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一、引言光纤传感由于具有本质安全、电绝缘性好、灵敏度高及便于连网等优点，已在许多物理量的测量中得到应用，特别是基于光纤干涉的传感系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。
光纤干涉仪是一种高精度测量仪器，但存在相位随机漂移及倍频等光学问题。
现有文献报导中，解决的方法是采用相位生成载波技术，调制解调的实现过程复杂，并有可能产生信号波形的失真。
另外，虽有采用压电陶瓷（PZT）的报导，但未见对相位随机漂移及倍频问题的具体解决方法。
为此，本文给出一种简单实用的解决方案，在原理上说明其可行性，并进行了实验验证。
二、Michelson干涉型光纤传感器原理图1所示为Michelson相位调制型光纤干涉仪结构示意图。
由激光器发出的相干光经光隔离器和耦合器后一分为二分别送入2根长度基本相同的单模光纤（即干涉仪的两臂，其一为信号臂，另一参考臂），而后被反射膜反射，在耦合器的输出端发生干涉。
显然，这是一种双光束干涉仪，干涉光的幅度与信号光及参考光的幅度有关，其相位为两臂光相位之差，干涉场光强分布为I=I1+I2+2I1I2cos（Φ）=A+Bcos（Φ）（1）Φ=2nπl/λ（2）式（1）右端是光电转换的信号，I1、I2分别为干涉仪两臂单独存在时的光强，在检测时通常以直流项对待；2I1I2cos（Φ）表示干涉效应，当Φ=2mπ时，为干涉场的极大值，其中m为干涉级次。
式（2）中，Φ为干涉仪两臂光波的相位差，它可以表示为因为环境波动引起的随机漂移信号S和待测信号N之和，由光波波长λ、光纤折射率n以及光纤两臂长度差l共同决定。
在波长一定的情况下，两臂光程差改变nl，就改变了干涉信号的相位差，从而实现传感功能。
干涉光信号由光电转换器（PD）转换为电信号。
通过检测电信号的变化，就得到相应的干涉光信号的相位变化。
三、相位漂移及倍频原因简析由式（1）可见，I随Φ呈余弦变化规律，I～Φ关系曲线如图2所示。
在Φ=2nπ处为最大值（n=0，±1，±2，⋯⋯），而在Φ=（2n+1π处取值最小，而在Φ=nπ+π/2处变化最快，I变化最快即表示此时干涉仪具有最高灵敏度。
![一种光纤光栅水听器相位解调偏振衰落抑制的系统和方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/19dbbca0dbef5ef7ba0d4a7302768e9951e76e0d.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910332727.2(22)申请日 2019.04.24(71)申请人 上海传输线研究所(中国电子科技集团公司第二十三研究所)地址 200437 上海市杨浦区逸仙路135号(72)发明人 蔡冰涛 陈小宝 牟志修 张淼 (74)专利代理机构 上海市嘉华律师事务所31285代理人 黄琮 夏烨(51)Int.Cl.G01H 9/00(2006.01)(54)发明名称一种光纤光栅水听器相位解调偏振衰落抑制的系统和方法(57)摘要本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及光纤光栅水听器相位解调偏振衰落抑制的系统和方法。
其特征在于包括脉冲产生装置、光纤环形器、光纤光栅水听器阵列、偏振分束器、FPGA信号调制解调系统、显示控制系统。
脉冲产生装置连接至光纤环形器，环形器连接光纤光栅水听器阵列，环形器第三接口连接偏振分束器的输入端，偏振分束器的两路输出端接入FPGA，FPGA和显控系统连接。
偏振分束器对脉冲信号分离，FPGA对脉冲采样数字化处理，再通过正交项相乘混频、低通滤波器得到其正交分量。
选择两种正交分量中可见度高的一组信号，对其进行反正切算法，再进行数字高通滤波算法，最后通过低通降采样输出。
该系统和方法可靠性高，成本低且可有效的抑制偏振衰落。
权利要求书1页 说明书6页 附图9页CN 110095177 A 2019.08.06C N 110095177A1.一种光纤光栅水听器相位解调偏振衰落抑制的系统，其特征在于：包括了脉冲产生装置、光纤环形器(7)、光纤光栅水听器阵列、偏振分束器(14)、FPGA信号调制解调系统(15)、显示控制系统(16)；其中脉冲产生装置连接至光纤环形器(7)的第一端口，光纤环形器(7)的第二端口连接光纤光栅水听器阵列，光纤环形器(7)第三端口连接偏振分束器(14)的输入端，偏振分束器(14)的两路输出端进入FPGA信号调制解调系统(15)，FPGA信号调制解调系统(15)和显示控制系统(16)连接。
