本發(fā)明涉及干涉型光纖傳感器的信號(hào)解調(diào)技術(shù)，尤其涉及一種抗偏振衰落的光纖干涉型傳感器相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

基于光相位檢測(cè)技術(shù)的干涉型光纖傳感器由光纖干涉儀組成。被測(cè)物理量作用于傳感器干涉儀的傳感臂，引起傳感臂光纖的傳輸光相位發(fā)生相應(yīng)變化,參考臂光纖對(duì)被測(cè)物理量不敏感。傳感臂與參考臂的輸出光發(fā)生干涉，將光的相位變化轉(zhuǎn)化為干涉光強(qiáng)的變化，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化可得到被測(cè)物理量的信息。為了實(shí)現(xiàn)干涉型光纖傳感器的穩(wěn)定、遠(yuǎn)程被動(dòng)探測(cè)，相位生成載波(PGC)調(diào)制解調(diào)技術(shù)被廣泛應(yīng)用。PGC調(diào)制解調(diào)技術(shù)在干涉型傳感器上施加一個(gè)大相位幅度的載波，傳感器輸出光強(qiáng)信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)內(nèi)包含了載波的多階諧波，利用調(diào)制在載波一階和二階諧波邊帶上的信息可解調(diào)出被測(cè)物理量的頻率、幅度信息，傳感器的解調(diào)不受隨機(jī)的相位漂移的影響。

干涉型光纖傳感器輸出穩(wěn)定的干涉光強(qiáng)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)PGC調(diào)制解調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)。參考臂和傳感臂輸出光的偏振態(tài)在環(huán)境和應(yīng)力的影響下發(fā)生隨機(jī)變化，使得干涉后光強(qiáng)發(fā)生偏振衰落現(xiàn)象，干涉信號(hào)幅度減小甚至完全消失，影響PGC調(diào)制解調(diào)技術(shù)的穩(wěn)定性和解調(diào)后信號(hào)的信噪比。抑制偏振衰落現(xiàn)象，常見(jiàn)的解決方法有對(duì)輸入光的偏振態(tài)進(jìn)行反饋控制；采用保偏光纖、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡對(duì)傳感臂和參考臂中傳輸光的偏振態(tài)進(jìn)行控制；在傳感器接收端采用偏振分集檢測(cè)技術(shù)。

偏振分集檢測(cè)技術(shù)是將干涉儀輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)n個(gè)互成180°/n的檢偏器進(jìn)行檢偏，對(duì)每個(gè)檢偏器輸出信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。n路輸出信號(hào)不可能同時(shí)為0，從而可避免偏振態(tài)變化引起的信號(hào)完全衰落。干涉儀兩臂偏振態(tài)隨機(jī)變化，輸出信噪比最佳的一路信號(hào)也在這n路中發(fā)生變動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的解調(diào)須在這n路信號(hào)中選擇同一時(shí)段信噪比最佳的一路信號(hào)，因此難以實(shí)現(xiàn)解調(diào)方法的實(shí)時(shí)處理，同時(shí)解調(diào)后的信號(hào)有斷點(diǎn)存在。

本專(zhuān)利在偏振分集檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)抗偏振衰落的相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)需在偏振分集檢測(cè)輸出的n路信號(hào)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)切換，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，確保解調(diào)信號(hào)的連續(xù)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種基于偏振分集檢測(cè)技術(shù)的抗偏振衰落的光纖干涉型傳感器相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，滿(mǎn)足具有偏振衰落現(xiàn)象的光纖干涉型傳感器的實(shí)時(shí)處理和解調(diào)信號(hào)連續(xù)性的需求。

