本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種基于移相信號調制的光纖光柵傳感調制解調方法及裝置。

背景技術：

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，人類社會已步入高速發(fā)展的信息時代。物聯(lián)網(wǎng)技術、通信技術以及計算機已成為飛速發(fā)展的信息技術。在此基礎上，物聯(lián)網(wǎng)中的傳感網(wǎng)絡越來越受到人們的密切關注。在信息技術的發(fā)展過程中，各個行業(yè)都離不開傳感器，比如工業(yè)控制、自動化生產(chǎn)過程、環(huán)境監(jiān)測、石油管道的監(jiān)測、生物醫(yī)學、安防監(jiān)測、橋梁和隧道監(jiān)測等等都有傳感器的蹤跡。和傳統(tǒng)的電子傳感器相比，光纖光柵傳感器光纖傳感器具有尺寸小，重量輕，成本低廉，抗電磁干擾，靈敏度高，安全可靠，耐腐蝕，可進行分布式測量，易于組網(wǎng)等諸多優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于對溫度，振動，應力等參量的測量。

美國專利us5903350(demodulatorandmethodusefulformultiplexedopticalsensors)，提出了“五步調制法”，需要在一個調制脈沖內，產(chǎn)生5個相位變化，分別為0，π/2，π，3π/2，2π。這種調制解調方法，需要產(chǎn)生5個臺階狀的調制信號，5個相位需要均勻的提高，每個相位臺階寬度相等。該調制解調方法對產(chǎn)生調制信號所用的硬件及方法具有很高要求，由于相位調制的激光脈沖光束寬度較小，在生成5個相同寬度的相位臺階時，其高度不易保持均勻提高且單個相位容易產(chǎn)生抖動。該調制解調方法還需要雙脈沖光束，利用一個經(jīng)過“五步調制法”的脈沖光束和另一個未進過調制的脈沖光束發(fā)生干涉，從而提供干涉光強信號。所以在脈沖光束進入光纖光柵組之前需要通過補償器，以使兩個脈沖光束獲得相應的時間差，使兩個脈沖光束從光纖光柵組返回后可以發(fā)生干涉。但由于補償器的精度問題，兩個脈沖光束干涉時可能產(chǎn)生誤差，降低最終探測精度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于移相信號調制的光纖光柵傳感調制解調方法及裝置，解決了傳統(tǒng)相位檢測技術調制難度大、易受干擾、硬件系統(tǒng)要求高、解算速度慢，多區(qū)域探測時硬件復雜的問題。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種基于移相信號調制的光纖光柵傳感調制解調方法，方法步驟如下：

步驟1、打開激光光源，并使光纖光柵組感應振動，信號發(fā)生器分別與光開關和相位調制器連接，由信號發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號作用于光開關，產(chǎn)生連續(xù)光脈沖，作用于相位調制器，產(chǎn)生連續(xù)相位脈沖調制，激光光源發(fā)出的光依次經(jīng)過隔離器、光開關和相位調制器，形成經(jīng)相位調制的激光脈沖光束；

步驟2、經(jīng)過相位調制的激光脈沖光束進入環(huán)形器的第1端口，通過其第2端口進入熔接光纖光柵組的光纖，脈沖光束透過光纖光柵組中的不同光纖光柵時，均有部分脈沖光束返回環(huán)形器，相鄰兩個光纖光柵反射的脈沖光束在環(huán)形器中產(chǎn)生干涉信號，并從環(huán)形器的第3端口輸出至光電轉換器，光電轉換器接收干涉信號，設相鄰兩個光纖光柵反射光的時間差為δt，則相鄰兩個光纖光柵產(chǎn)生的干涉光強i(t)如下式：

設振動信號的振動周期為ts，光開關形成的光脈沖光束寬度為t1，光開關形成的光脈沖周期與調制信號的相位調制周期相同，均為t，且t＜＜ts，所以認為在0＜t＜t這個時段內，振動信號在時域內保持不變；k為整數(shù)，令合相位其中為初始相，為漂移相，表示振動信號相；a、b均為常數(shù)；

步驟3、光電轉換器將干涉信號轉換為光強電信號，數(shù)據(jù)采集模塊采集光強電信號，并將其送入數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊通過標定相位調制信號和接收信號的延時，獲取相鄰兩個光纖光柵發(fā)生干涉后產(chǎn)生的三路移相的光強信號i1，i2，i3，于是有

根據(jù)三步移相算法，解得

步驟4、去除θ的初始直流相和漂移相，解調出連續(xù)的振動信號相

一種基于移相信號調制的光纖光柵傳感調制解調方法的裝置，包括激光光源、隔離器、光開關、相位調制器、環(huán)形器、光纖光柵組、信號發(fā)生器、光電轉換器、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，其中激光光源、隔離器、光開關、相位調制器和環(huán)形器依次連接，光纖光柵組與光纖熔接，環(huán)形器的第2端口與熔接光纖光柵組的光纖連接，信號發(fā)生器分別與光開關和相位調制器連接，環(huán)形器的第3端口通過光纖與光電轉換器連接，數(shù)據(jù)采集模塊分別與光電轉換器和數(shù)據(jù)處理模塊連接。