光纤与电缆及其应用技术Optical Fiber &Electr ic Cable2011年第2期No.2 2011应用技术干涉型光纤传感信号去噪方法的研究盛 兴1, 邓大鹏1, 王 晶2, 张 彬1(1.西安通信学院,西安710106;2.中国人民解放军69036部队,新疆库尔勒841000)[摘 要] 针对干涉型光纤传感信号的特点,采用数字滤波和小波去噪两种方法对干涉信号进行了消噪处理,并对去噪效果进行了比较和分析。
结果表明,截止频率为4kH z,阶次为3的Butterw or th 低通滤波器和Birg e-M assart 阈值小波去噪算法在干涉型光纤传感系统中有较好的使用价值。
[关键词] 干涉型光纤传感系统;数字滤波;小波去噪[中图分类号] T N911.74;T N 247 [文献标识码] B [文章编号] 1006 1908(2011)02 0031 05Research on the Methods for Signal De noising inInterferometric Fiber Optic SensorSH ENG Xing 1, DENG Da peng 1, WANG Jing 2, ZH ANG Bin 1(1.Xi an C ommunications Institute,Xi an 710106,China;2.Troops 69036,PLA,Ku erle 841000,Xinjiang,China)Abstract:Based on the sig na l featur es o f int erfero metric fiber o ptic senso r,t wo methods,dig ital filter ing and w avelet de no ising,ar e used to car ry out the de no ising pr ocess on t he interfer ometr ic sig nals.T heir de no ising effects ar e co mpar ed and analyzed.T he results sho w that the Butt erw orth lo w pass filter hav ing 4kH z of cutoff frequency and 3steps,and the w avelet threshold de noising based o n Birg e -M assart str ategy have better applicatio n in inter ferometr ic fiber o ptic sensor sy stem.Key words:interf er ometr ic optic senso r system;dig ital filter;wav elet de no ising[收稿日期] 2010 12 06[作者简介] 盛 兴(1983-),男,河南省邓州市人,西安通信学院硕士研究生.[作者地址] 陕西省西安市长安区王曲镇,西安通信学院研究生管理大队九队,7101060 引 言基于Sag nac 干涉原理的分布式光纤传感系统具有灵敏度高、监测距离长等优点,可广泛应用在能源管道监测、围栏报警、光缆线路安全监测预警等领域[1 2]。
第38卷第8期2009年8月光 子 学 报ACTA PH OT ON ICA SINICAV ol.38N o.8A ug ust 2009*国家高技术研究发展计划(2006A A 0A A 102-03)资助T el:010-********Email:jingzheng uo @ 收稿日期:2008-06-17修回日期:2008-07-23干涉型光纤传感器的消偏振衰落技术研究*荆振国1a ,殷锴1a,1b ,张敏1a ,王立威1a ,朱耀强2,王子秋2,王宏华2,廖延彪1a(1清华大学a.电子工程系,b.精密仪器与机械学系,北京100084)(2中海油田服务股份有限公司技术中心,河北燕郊065201)摘 要:本文对消除干涉型光纤传感器信号偏振衰落的偏振分集接收PDR(Polarizatio n Div ersity Receiver)技术进行了理论分析.通过三态PDR 方式,,能够避免传输光偏振态变化导致干涉信号完全衰落的现象,使干涉信号有效幅度在一定范围内变化.采用基于反正切计算的相位生成载波PGC(Phase Generated Carrier )解调技术的相位测量结果不受由于偏振衰落导致干涉信号有效幅度变化的影响.提出结合三态PDR 方式和基于反正切计算的PGC 解调技术消除偏振衰落问题的影响,实现干涉型光纤传感器中相位信号的理想解调.