本发明专利技术提出了一种光纤传感系统中相位差的计算方法，涉及光纤传感监测领域,超稳激光器发出的激光经过分束器分为两路；一路作为信号光，另一路作为参考光，通过合束器进行拍频，经过1/N分频器进行分频后与所述本振射频信号在鉴相器上鉴相，由低通滤波器滤波；滤波后的信号由可调相移器进行相位跟踪，实时保持鉴相并低通滤波后的信号之后提取相位信息。该方法通过硬件进行数据处理，数据运算量少，降低对计算机运算能力的要求；并且可以实时的得出相关数据，提升系统的实时性，几乎可以实现实时监测；另外可以计算相位差的量程为正负无穷，规避2π周期模糊程的问题，实现超长范围、超高精度的监测。精度的监测。精度的监测。
【技术实现步骤摘要】
一种光纤传感系统中相位差的计算方法
[0001]本申请涉及光纤传感监测领域，尤其涉及一种光纤传感系统中相位差的计算方法。
技术介绍
[0002]光纤作为一种高效的光学传输媒质，不仅承载着光信号的传输，同时又是感知周围环境变化的敏感元件。由于外界环境(如湿度、应变、温度等)的变化会导致传感光纤参数(如折射率、半径等)发生变化，进而引起光纤中探测光信号的参数(如强度、相位、偏振、波长等)相应改变，因此通过对探测信号进行数据处理，即可解调出外界环境的变化信息，所以可以利用光纤的这一特性来监测外部环境条件变化。光纤传感技术相较于传统传感技术具有可靠性强、抗电磁干扰、便于实施、成本低廉、监测范围广等优势，已在实际场景中得到大量应用。在输电线安全监测、周边安防、地震信号监测等领域均需要长距离光纤传感技术以有效实现温度、应变、振动等参数的测量。
[0003]光纤传感技术分为偏振调制型、相位调制型等技术应用分类。偏振调制是指被测量信号通过一定的方式使光纤中光波的偏振特性发生变化，通过检测光偏振态的变化即可测出外界的环境变化；光相位调制是指被测量信号按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即能反映出外界的变化情况。
[0004]在现有基于相位变化的光纤传感系统中，计算相位差的方法通常是应用相关软件来处理大量的数据，通过直接记录系统中干涉之后的时域数据，接着运用傅里叶变换等大量的数据运算得出相位的变化，由于计算过程中涉及到三角函数变化，因此得到的结果会存在有2π周期模糊程的问题。另外，这种处理方式还存在运算数据量大，计算速度受计算机运算能力的限制，并且难以及时计算出相关数据；当测量范围较大，涉及的周期比较多时，计算不出超越2π周期的模糊程，从而难以确定准确的数据。
技术实现思路
[0005]基于此，本专利技术提出一种简化数据计算相位差的方法，该方法需要的数据量少，进而降低了对计算机运算能力的要求；并且可以实时的得出相关数据，提升系统的实时性，几乎可以实现实时监测；另外可以计算相位差的量程为正负无穷，规避2π周期模糊程的问题。本方法可用于多种系统中的相位差计算，并不局限于光纤传感系统。
[0006]本专利技术提出一种通过简单装置计算光纤传感系统中相位差的方法，并对其可行性及具体的实施计算方式进行了说明。针对该方法，运用简单的装置，不需要复杂的数据运算，即快速准确的计算出链路中的相位变化信息。运用此方法可监测的光频相位变化探测范围更广(
‑
∞～+∞)，消除2π周期的模糊程。
[0007]其中一种实施例为，超稳激光器发出的激光经过分束器分为两路；
[0008]一路经光纤环形器后作为信号光，经过声光调制器进行移频，到达反射镜，射频信号源对声光调制器进行频率驱动；
[0009]通过2/N分频器对射频信号源发出的本振射频信号进行分频；
[0010]另一路作为参考光，与光纤环形器返回的信号光通过合束器进行拍频，经过光电探测器进行光电转换，经过1/N分频器进行分频后与所述本振射频信号在鉴相器上鉴相，由低通滤波器滤波；
[0011]滤波后的信号由可调相移器进行相位跟踪，实时保持鉴相并低通滤波后的信号之后提取相位信息。
[0012]进一步地，设超稳激光器发出的光频率为v0，相位为归一化电场表示式为：
[0013]经声光调制器驱动后的光信号电场表示为：驱动频率为f/2，则经过声光调制器调制之后的信号光频率为v0+f/2。
[0014]进一步地，信号光经光纤链路传输并在远端被反射镜反射回到本地，传输过程中,由于温度变化和环境变化引入的相位变化表示为：则信号光的电场表示为：与参考光进行拍频经探测器转换的射频信号表示为：则求出的相位差即为光纤的变化信息。
[0015]进一步地，拍频后的射频信号经过1/N分频器进行分频之后表示为：同时AOM的驱动信号由2/N分频器进行分频之后表示为：sin[(2πf)/N]，再经过可调相移器，相移量为则两路分频后的信号经鉴相和低通滤波之后的信号表示为：此时通过调解的大小使接近零，此时根据实时记录的计算得到的大小。
[0016]另外一种实施例为，一种光纤传感系统中相位差的计算方法，包括如下步骤：
[0017]第一超稳激光器经第一分束器分束，一路留在本地作为第一本振光，一路作为信号光经第一环形器及第一声光调制器通过长距离的光纤链路传输到达对面经第二声光调制器和第二光纤环形器后形成第二信号光与第二超稳激光器的本振光进行外差干涉；
