一种基于双波长移相调制的大测量范围相位检测方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于双波长移相调制的大测量范围相位检测方法，相位调制器作用于双波长激光产生调制量的相位调制信号；经调制的双波长激光通过耦合器进入干涉仪的参考臂和信号臂；经法拉第旋光镜反射的光返回耦合器产生干涉形成双波长干涉光；双波长干涉光经第二波分复用器后按波长实现分离，进入对应的光电转换器；数据发送采集模块接收两组经光电转换器转换的电信号，提取每组对应的三步移相信号并传输至数据处理模块；数据处理模块根据两组三步移相信号解调得到两组包裹相位信号，同时利用第一激光器和第二激光器的波长构建等效合成波长；后续处理得到最终的解包相位。本方法降低解包误差，实现大范围相位测量，进而有效提高系统性能。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于双波长移相调制的大测量范围相位检测方法及装置。

背景技术

随着光纤技术的提高，以光纤作为传光介质或者传感介质的光纤传感技术得到了蓬勃发展，在军事、国防、民用等多个领域得到了广泛的应用，为国家的安全稳定和经济发展提供了保障。光纤传感器的应用范围广泛，可用于压力、温度、振动、位移等物理量的测量。与传统电磁传感器相比，光纤传感器具有重量轻，抗电磁干扰能力强，灵敏度高，安全可靠，耐腐蚀，可进行分布式测量，易于组网等诸多优点。其中，基于相位调制原理的干涉型光纤传感器更是具有几何结构灵活多样且灵敏度、分辨率等关键性能指标非常高的优点，从而被广泛地应用于石油探测、周界安防、航空航天等领域。

对于干涉型光纤传感器而言，相位检测技术是其关键技术之一。相位检测技术是指如何从干涉光强信号中获取相位信息，从而得到外界环境参量的相关信息。目前检测方案主要有3×3耦合器多相检测法、PGC法、外差法以及矩形脉冲二元相位调制法等。矩形脉冲二元相位调制法具有光路简单，硬件系统要求低，解算速度快的特点，广泛适用于各种实际应用系统。对于相位检测，当待求解的相位信号超出[-π/2,π/2]范围时，需要利用相位解包算法对结果进行进一步的处理。相位解缠绕算法要求相邻相位值的绝对差值小于π，否则将造成解包失真。然而在一些具体的应用中，例如高灵敏度加速度传感系统、光纤传感周界入侵系统等，需要实现大测量范围的相位检测。此时，相位解包相邻相位值的绝对差值将大于π，从而造成无法展开得到真实的相位信息，影响最终的相位结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双波长移相调制的大测量范围相位检测方法及装置，利用双波长激光光源构建等效合成波长，有效解决在大测量范围需求下，单一波长系统因相邻相位值的绝对差值大于π造成的相位解包失真问题，从而有效恢复真实相位。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于双波长移相调制的大测量范围相位检测方法，方法步骤如下：

步骤1、打开第一激光器和第二激光器，第一激光器和第二激光器发出的光经过第一波分复用器进行耦合，形成双波长激光；其中λ

步骤2、经过相位调制的双波长激光经过2×2耦合器，同时进入参考臂和信号臂；参考臂长为l

其中A和B与输入光强成正比，且B＝κA,κ≤1为干涉条纹可见度；

其中k为整数，T为调制信号的周期；

由式(3)得到

步骤3、数据发送采集模块采集对应的电信号，通过标定干涉光强信号与调制脉冲信号的延时，从式(4)和式(5)中获得两组对应的的三步移相信号，具体可表示为：

步骤4、数据处理模块接收数据发送采集模块提取的两组三步移相信号，数据处理模块利用反正切法分别获取λ

数据处理模块接收数据发送采集模块提取的两组三步移相信号I

将两波长对应的相位信号作差，可得等效波长的包裹相位θ

其中d为参考臂与信号臂的光程差。设等效合成波长为λ

对等效合成波长相位θ

θ

利用上式，最终可获得真实的相位信息。

一种基于双波长移相调制的大测量范围相位检测方法的装置，包括第一激光器、第二激光器、第一波分复用器、隔离器、相位调制器、2×2耦合器、参考臂、信号臂、法拉第旋光镜、第二波分复用器、光电转换器、数据发送采集模块和数据处理模块。其中第一激光器、第二激光器分别与第一波分复用器通过光纤连接。第一波分复用器、隔离器、相位调制器和2×2耦合器通过光纤依次连接。参考臂和信号臂分别与2×2耦合器以及法拉第旋光镜连接。数据发送采集模块与相位调制器连接。2×2耦合器通过光纤与第二波分复用器连接。第二波分复用器与光电转换器通过光纤连接。数据发送采集模块分别与光电转换器和数据处理模块连接。

所述第一激光器、第二激光器发出的激光依次经过第一波分复用器、隔离器和相位调制器。数据处理模块产生矩形脉冲调制信号，向相位调制器提供相位调制，形成经相位调制的双波长激光。经相位调制的双波长激光经过2×2耦合器，同时进入参考臂和信号臂。双波长激光经法拉第旋光镜反射后，返回耦合器，在耦合器产生双波长干涉信号。双波长干涉信号经第二波分复用器按波长实现分离后输出至光电转换器。光电转换器将干涉光强信号转换为电信号，数据发送采集模块采集光强电信号、提取两组三步移相干涉光强信号，并将其传至数据处理模块。在数据处理模块内部实现两组包裹相位的计算，同时利用第一激光器和第二激光器的波长构建等效合成波长；在此基础上进行后续处理，得到最终的解包相位。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：利用双波长激光光源构建等效合成波长，有效解决在大测量范围需求下，单一波长系统因相邻相位值的绝对差值大于π造成的相位解包失真问题，进而有效恢复真实相位。

