基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调系统及方法，低相干光源(1)发出的光经过光纤环形器(2)进入光纤法布里

【技术实现步骤摘要】
基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调系统及方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感领域，特别是涉及基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的高稳定性的声传感的解调系统及其相位解调方法。

技术介绍

[0002]对声波信号的精确传感和正确解调在人类生活和军事战略中起到举足轻重的作用。由于抗电磁干扰、灵敏度高、体积小质量轻和远程传感等优点，光纤法布里
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珀罗(Fabry
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Perot，缩写为F
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P)声传感器在极端恶劣环境下大展身手，广泛应用于深海光缆的动态检测、航空航天、局部放电的测量等重要领域，有效的信号解调方法和系统成为研究热点。
[0003]目前，光纤法布里
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珀罗声传感器的解调方法主要以强度解调方法和相位解调方法为主。强度解调方法具有解调速度快、结构简单等优点，但要求传感器的静态工作点必须在线性工作区内，这限制了传感器测量的动态范围，且传感器腔长漂移也会使得传感器采集到的信号失真。相比于强度解调，相位解调法非常适合大范围动态高频信号的测量，且该方法不受静态工作点的限制，具有较高的解调精度。但是目前的相位解调方案为了构造信号的正交性，对光源稳定性性能要求较高，而多波长相位解调法则需要多个多光源，增加了传感系统的复杂性和成本，另外这些方案在实际应用中的解调结果容易受到环境变化带来的干扰，包括传感器腔长漂移、环境中的热干扰和机械波振动等。因此如何提高声传感解调系统的稳定性，对于实际工程应用具有深远的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出的一种基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调系统及方法，通过补偿消除系统本身光源波动、及外界无关扰动等带来的影响，从而实现更高稳定性的法布里
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珀罗声传感器相位解调。
[0005]为了达到上述专利技术目的，本专利技术提出了以下技术方案：
[0006]一种基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调系统，所述系统包括低相干光源1、光纤环形器2、光纤法布里
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珀罗声传感器3、光纤分束器4、自补偿仪5、双路低相干解调仪13、数据采集卡24以及工控机25；
[0007]所述光纤分束器4，用于将所述光纤法布里
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珀罗声传感器3调制后返回的干涉光束分为三路，其中第一路、第二路接入所述双路低相干解调仪13以及第三路接入所述自补偿仪5，形成三路空间光束；三路输出为两路低相干干涉信号和一路实时补偿的干涉信号；
[0008]所述数据采集卡24，用于采集低相干干涉信号被光电探测器转换的数字信号输入所述工控机；
[0009]所述工控机25，用于将数字信号进行数据处理，完成干涉信号的归一化和归一化结果的补偿处理，对经补偿处理之后的信号进行解调，得到腔长变化的相位信息以及解调出来的相位信息从而获得传感器腔长的实时变化信息。
[0010]进一步的，所述自补偿仪5包括依序设置的第一光纤准直镜6、第一光束起偏振器7、级联的第一、第二铌酸锂双折射晶体8、9、电场调制器10、第一光束检偏振器11和第一光电探测器12。
[0011]进一步的，所述第一铌酸锂双折射晶体8的光轴位于所述第一光束起偏器7的起偏方向和第一光束检偏器11的检偏方向的中间位置；所述第一光束起偏器7的起偏方向和所述第一光束检偏器11的检偏方向相互垂直；所述第二铌酸锂双折射晶体9放置于所述第一铌酸锂双折射晶体8之后位置，所述第一铌酸锂双折射晶体8放置于可调节的所述电场调制器10中，所述第二铌酸锂双折射晶体9放置于可调节的所述电场调制器10之外，所述电场调节器10对自补偿仪5中的第一、第二铌酸锂晶体8、9进行实时电光调制；所述第二铌酸锂双折射晶体光轴与所述第一铌酸锂双折射晶体的光轴相互垂直，所述第一、第二铌酸锂双折射晶体8、9的长度匹配，未施加电压时，光束通过级联的第一、第二铌酸锂晶体8、9时产生的光程差与光束经过传感器产生的光程差匹配，以及，施加最大电压，使低相干信号达到极值。
[0012]进一步的，所述双路低相干解调仪13由两条光路组成，每一条光路包括依序设置的光纤准直镜、光束起偏振器、氟化镁双折射晶体、光束检偏振器和光电探测器。
[0013]进一步的，所述氟化镁双折射晶体位于所述光束起偏器的起偏方向和所述光束检偏器的检偏方向的中间位置，所述光束起偏振器的起偏方向和所述光束检偏振器的检偏方向相互垂直；所述双路低相干解调仪13中的两路信号通过所述氟化镁双折射晶体产生的光程差与光纤法布里
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珀罗声传感器3产生的光程差相匹配。