[0018]第一射频信号源对第一声光调制器进行频率驱动，通过第一2/N分频器对第一射频信号源发出的本振射频信号进行分频；
[0019]第一本振光与第一光纤环形器返回的第一信号光通过第一合束器进行拍频，经过第一光电探测器进行光电转换，经过第一1/N分频器进行分频后与第一本振射频信号在第一鉴相器上鉴相，由第一低通滤波器滤波；滤波后的信号由第一可调相移器进行相位跟踪，实时保持鉴相并低通滤波后的信号之后提取相位信息；
[0020]同时，第二超稳激光器经第二分束器分束，一路留在本地作为第二本振光，一路作为信号光经第二环形器及第二声光调制器通过长距离的光纤链路传输到达对面经第一声光调制器和第一光纤环形器后形成第一信号光与第一超稳激光器的第一本振光进行外差干涉；
[0021]第二射频信号源对第二声光调制器进行频率驱动，通过第二2/N分频器对第二射频信号源发出的本振射频信号进行分频；
[0022]第二本振光与第二光纤环形器返回的第二信号光通过第二合束器进行拍频，经过第二光电探测器进行光电转换，经过第二1/N分频器进行分频后与第二本振射频信号在第
二鉴相器上鉴相，由第二低通滤波器滤波；滤波后的信号由第二可调相移器进行相位跟踪，实时保持鉴相并低通滤波后的信号之后提取相位信息。
[0023]进一步地，设第一、第二超稳激光器发出的光频率分别为ν
10
和v
20
，相位均为归一化电场表示式分别为：和
[0024]经第一、第二声光调制器驱动后的光信号电场分别表示为：和第一、第二声光调制器驱动频率均为f/2，则经过第一、第二声光调制器调制之后的信号光频率分别为v
10
+f/2和v
20
+f/2。
[0025]进一步地，第一超稳激光器外差干涉后恢复出光纤链路的相位变化信息第二超稳激光器外差干涉后恢复出光纤链路的相位变化信息则两个相位变化后的信号光的电场分别表示为：和
[0026]各自进行拍频及经第一、第二探测器转换的射频信号分别表示为：和
[0027]通过互相关函数互相关两边相位变化信息，计算两个信号光到达振动发生的位置时间差T，所述互相关函数为：
[0028][0029]扰动的位置距离两边激光器的距离差l为：l＝C*T；其中，C为光在光纤中的传播速度；
[0030]根据整个光纤的链路长度L，则能够定位出扰动的位置。
[0031]相比于本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种光纤传感系统中相位差的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：超稳激光器发出的激光经过分束器分为两路；一路经光纤环形器后作为信号光，经过声光调制器进行移频，到达反射镜，射频信号源对声光调制器进行频率驱动；通过2/N分频器对射频信号源发出的本振射频信号进行分频；另一路作为参考光，与光纤环形器返回的信号光通过合束器进行拍频，经过光电探测器进行光电转换，经过1/N分频器进行分频后与所述本振射频信号在鉴相器上鉴相，由低通滤波器滤波；滤波后的信号由可调相移器进行相位跟踪，实时保持鉴相并低通滤波后的信号之后提取相位信息。2.根据权利要求1所述的相位差的计算方法，其特征在于，设超稳激光器发出的光频率为ν0，相位为归一化电场表示式为：经声光调制器驱动后的光信号电场表示为：驱动频率为f/2，则经过声光调制器调制之后的信号光频率为v0+f/2。3.根据权利要求2所述的相位差的计算方法，其特征在于，信号光经光纤链路传输并在远端被反射镜反射回到本地，传输过程中,引入的相位变化表示为：则信号光的电场表示为：与参考光进行拍频经探测器转换的射频信号表示为：则求出的相位差为光纤链路的相位变化信息。4.根据权利要求3所述的相位差的计算方法，其特征在于，拍频后的射频信号经过1/N分频器进行分频之后表示为：同时AOM的驱动信号由2/N分频器进行分频之后表示为：sin[(2πf)/N]，再经过可调相移器，相移量为则两路分频后的信号经鉴相和低通滤波之后的信号表示为：鉴相和低通滤波之后的信号表示为：此时通过调解的大小使信号接近零，此时根据实时记录的计算得到的大小。5.一种光纤传感系统中相位差的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：第一超稳激光器经第一分束器分束，一路留在本地作为第一本振光，一路作为信号光经第一环形器及第一声光调制器通过长距离的光纤链路传输到达对面经第二声光调制器和第二光纤环形器后形成第二信号光与第二超稳激光器的本振光进行外差干涉；第一射频信号源对第一声光调制器进行频率驱动，通过第一2/N分频器对第一射频信号源发出的本振射频信号进行分频；第一本振光与第一光纤环形器返回的第一信号光通过第一合束...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈玖朋，刘洋，周飞，张强，
申请(专利权)人：济南量子技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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