所述激光光源發(fā)出的光依次經(jīng)過隔離器、光開關和相位調制器，信號發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號作用于光開關，使光開關對激光進行調制，生成光脈沖并送入相位調制器，同時信號發(fā)生器產(chǎn)生高速脈沖信號，向相位調制器提供π/2的相位調制，使激光脈沖光束通過相位調制器形成經(jīng)相位調制的激光脈沖光束；經(jīng)過相位調制的激光脈沖光束進入環(huán)形器的第1端口，通過其第2端口進入熔接光纖光柵組的光纖，經(jīng)光纖光柵組反射后，返回環(huán)形器，在環(huán)形器中產(chǎn)生干涉信號，并從環(huán)形器的第3端口輸出至光電轉換器，光電轉換器將干涉信號轉換為光強電信號，數(shù)據(jù)采集模塊采集光強電信號，并將其送入數(shù)據(jù)處理模塊，解調出連續(xù)的振動信號相

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點在于：(1)利用光開關產(chǎn)生激光脈沖，利用相位調制器對激光脈沖光束進行相位內調制，利用光纖光柵對特定波長光束反射及環(huán)形器單向環(huán)形傳輸?shù)奶匦停诃h(huán)形器中實現(xiàn)多路移相信號的產(chǎn)生，有利于快速解算相位信息。

(2)結構簡單，尺寸小，精度高，信噪比高，抗環(huán)境干擾能力強，對調制信號的要求低，提高了算法的實時性。

(3)可根據(jù)需求調節(jié)光纖光柵數(shù)量和間隔從而調整探測范圍及探測區(qū)域數(shù)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于移相信號調制的光纖光柵傳感調制解調方法的裝置結構示意圖。

圖2為本發(fā)明單獨兩個光纖光柵(6-1、6-2)構成傳感模塊時反射光信號圖，其中(a)、(b)為反射光脈沖中相位和時間關系圖，(c)為環(huán)形器5第3端口(5-3)輸出的光強和時間關系圖，時間軸上大矩形代表反射光脈沖，之上的小矩形代表相位信息。

圖3為本發(fā)明四個光纖光柵(6-1、6-2、6-3、6-4)構成傳感模塊時反射光信號圖，其中(a)、(b)、(c)、(d)為單個反射光脈沖中相位和時間關系圖，(e)為環(huán)形器5第3端口輸出的光強和時間關系圖，時間軸上大矩形代表反射光脈沖，其上的小矩形代表相位信息。

圖4為本發(fā)明實施例中解調出的振動信號相信息。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

結合圖1，一種基于移相信號調制的光纖光柵傳感調制解調方法，方法步驟如下：

步驟1、打開激光光源1，讓測試人員在熔接了光纖光柵組6的光纖附近走動，使得光纖光柵組6感應振動，信號發(fā)生器7分別與光開關3和相位調制器4連接，由信號發(fā)生器7產(chǎn)生脈沖信號作用于光開關3，產(chǎn)生連續(xù)激光脈沖，作用于相位調制器4，產(chǎn)生相位為π/2的連續(xù)相位脈沖調制，激光光源1發(fā)出的光依次經(jīng)過隔離器2、光開關3和相位調制器4，形成經(jīng)相位調制的激光脈沖光束。

經(jīng)相位調制的激光脈沖光束，其脈沖光束寬度t1由相鄰兩光纖光柵間距決定，為一個脈沖內，激光光束可以表示為

式中e0表示激光光源1的功率振幅，v0表示激光光源1的中心頻率，t表示傳播時間，表示經(jīng)高速脈沖調制的相位，產(chǎn)生π/2的相位調制，其一個周期內調制的脈沖寬度為τns。

步驟2、經(jīng)過相位調制的激光脈沖光束進入環(huán)形器5的第1端口，通過其第2端口進入熔接光纖光柵組6的光纖，脈沖光束經(jīng)過光纖光柵組6反射后，返回環(huán)形器5，在環(huán)形器5中產(chǎn)生干涉信號，并從環(huán)形器5的第3端口輸出至光電轉換器8，光電轉換器8接收干涉信號，設相鄰兩個光纖光柵間距為δl，光束到達相鄰兩個光纖光柵并返回的時間分別為t1、t2，則反射光存在時間差δt

其中n表示介質折射率，c表示激光在真空中的傳播速度。

光電轉換器8接收到的干涉光強i(t1，δt)可以表示為

其中a，b均為常數(shù)，且有b＝ka，k＜1，k為干涉條紋可見度，為初始相，為漂移相，表示振動信號相，為調制相。

是由高速脈沖信號產(chǎn)生的π/2相位調制，其具體表達式為

其中k為整數(shù)，t表示脈沖信號的周期。

當有外界振動時，振動引起的等效的光纖長度的變化與相鄰兩個光纖光柵間初始長度差相比可以忽略，即δt的變化可以忽略，控制脈沖信號的占空比，使得令合相位則干涉光強i(t)可等效為下式