[0014]所述自补偿仪5中第一、第二铌酸锂晶体8、9这两块级联铌酸锂的O光和E光随时间的折射率差，表示为：
[0015][0016]式中，n
ol
，n
el
分别为铌酸锂晶体对O光和E光的折射率，E
z
(t)为电光调制模块中施加在铌酸锂上的有效电压。
[0017]一种基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调方法，具体步骤如下：
[0018]步骤1、构建基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调系统，低相干光源发出的光经过光纤环形器进入光纤法布里
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珀罗传感器，动态信号调制光纤法布里
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珀罗传感元件的腔长，调制后返回的干涉光束引入光纤分束器；利用光纤分束器将干涉光分光束为三个路径包括双路径低相干解调处理和一路实时自补偿处理，形成三个路径的空间光束；
[0019]步骤2、采集模拟信号，转换成数字信号；
[0020]步骤3、将数字信号进行数据处理，完成干涉信号的实时补偿处理，对经补偿处理之后的信号进行解调，得到腔长变化的相位信息，所述腔长变化的相位信息ω(t)，表达式如下：
[0021][0022]其中，q1(t)为t时刻双路低相干解调仪的第一路归一化信号、q2(t)为t时刻双路低相干解调仪的第二路归一化信号，q1(t)
′
为t时刻双路低相干解调仪的第一路径归一化信
号的微分，q2(t)
′
为t时刻双路低相干解调仪的第二路径归一化信号的微分。
[0023]进一步的，所述双路低相干解调处理的两路空间光束经过光纤起偏器后产生线偏光，经过氟化镁双折射晶体引入的光程差，经过光纤检偏器在其偏振方向上产生低相干干涉条纹，控制起偏器和检偏器的起偏和检偏方向互为垂直关系，且设置双折射晶体的光轴成位于起偏和检偏方向中间位置，使低相干涉条纹的对比度达到最大值；
[0024]进一步的，所述实时自补偿处理的一路空间光束经过光纤起偏器后产生线偏光，经过铌酸锂双折射晶体、引入的光程差，经过光纤检偏器在其偏振方向上产生低相干干涉条纹，控制起偏器和检偏器的起偏和检偏方向互为垂直关系，且设置双折射晶体的光轴成位于起偏和检偏方向中间位置，使低相干涉条纹的对比度达到最大值；其中，通过电场调节器对自补偿处理中的铌酸锂晶体进行实时电光调制；之后经过光电探测器转换成模拟信号。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调系统，其特征在于，所述系统包括低相干光源(1)、光纤环形器(2)、光纤法布里
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珀罗声传感器(3)、光纤分束器(4)、自补偿仪(5)、双路低相干解调仪(13)、数据采集卡(24)以及工控机(25)；所述光纤分束器(4)，用于将所述光纤法布里
‑
珀罗声传感器(3)调制后返回的干涉光束分为三个路径，其中第一路径、第二路径接入所述双路径低相干解调仪以及第三路径接入所述自补偿仪(5)，形成三个路径空间光束；三个路径的输出为两路径的低相干干涉信号和一路经的实时补偿的干涉信号；所述自补偿仪(5)包括依序设置的第一光纤准直镜(6)、第一光束起偏振器(7)、级联的第一、第二铌酸锂双折射晶体(8)、(9)、电场调制器(10)、第一光束检偏振器(11)和第一光电探测器(12)；所述数据采集卡(24)，用于采集低相干干涉信号被光电探测器转换后的数字信号，然后输入所述工控机(25)；所述工控机(25)，用于将数字信号进行数据处理，完成干涉信号的实时补偿处理，对经补偿处理之后的信号进行解调，得到腔长变化的相位信息从而获得传感器腔长的实时变化信息。2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调系统，其特征在于，所述第一铌酸锂双折射晶体(8)的光轴位于所述第一光束起偏器(7)的起偏方向和第一光束检偏器(11)的检偏方向的中间位置；所述第一光束起偏器(7)的起偏方向和所述第一光束检偏器(11)的检偏方向相互垂直；所述第二铌酸锂双折射晶体(9)放置于所述第一铌酸锂双折射晶体(8)之后位置，所述第一铌酸锂双折射晶体(8)放置于可调节的所述电场调制器(10)中，所述第二铌酸锂双折射晶体(9)放置于可调节的所述电场调制器(10)之外，所述电场调节器(10)对位于自补偿仪(5)中的第一、第二铌酸锂晶体(8)、(9)进行实时电光调制；所述第二铌酸锂双折射晶体(9)的光轴与所述第一铌酸锂双折射晶体(8)的光轴相互垂直，所述第一、第二铌酸锂双折射晶体(8)、(9)的长度匹配，未施加电压时，光束通过级联的第一、第二铌酸锂晶体(8)、(9)时产生的光程差与光束经过传感器产生的光程差匹配，以及，施加最大电压，使低相干信号达到极值。3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调系统，其特征在于，所述双路低相干解调仪(13)由两条光路组成，每一条光路包括依序设置的光纤准直镜、光束起偏振器、氟化镁双折射晶体、光束检偏振器和光电探测器。4.根据权利要求3所述的一种基于铌酸锂电光调制和偏振干涉的声传感解调系统，其特征在于，所述氟化镁双折射晶体位于所述光束起偏器的起偏方向和所述光束检偏器的检偏方向的中间位置，所述光束起偏振器的起偏方向和所述光束检偏振器的检偏方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：王双，杨濠琨，刘琨，江俊峰，刘铁根，李致远，李雪萍，刘燕雨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：