附图说明

图1为本发明的一种基于双波长移相调制的大测量范围相位检测方法的装置结构示意图；

图2为本发明实施例中数据发送采集模块提取的双波长对应的三步移相信号；其中，图2(a)为I

图3为本发明实施例中数据处理模块计算得到的两组包裹相位θ

图4为本发明实施例中波长λ

图5为本发明实施例中数据处理模块计算得到的包裹相位差，即等效波长λ

图6为本发明实施例中数据处理模块对等效波长λ

图7为本发明实施例中数据处理模块根据θ

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种基于双波长移相调制的大测量范围相位检测方法，方法步骤如下：

步骤1、打开第一激光器1和第二激光器2，第一激光器1和第二激光器2发出的光经过第一波分复用器3进行耦合，形成双波长激光；其中λ

步骤2、经过相位调制的双波长激光经过2×2耦合器6，同时进入参考臂7和信号臂8；参考臂长7为l

其中A和B与输入光强成正比，且B＝κA,κ≤1为干涉条纹可见度；

其中k为整数，T为调制信号的周期；

由式(3)得到

步骤3、数据发送采集模块12采集对应的电信号，通过标定干涉光强信号与调制脉冲信号的延时，从式(4)和式(5)中获得两组对应的的三步移相信号，具体可表示为：

步骤4、数据处理模块13接收数据发送采集模块12提取的两组三步移相信号，数据处理模块13接收数据发送采集模块12提取的两组三步移相信号I

将两波长对应的相位信号作差，可得等效波长的包裹相位θ

其中d为参考臂与信号臂的光程差；设等效合成波长为λ

对等效合成波长相位θ

θ

利用上式，最终可获得真实的相位信息。

结合图1，一种基于双波长移相调制的大测量范围相位检测方法的装置，包括第一激光器1、第二激光器2、第一波分复用器3、隔离器4、相位调制器5、2×2耦合器6、参考臂7、信号臂8、法拉第旋光镜9、第二波分复用器10、光电转换器11、数据发送采集模块12和数据处理模块13；其中第一激光器1、第二激光器2分别与第一波分复用器3通过光纤连接；第一波分复用器3、隔离器4、相位调制器5和2×2耦合器6的端口6-1通过光纤依次连接；参考臂7和信号臂8分别与2×2耦合器6的端口6-2和6-3以及法拉第旋光镜9连接；数据发送采集模块12与相位调制器5连接；2×2耦合器6的端口6-4通过光纤与第二波分复用器10连接；第二波分复用器10与光电转换器11通过光纤连接；数据发送采集模块12分别与光电转换器11和数据处理模块13连接。

所述第一激光器1、第二激光器2发出的激光依次经过第一波分复用器3、隔离器4和相位调制器5；数据处理模块12产生矩形脉冲调制信号，向相位调制器5提供[0,π/2]相位调制，形成经相位调制的双波长激光；经相位调制的双波长激光经过2×2耦合器6，同时进入参考臂7和信号臂8；双波长激光经法拉第旋光镜9反射后，返回2×2耦合器6，在耦合器6产生双波长干涉信号；双波长干涉信号经第二波分复用器10按波长实现分离后输出至光电转换器11；光电转换器11将干涉光强信号转换为电信号，数据发送采集模块12采集光强电信号、提取两组三步移相干涉光强信号，并将其传至数据处理模块13；在数据处理模块13内部实现两组包裹相位的计算，同时利用第一激光器和第二激光器的波长构建等效合成波长；在此基础上进行后续处理，得到最终的解包相位。

所述第一激光器1和第二激光器2通过第一波分复用器3实现耦合；

所述数据发送采集模块12产生矩形脉冲调制信号，向相位调制器5提供相位调制；

所述参考臂7长度小于信号臂8长度，长度差为△l。

所述数据处理模块13利用反正切法分别获取λ

实施例1

实施例中，第一激光器的波长λ

步骤1、打开第一激光器1和第二激光器2，通过第一波分复用器进行耦合。数据发送接收模块产生频率为1MHz的矩形脉冲调制信号，向相位调制器5提供调制量为[0,π/2]的相位调制，形成经相位调制的双波长激光；

步骤2、经过相位调制的双波长激光经过2×2耦合器6，同时进入参考臂7和信号臂8，分别形成参考光和信号光，经法拉第旋光镜9反射后，返回2×2耦合器6，在2×2耦合器6产生干涉。随后，经2×2耦合器6的端口6-4输出至第二波分复用器10。第二波分复用器10将双波长干涉光按波长分离产生两组单波长干涉光，分别输出至对应的光电转换器11实现光电转换。

步骤3、数据发送采集模块12采集对应的电信号，通过标定干涉光强信号与调制脉冲信号的延时，从式(4)和式(5)中获得两组对应的三步移相信号。

步骤4、数据处理模块13接收数据发送采集模块12提取的两组三步移相信号I

结合图2～图7，本实施例通过一系列步骤实现了对相位信号的检测；最终解得的相位与给出的标准相位信号一致；结果表明该方法可有效解决在大测量范围需求下，单一波长系统因相邻相位值的绝对差值大于π造成的相位解包失真问题，进而有效恢复真实相位。

以上所述是本发明的实施方式和效果展示，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。