設振動信號的振動周期為ts，脈沖調制信號的周期t＜＜ts，所以認為在0＜t＜t這個時段內，振動信號在時域內保持不變。

步驟3、光電轉換器8將干涉信號轉換為光強電信號，數(shù)據(jù)采集模塊9采集光強電信號，并將其送入數(shù)據(jù)處理模塊10，數(shù)據(jù)處理模塊10通過標定相位調制信號和接收信號的延時，來獲取三路移相的干涉光強信號i1，i2，i3，于是有

根據(jù)三步移相算法，解得

步驟4、去除θ的初始直流相和漂移相，解調出連續(xù)的振動信號相

結合圖1，一種基于移相信號調制的光纖光柵傳感調制解調方法的裝置，包括激光光源1、隔離器2、光開關3、相位調制器4和環(huán)形器5、光纖光柵組6、信號發(fā)生器7、光電轉換器8、數(shù)據(jù)采集模塊9和數(shù)據(jù)處理模塊10，其中激光光源1、隔離器2、光開關3、相位調制器4和環(huán)形器5通過光纖依次連接，光纖光柵組6與光纖熔接，熔接光纖光柵組6的光纖與環(huán)形器5的第2端口連接，信號發(fā)生器7分別與光開關3和相位調制器4連接，環(huán)形器5的第3端口通過光纖與光電轉換器8連接，數(shù)據(jù)采集模塊9分別與光電轉換器8和數(shù)據(jù)處理模塊10連接。

所述激光光源1發(fā)出的光依次經(jīng)過隔離器2、光開關3、和相位調制器4，信號發(fā)生器7分別與光開關3和相位調制器4連接，由信號發(fā)生器7產(chǎn)生脈沖信號作用于光開關3，產(chǎn)生連續(xù)激光脈沖，作用于相位調制器4，產(chǎn)生相位為π/2的連續(xù)相位脈沖調制；經(jīng)過相位調制的激光脈沖光束進入環(huán)形器5的第1端口，通過第2端口進入熔接光纖光柵組6的光纖，經(jīng)光纖光柵組6反射后，返回環(huán)形器5，在環(huán)形器5中產(chǎn)生干涉信號，并從環(huán)形器5的第3端口輸出至光電轉換器8，光電轉換器8將干涉信號轉換為光強電信號，數(shù)據(jù)采集模塊9采集光強電信號，并將其送入數(shù)據(jù)處理模塊10，解調出連續(xù)的振動信號相

所述環(huán)形器5采用三個端口的環(huán)形器，光纖光柵組6采用光纖布拉格光柵。

所述數(shù)據(jù)處理模塊10通過三步移相算法，得到合相位θ，并去除θ的初始直流相和漂移相，解調出連續(xù)的振動信號相

實施例1

實驗測試了某光纖光柵傳感器的振動信息，兩光柵光纖間距為24m，采樣時間為22s，激光脈沖周期和相位調制脈沖的頻率為1mhz，一個周期內相位調制的脈沖寬度為160ns，其測量裝置如圖1所示，其測量步驟為：

步驟1、打開激光光源1并讓測試人員在熔接了光纖光柵組6的光纖附近走動，使得光纖光柵組6感應振動，激光光源1發(fā)出的光依次經(jīng)過隔離器2、光開關3和相位調制器4，信號發(fā)生器7產(chǎn)生頻率為1mhz的高速脈沖信號，其作用于光開關3，產(chǎn)生連續(xù)激光脈沖，同時向相位調制器4提供π/2的相位調制，形成經(jīng)相位調制的激光脈沖光束；

步驟2、經(jīng)過相位調制的激光脈沖光束進入環(huán)形器5第1端口，通過第2端口進入熔接光纖光柵組6的光纖，經(jīng)光纖光柵組6反射后，在環(huán)形器5中產(chǎn)生干涉信號，光電轉換器8接收干涉信號。

步驟3、數(shù)據(jù)采集模塊9采集由光電轉換器8產(chǎn)生的光強電信號，并將其送入數(shù)據(jù)處理模塊10，數(shù)據(jù)處理模塊10通過標定相位調制信號和接收信號的延時，來獲取三路移相的干涉光強信號。

步驟4、去除θ的初始直流相和漂移相，解調出連續(xù)的振動信號相

結合圖2～圖4，本實施例通過一系列的措施實現(xiàn)了對相位振動信號的測量。最終求得的相位圖，波動較大處為測試員跨過光纖時產(chǎn)生，其數(shù)量、幅度與測試員實際走動情況吻合，反映出該光纖光柵傳感器準確的探測出工作范圍內的振動信號變化，表明該方法簡單實用，測量精度較高，抗干擾能力強，實時性高。