本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)完成的。這種抗偏振衰落的光纖干涉型傳感器相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，主要包括一個(gè)輸出頻率調(diào)制光束的光源；一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和倍頻器，產(chǎn)生光源的頻率調(diào)制信號(hào)和兩倍頻信號(hào)；臂長(zhǎng)差為ΔL的非平衡光纖干涉儀組成的傳感器，傳感器兩臂因探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生相位差θ_s；一個(gè)3路偏振分集檢測(cè)模塊，獲取干涉儀輸出的3個(gè)偏振方向的干涉信號(hào)輸出，完成光電轉(zhuǎn)換；一個(gè)多通道A/D轉(zhuǎn)換器，獲取載波信號(hào)、2倍頻載波信號(hào)、3個(gè)偏振方向的干涉輸出的數(shù)字信號(hào)；一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器，接收A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)，完成傳感器探測(cè)信號(hào)的解調(diào)，采用抗偏振衰落的相位生成載波解調(diào)技術(shù)從3路偏振分集檢測(cè)的干涉輸出中獲取傳感器兩臂相位差2θ_s的sine和cosine成分的正交項(xiàng)，采用正交解調(diào)技術(shù)從正交項(xiàng)獲得傳感器兩臂相位差θ_s。

所述的非平衡光纖干涉儀包含一個(gè)信號(hào)臂和一個(gè)參考臂,信號(hào)臂對(duì)被測(cè)量場(chǎng)敏感，參考臂對(duì)被測(cè)量場(chǎng)不敏感。

所述的3路偏振分集檢測(cè)模塊，對(duì)傳感器輸出的3個(gè)偏振方向的干涉信號(hào)進(jìn)行同步檢測(cè)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

所述的數(shù)字信號(hào)處理器包含一個(gè)相位差θ_s的sine/cosine成分解調(diào)模塊，同時(shí)完成3路偏振分集檢測(cè)輸出電信號(hào)的傳感器兩臂相位差θ_s的sine/cosine成分解調(diào)；所述的數(shù)字信號(hào)處理器包含一個(gè)2倍相位差2θ_s的sine/cosine成分解調(diào)模塊，其特征在于獲取2倍的傳感器兩臂相位差2θ_s的sine/cosine成分。

所述的2θ_s的sine/cosine成分解調(diào)模塊，包含個(gè)6個(gè)平方器、3個(gè)乘法器與θ_s的sine/cosine成分解調(diào)模塊輸出相連，通過(guò)3個(gè)乘法器獲取3路2倍傳感器兩臂相位差2θ_s的sine成分。

所述的2θ_s的sine/cosine成分解調(diào)模塊，通過(guò)3個(gè)減法器與6個(gè)平方器的輸出相連，獲取3路2倍傳感器兩臂相位差2θ_s的cosine成分。

所述的2θ_s的sine/cosine成分解調(diào)模塊，包含2個(gè)加法器，分別對(duì)3個(gè)減法器的輸出和3個(gè)乘法器的輸出信號(hào)進(jìn)行求和。

所述的2θ_s的sine/cosine成分解調(diào)模塊，包含2個(gè)平方器、1個(gè)加法器和1個(gè)開(kāi)方器，兩個(gè)平方器連接兩個(gè)加法器的輸出，獲取2倍相位差2θ_s的sine/cosine成分求和項(xiàng)的系數(shù)。

所述的2θ_s的sine/cosine成分解調(diào)模塊，包含2個(gè)除法器，對(duì)2θ_s的sine/cosine成分的求和項(xiàng)進(jìn)行歸一化。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明提供了一個(gè)抗偏振衰落的光纖干涉型傳感器相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。

2、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)具有偏振衰落現(xiàn)象的光纖干涉型傳感器的相位生成載波調(diào)制解調(diào)。

3、本發(fā)明可以避免對(duì)偏振分集檢測(cè)輸出的多路信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)選擇的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解調(diào)處理，滿(mǎn)足解調(diào)信號(hào)連續(xù)性的要求。

附圖說(shuō)明

圖1：抗偏振衰落的光纖干涉型傳感器相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)示意圖；

圖2：抗偏振衰落的相位生成載波解調(diào)方案1；

圖3：抗偏振衰落的相位生成載波解調(diào)方案2；

圖4：偏振分集檢測(cè)的3個(gè)偏振方向的干涉輸出；

圖5：解調(diào)后的光纖干涉儀傳感器探測(cè)信號(hào)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的介紹：

