感干涉仪，反射的脉冲最大强度为：
[0025][0026]式中，I
FBG
为光纤布拉格光栅的反射脉冲光强，α
m1
为路径匹配干涉仪的附加损耗，α0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、对宽谱光源输出的宽谱光进行斩波处理，使其变为系列宽谱脉冲串；S2、对宽谱光或系列宽谱光脉冲串进行路径匹配干涉，为宽谱光或系列宽谱脉冲串施加相位调制；S3、将系列宽谱脉冲串经第一光纤分束器分束为宽谱的第一系列脉冲与第二系列脉冲，并进行如下处理：将第一系列脉冲输至光纤布拉格光栅，经光纤布拉格光栅反射后变成具有路径匹配干涉仪相移信息的窄谱相干脉冲串后返回；将第二系列脉冲输至传感干涉仪复用链路，使第二系列脉冲在传感干涉仪复用链路发生路径匹配差分干涉，返回具有路径匹配干涉仪相移信息与传感干涉仪相移信息的宽谱路径匹配差分干涉脉冲串，并实现脉冲信号的时分复用或时分波分混合复用，且所述窄谱相干脉冲串与所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串在时间上不重叠；S4、对所述窄谱相干脉冲串与所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串进行解调，并将所述宽谱路径匹配差分干涉脉冲串的解调信号与所述窄谱相干脉冲串的解调信号相减，得到降低噪声的白光路径匹配差分干涉信号检测结果；其中，在保持S1操作在S3操作之前的前提下，S1、S2与S3的操作时序可任意组合。2.根据权利要求1所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，步骤S1中，所述宽谱光源的谱宽满足：式中，Δλ
s
为宽谱光源的谱宽，λ
s
为宽谱光源的中心波长，δL为路径匹配干涉仪光程差与传感干涉仪光程差的差值，ΔL
MI
为路径匹配干涉仪的光程差，ΔL
SI
为传感干涉仪的光程差。3.根据权利要求1所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，步骤S1中，所述系列宽谱脉冲串的脉冲宽度为1/(2N
T
N
m
f
m
)，重复频率为N
T
N
m
f
m
，其中，N
T
为传感干涉仪复用链路的时分复用重数，N
m
为调制采样倍数，f
m
为相位调制的调制频率。4.根据权利要求1所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，步骤S3中，所述光纤布拉格光栅具有高反射率，其中心波长λ0与所述宽谱光源中心波长λ
s
相同，其带宽Δλ满足其中，ΔL
MI
为路径匹配干涉仪的光程差，ΔL
SI
为传感干涉仪的光程差。5.根据权利要求1至4任一项所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，步骤S3中，所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路，或为波分复用和时分复用的混合复用链路；当所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路时，所述传感干涉仪复用链路由若干光纤延迟线、第二光纤分束器与传感干涉仪组成；当所述传感干涉仪复用链路为波分复用和时分复用的混合复用链路时，外层为波分复用链路，内层为时分复用链路，每个波分链路由粗波分复用器与时分复用链路组成，所述时分复用链路由若干光纤延迟线、第二光纤分束器与传感干涉仪组成。6.根据权利要求5所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，所述传感干
涉仪复用链路中的各传感干涉仪光程差的最大绝对差异不大于以使得各传感干涉仪的光程差应尽可能一致，其中，λ
s
为宽谱光源的中心波长。7.根据权利要求5所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，所述传感干涉仪复用链路中的各光纤延迟线的长度为c/(4nN
T
N
m
f
m
)，其中，n为光纤的折射率，N
T
为传感干涉仪复用链路的时分复用重数，N
m
为调制采样倍数，f
m
为相位调制的调制频率。8.根据权利要求5所述低噪声白光PMDI信号检测与复用方法，其特征在于，当所述传感干涉仪复用链路为时分复用链路时，所述第一光纤分束器与各第二光纤分束器的分束比确定过程为：若所述传感干涉仪复用链路的时分复用重数为N
T
，则第二光纤分束器、传感干涉仪的数量为N
T
‑
1，按时间脉冲的顺序，从光纤布拉格光栅到第N
T
‑
1个传感干涉仪，反射的脉冲最大强度为：式中，I
FBG
为光纤布拉格光栅的反射脉冲光强，α
m1
为路径匹配干涉仪的附加损耗，α0为第一光纤分束器的分光比，R
FBG
为光纤布拉格光栅的宽带反射率，E
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王付印，姚琼，曹春燕，侯庆凯，熊水东，陈虎，朱敏，朱小谦，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：