关键词:干涉型光纤传感器;偏振衰落;偏振分集接收;相位生成载波中图分类号:T N247 文献标识码:A 文章编号:1004-4213(2009)08-2024-50 引言近年来,干涉型光纤传感器成为光纤传感器领域最受关注的研究方向之一[1-4].干涉型光纤传感器通过一定长度的敏感光纤可以实现极高的灵敏度[5-6].构成光纤干涉仪主体部分的光纤存在着双折射现象,会使光纤中传播光信号的偏振态发生变化[7].当发生干涉的两束光的偏振态不一致时,会使干涉信号的幅度发生衰落,.两束光的偏振状态完全正交时,两束光完全不相干,干涉信号的幅度衰落为零.为了从干涉信号中解调出对外界传感信息敏感的相位信号,需要克服偏振衰落现象,使干涉信号维持一定的幅度.当前解决干涉型光纤传感器中的偏振衰落问题的途径主要有:全保偏光路方式、法拉第旋镜方式和偏振分集探测方式等[8-10].基于反正切计算的相位生成载波PGC 解调技术,具有灵敏度高,动态范围大等优势,与传统的基于微分交叉相乘DCM (Differentiate Cross Multiply )的PGC 解调技术相比,其相位测量结果不受由于偏振衰落,导致干涉信号幅度变化的影响.PDR PGC 解调技术可以理想地解决干涉型光纤传感器系统的偏振衰落问题.本文将PDR 技术与基于反正切计算的PGC 解调技术结合消除偏振,衰落其优势在于干涉型光纤传感器的时分复用系统应用中,可以利用单一的偏振分集探测单元结合相应的解调技术解决时分复用阵列中所有光纤干涉仪的偏振衰落问题,极大地降低了系统的成本,简化了传感器的制作工艺和系统结构.1 消除偏振衰落的PDR 方案在PDR 方案中,光纤干涉仪输出经分束后,经过Y 方向与X 方向成H 角的检偏器,由探测器探测.光纤干涉仪的传感臂输出的X 、Y 方向的偏振分量分别为A x cos (X t +<A )A y cos (X t +<A +D A )(1)式中A x 、A y 分别是传感臂输出信号X 、Y 两方向偏振分量的幅度,X 是光频,<A 是两个偏振方向的公共相位,D A 是两个偏振方向的相位差.参考臂输出的X 、Y 方向的偏振分量分别为B x cos (X t +<B )B y co s (X t +<B +D B )(2)式中B x 、B y 分别是传感臂输出信号X 、Y 两方向偏振分量的幅度,<B 是两个偏振方向的公共相位,D B 是两个偏振方向的相位差.假设干涉仪输出的幅度相等的相互干涉的两束光光强均为1.则有A x 2+A 2y =1B x 2+B 2y =1(3)偏振分量向H 方向投影可以得到A x cos (X t +<A )cos H(4)A y cos (X t +<A +D A )co s (P2-H )(5)B x co s (X t +<B )co s H(6)8期荆振国,等:干涉型光纤传感器的消偏振衰落技术研究B y cos(X t+<B+D B)cos(P2-H)(7)在检偏器之后探测器探测到干涉信号结果为P=(A x cos H)2=(A y sin H)2+(B x co s H)2+ (B y sin H)2+2A x A y sin H cos H cos D A+2B x B y sin H co s H co s D B+2A x B x(cos H)2#cos(<A-<B)+2A x B y sin H cos H cos(<A-<B-D B)+2A y B y(sin H)2cos(<A-<B-D B)+2A y B x sin H cos H c os(<A-<B+D A)(8)其中可以用来解调相位信息的交流信号成分为Q=co s(<A-<B)[2A x B x cos H)2+2A x B y sin H# cos H cos D B+2A y B y(sin H)2co s(D A-D B)+2A y B x sin H cos H cos D A sin(<A-<B)[2A x B y# sin H cos H sin(D B)-2A y B y(sin H)2sin(D A-D B)-2A y B x sin H cos H sin D A](9)为了简化,取M=[2A x B x(cos H)2+2A x B y sin H cos H cos D B+ 2A y B y(sin H)2co s(D A-D B)+2A y B x sin H# cos H cos D A](10) N=[2A x B y(sin H cos H sin D B-2A y B y(sin H)2# sin(D A-D B)-2A y B x sin H cos H sin D A](11)并且取A,使式(12)成立co s(A)=MM2+N2sin(A)=NM2+N2(12)则有Q=M2+N2cos(<A-<B-A)(13)定义干涉信号的有效幅度为K=M2+N22(14)当前主要的PDR方案有三态PDR方式和双态PDR方式.