抗偏振衰落的光纖干涉型傳感器相位生成載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)包括：采用頻率為f_c的正弦信號(hào)調(diào)制的光源，輸出頻率調(diào)制光束；非平衡光纖干涉儀組成的傳感器，頻率調(diào)制光束在傳感器處產(chǎn)生光學(xué)相移載波信號(hào)，傳感器兩臂因探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生相位差θ_s；3路偏振分集檢測(cè)模塊，獲取干涉儀輸出的3個(gè)偏振方向的干涉輸出，完成光電轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換器，獲取載波信號(hào)、2倍頻載波信號(hào)、3個(gè)偏振方向的干涉輸出的數(shù)字信號(hào)；信號(hào)處理器，采用抗偏振衰落的相位生成載波(PGC)解調(diào)技術(shù)從3路偏振分集檢測(cè)的干涉輸出中獲取傳感器兩臂相位差2θ_s的sine和cosine成分的正交項(xiàng)，采用正交解調(diào)技術(shù)從正交項(xiàng)獲得傳感器兩臂相位差θ_s。

參考圖1，信號(hào)發(fā)生器11產(chǎn)生頻率為f_c的正弦信號(hào)，分別輸出至光源10和倍頻器12。倍頻器12產(chǎn)生頻率為2f_c的正弦信號(hào)。光源10輸出的光信號(hào)頻率被頻率為f_c的正弦信號(hào)調(diào)制。光源10輸出的頻率調(diào)制光經(jīng)光纖14輸入至非平衡干涉儀組成的傳感器20。圖1中傳感器20由Mach Zehnder干涉儀組成，干涉儀的傳感臂臂長(zhǎng)在被測(cè)信號(hào)30作用下發(fā)生改變，參考臂不受影響。傳感器20還可由Michelson干涉儀、FP干涉儀等組成。非平衡干涉儀傳感臂和參考臂的臂長(zhǎng)差為ΔL。光源10輸出的頻率調(diào)制光束在傳感器20處產(chǎn)生頻率為f_c的光學(xué)相移載波信號(hào)，被測(cè)信號(hào)30調(diào)制光學(xué)相移載波信號(hào)。傳感器20輸出的干涉光信號(hào)經(jīng)光纖15輸入至耦合器21，經(jīng)由耦合器21分成3束，第一束光經(jīng)光纖16輸出至檢偏器31，經(jīng)檢偏器31檢偏后，輸入至光電探測(cè)器40，完成光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換。第二束光經(jīng)光纖17輸出至檢偏器32，經(jīng)檢偏器32檢偏后，輸入至光電探測(cè)器41，完成光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換。第三束光經(jīng)光纖18輸出至檢偏器33，經(jīng)檢偏器33檢偏后，輸入至光電探測(cè)器42，完成光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換。檢偏器31～33的偏振化方向互成60°夾角。探測(cè)器40～42輸出的信號(hào)可由(1)式給出。

O_k＝v_k·cos(C·cos(2πf_ct)+θ_s) (k＝1，2，3) (1)

其中下標(biāo)k表示3個(gè)探測(cè)器的序號(hào)。v_k·的大小隨時(shí)間變化，與光源10輸出的光功率和傳感器20傳感臂和參考臂傳輸光的偏振態(tài)相關(guān)。C表示光學(xué)相移載波的幅度。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器11產(chǎn)生的頻率為f_c的正弦信號(hào)的幅度，使得引入傳感器20的相移載波的幅度C為2.63弧度。J₁(C)、J₂(C)為Bessel系數(shù)，C＝2.63時(shí)，J₁(C)＝J₂(C)。θ_s是傳感器20因被測(cè)信號(hào)30引起的傳感臂和參考臂的相移差。探測(cè)器40～42輸出的電信號(hào)、信號(hào)發(fā)生器11輸出的頻率為f_c的正弦信號(hào)，倍頻器12輸出的頻率為2f_c的正弦信號(hào)經(jīng)由多通道A/D轉(zhuǎn)換器50轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在信號(hào)處理器51中進(jìn)行處理。信號(hào)處理器51包含θ_s的sine/cosine成分解調(diào)模塊和2θ_s的sine/cosine成分解調(diào)模塊，參考圖2和圖3所示。

參考圖2，探測(cè)器40～42輸出的信號(hào)分別與頻率為f_c、2f_c的正弦信號(hào)相乘，乘法器60～65的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器70～75。低通濾波器70～75僅通過(guò)v₁J₁(C)sin(θ₂)、v₁J₂(C)cos(θ_s)、v₂J₁(C)sin(θ_s)、v₂J₂(C)cos(θ_s)、v₃J₁(C)sin(θ_s)、v₃J₂(C)cos(θ_s)信號(hào)。

參考圖3，低通濾波器70、71輸出信號(hào)v₁J₂(C)cos(θ_s)、v₁J₁(C)sin(θ_s)分別經(jīng)過(guò)平方運(yùn)算80、81。80、81的輸出信號(hào)經(jīng)差分運(yùn)算93后得到低通濾波器72、73輸出信號(hào)v₂J₂(C)cos(θ_s)、、v₂J₁(C)sin(θ_s)分別經(jīng)過(guò)平方運(yùn)算82、83。82、83的輸出信號(hào)經(jīng)差分運(yùn)算94后得到低通濾波器74、75輸出信號(hào)v₃J₂(C)cos(θ_s)、v₃J₁(C)sin(θ_s)分別經(jīng)過(guò)平方運(yùn)算84、85。84、85的輸出信號(hào)經(jīng)差分運(yùn)算95后得到差分運(yùn)算93～95的輸出信號(hào)經(jīng)求和運(yùn)算96后，輸出信號(hào)由(2)式給出：

$M_a=J_1^2\left(C\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_s\right)\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}{\left(v_k\right)}^2---\left(2\right)$

低通濾波器70、71輸出信號(hào)v₁J₂(C)cos(θ_s)、v₁J₁(C)sin(θ_s)經(jīng)乘法器90后得到低通濾波器72、73輸出信號(hào)v₂J₂(C)cos(θ_s)、v₂J₁(C)sin(θ_s)經(jīng)乘法器91后得到低通濾波器74、75輸出信號(hào)v₃J₂(C)cos(θ_s)、v₃J₁(C)sin(θ_s)、經(jīng)乘法器92后得到乘法器90～92的輸出信號(hào)經(jīng)求和運(yùn)算97后，輸出信號(hào)由(3)式給出：

$M_a=J_1\left(C\right)J_2\left(C\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_s\right)\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}{\left(v_k\right)}^2---\left(3\right)$

因C＝2.63時(shí)，J₁(C)＝J₂(C)。

$M_a=J_1^2\left(C\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_s\right)\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}{\left(v_k\right)}^2---\left(4\right)$

96、97的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)平方運(yùn)算86、87后，再通過(guò)加法器98、開(kāi)方運(yùn)算88。輸出信號(hào)由(5)式給出。

$U=\sqrt{{\left(M_a\right)}^2+{\left(M_b\right)}^2}=J_1^2\left(C\right)\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}{\left(v_k\right)}^2---\left(5\right)$

加法器96的輸出信號(hào)與開(kāi)方運(yùn)算88的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)除法器99后得到cos(2θ_s)。加法器97的輸出信號(hào)與開(kāi)方運(yùn)算88的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)除法器100后得到sin(2θ_s)。在偏振分集檢測(cè)中，探測(cè)器40～42的值在同一時(shí)刻不會(huì)全部為0，因此經(jīng)過(guò)除法器99、100計(jì)算得到的cos(2θ_s)和sin(2θ_s)的值與v_k·的幅度大小無(wú)關(guān)，消除了因偏振衰落現(xiàn)象帶來(lái)的v_k·隨時(shí)間變化起伏的影響。

cos(2θ_s)和sin(2θ_s)輸出信號(hào)進(jìn)入sine/cosine解調(diào)器110可得到輸出信號(hào)2θ_s，由2θ_s信號(hào)可獲得被測(cè)物理量30的信息。解調(diào)器110可由通用計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)，本專(zhuān)利不再詳述。

圖4(a)～(c)給出了f_c為10kHz，傳感器施加500Hz正弦信號(hào)時(shí)的偏振分集檢測(cè)的3個(gè)偏振方向的干涉輸出信號(hào)。圖4(a)的信號(hào)幅度小，圖4(c)的信號(hào)幅度最大。

圖5給出了采用圖4所示信號(hào)，利用圖2和圖3所示的抗偏振衰落的相位生成載波解調(diào)方案得到的解調(diào)信號(hào)波形。解調(diào)信號(hào)幅度和頻率穩(wěn)定。

可以理解的是，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。