三态PDR方式是将光纤干涉仪输出的分束后通过三个互成P/3角度的检偏器,然后由探测器分别探测.可以设定三态PDR方式的三个检偏器的角度分别为0,P/3,2P/3.通过求取有效幅度K的定域极值,可以得到三态PDR方式中三个探测器输出的有效幅度最大的一路干涉信号的幅度最大值K max=1,最小值K min=0.38,即信号最大衰落为最大有效幅度的38%.因而通过三态PDR方式,能够避免偏振导致干涉信号完全衰落的现象.而对于双态PDR方式,通常光纤干涉仪输出的分束后通过两个互成P/2角度的检偏器,然后由探测器分别探测.可以设定双态PDR方式的两个检偏器的角度分别为0,P/2通过求取有效幅度K的定域极值,可以得到双态PDR方式两个探测器输出的有效幅度最大的一路干涉信号的幅度最大值K max=1,最小值K min=0.可以看到,在相互正交的两个检偏器组成的双态PDR方式中,仍然可能出现偏振态变化导致干涉信号完全衰落的现象.这种情况是发生在两束干涉光为线偏振光,且偏振方向分别和两个检偏器的偏振方向一致的情形.在现实使用的系统中,一般通过一定距离的传输光纤,由于光纤的双折射现象,原有的线偏振光都会退化成椭圆偏振光.或者采用一些退偏的措施,也可以使线偏振光退化成椭圆偏振光.如果假定椭圆偏振光的最大消光比约为10dB,则此时双态PDR 方式的有效幅度最大的一路干涉信号的幅度最小值K min=0.1.商用的偏振分束器PBS(Po larization Beamsplitter)器件内的两个检偏方向正好也是互成P/2角度,可以利用其结合一定的退偏措施实现双态PDR方式避免完全的偏振衰落.偏振分集检测方案能够避免偏振导致干涉信号完全衰落的现象.但是返回干涉信号的偏振态变化仍然会导致所探测到的干涉信号有效幅度在一定范围内变化.需要结合具体应用的光纤干涉仪的解调技术,避免探测到的干涉信号有效幅度的变化对相位测量结果的影响.2光纤干涉仪的解调技术为了从光纤干涉仪返回的干涉信号中提取相位信息,需要有效的信号解调手段对干涉信号进行解调处理.光纤干涉仪目前通行的解调方案是PGC解调技术.PGC解调技术通过直接对光源进行频率调制,在干涉仪中产生相位载波,消除相干检测中初相位的影响.PGC解调方法中,光纤干涉仪的输出为I=A+B cos[C co s X c t+U(t)](15)式中,A是干涉信号的直流项,B是干涉信号的幅度,C是施加载波的幅度,X c为施加载波的角频率, U是待测的相位信号.PGC解调方法有基于DCM和基于反正切计算的两种思路.传统的基于DCM的PGC解调技术[11]其解调的相位结果受到干涉信号的有效幅度的影响.需要在测量过程中,实时计算由于光信号的偏振态变化导致的干涉信号的有效幅度的变化,消除其影响.基于反正切计算的PGC解调方法[12](见图1)2025光子学报38卷图1基于反正切计算的PG C解调技术Fig.1P GC demo dulating techno log y based o n A RCT A N calculat ion的基本思想是由一个频率生成模块产生对光源进行高频余弦调制的载波.同时生成供解调使用的一倍频和二倍频载波.将干涉信号分别与一倍频载波和二倍频载波相乘,然后通过低通滤波器得到两项结果L1=B J1(C)sin U(t)(16) L2=B J2(C)cos U(t)(17)式中J1(C)和J2(C)是宗量为C的第一类1阶贝赛尔函数和2阶贝赛尔函数.在基于反正切计算的PGC解调方法中,将通过低通滤波的两项相除,得到L1/L2=J1(C)J2(C)tan U(t)(18)设定C值使J1(C)=J2(C)然后求取反正切函数,就可以得到相位信号U,进行值域扩展至超过2P的范围.基于反正切计算的PGC解调技术,其相位测量结果是绝对的相位值,不受干涉信号幅度B的影响.这样在采用PDR方式来消除偏振衰落的系统中,测量结果不受由于偏振态衰落导致返回干涉信号幅度变化的影响,不需要对相位测量结果进行任何修正.基于反正切计算的PGC解调技术除了具有测量结果不受干涉信号幅度的影响的特点外,与传统的DCM方式相比,还具有对冲击信号响应好,不受初始相位的影响等方面的优势.这样,使其与PDR 方式结合成为一种极具竞争力的光纤干涉仪测量解调方案.3实验研究在实验中,采用三个检偏方向互成P/3角度的三态PDR器件来测量一个SMF28单模光纤构建的光纤迈克尔逊干涉仪的干涉信号输出.监测三路输出信号的有效幅度,利用信号有效幅度最大的一路干涉信号进行基于反正切运算的PGC解调得到光纤干涉仪的相位信息.消除偏振衰落的迈克尔逊干涉仪试验系统如图2.图2消除偏振衰落的干涉仪试验系统Fig.2P olarizatio n induced fading eliminating inter ferometer ex per imental sy stem对光纤干涉仪通过压电陶瓷施加一定幅度的正弦相位信号.对光纤干涉仪及其传输光纤进行扰动,以影响其中传输光信号的偏振态.对PDR输出有效幅度最大的一路干涉信号的幅度进行记录,结果如图3所示.PDR输出有效幅度最大的一路干涉信号的幅度最大值为2.4V,幅度最小值为0.99V,即干涉信号最大衰落为最大有效幅度的42%,与前述三态PDR输出干涉信号最大衰落为最大有效幅度38%的理论预测基本一致.测量值略高于理论值的原因是由于传输光纤出现一定的退偏现象或一定时间的测量没能遍历的小概率的偏振状态.通过对PDR输出有效幅度最大的一路干涉信号的选择,可以避免由于偏振态变化导致干涉信号的完全衰落.图3扰动下PDR探测到的干涉信号的最大有效幅度变化F ig.3M ax imum efficient amplitude chang e detected by PDRduring distor tion通过对PDR输出的有效幅度最大的干涉信号进行基于反正切的PGC解调,同时对传输光纤进行扰动.在施加的正弦相位信号幅度一定的情况下,解调出来的相位信号结果如图4,其幅度基本不受由于传输光信号偏振态变化导致干涉信号幅度变化的影响.20268期荆振国,等:干涉型光纤传感器的消偏振衰落技术研究图4 克服偏振衰落的解调结果Fig.4 Demodulated phase result eliminating po lar izat ioninduced fading4 结论本文提出了结合PDR 技术和基于反正切运算的PGC 解调技术解决光纤干涉仪偏振衰落问题的方案.通过三态PDR 方式,能够避免传输光偏振态变化导致干涉信号完全衰落的现象,使干涉信号有效幅度在一定范围内变化.基于反正切运算的PGC 相位信号解调技术其相位测量结果不受干涉信号幅度涨落的影响.结合PDR 技术和基于反正切运算的PGC 解调技术,能够完全消除光纤干涉仪中偏振衰落的影响,实现干涉型光纤传感器中相位信号的理想解调.参考文献[1] W ANG Ze -feng,H UANG Lei,LUO H on g,et al .Ps eudow orking -point con tr ol detection sch eme for in terferometric fiber -optic hydrophon 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easurement result of PGC(Phase Generated Carrier)dem odulating techno logy based on ARCT AN calculation is imm une to am plitude chang e of interference signal due to po larization induced fading. Co mbinatio n of tr-i state PDR m ethod and PGC dem odulating technolo gy based o n ARCTAN calculation overco mes the problem o f po lar ization induced fading in interfer ometric optical fiber sensor and ideal demodulation of phase sig nal w ill be implem ented.Key words:Interfer ometric optical fiber senso r;Polarization induced fading;PDR(Polarizatio n Div ersityReceiver);PGC(Phase Gener ated Carrier)JING Zhen-guo received his Ph.D.deg ree in engineering from Dalian U niversity ofT echnolo gy in2006.No w he is a postdoctor at Department of Electr onic Eng ineer ing,T sing hua U niv ersity.H is r esearch interests fo cus on optical fiber sensor.2028。
