本發(fā)明涉及光纖傳感，具體涉及一種提升白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)精度與頻帶的方法。

背景技術(shù)：

1、光纖傳感技術(shù)由于其靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在微震探測、深海勘探等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。窄線寬激光器是光纖傳感解調(diào)系統(tǒng)中常用的激光器，穩(wěn)定性高，對于干涉儀臂長差控制的要求較低。然而，窄線寬激光器的生產(chǎn)過程復(fù)雜，成本高昂。白光干涉技術(shù)得益于采用寬帶光源代替窄線寬激光器，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度，高分辨率，目前已經(jīng)引起了眾多研究人員的關(guān)注。

2、在白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)中存在以下問題：由于采用寬帶光源代替了高成本的窄線寬激光器，所以對于干涉儀結(jié)構(gòu)的要求較高，需要在將臂長差控制在微米量級的同時(shí)防止串?dāng)_。因此，白光干涉的穩(wěn)定運(yùn)行需要選擇賽格納克干涉儀結(jié)構(gòu)同時(shí)配合延遲光纖的引入以杜絕串?dāng)_的發(fā)生。在白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)中，由于延時(shí)的存在，研究者們將待測信號引入的相位變化視作待測信號的微分量，即：ψ=φ(t)-φ(t-τ)=τφtra’(t)，而該等式僅在τ為一個(gè)極小量時(shí)成立，隨著τ和f的增加，解調(diào)結(jié)果的失真度會逐漸增大。為了將失真度控制在5%以內(nèi)，研究者們對于系統(tǒng)的工作頻帶給出了一定的限制，即f<1/2πτ。本發(fā)明的目的在于解決白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)的失真問題從而擴(kuò)展系統(tǒng)工作頻帶。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對在白光干涉解調(diào)系統(tǒng)中出現(xiàn)的解調(diào)結(jié)果失真以及由此引起的解調(diào)頻帶受限問題，提出了一種基于頻譜補(bǔ)償并通過逆傅里葉變換還原時(shí)域信號的方法從而建立了基于頻譜補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)型白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種提升白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)精度與頻帶的方法，包括：

4、步驟一、理論分析白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)結(jié)果與真實(shí)值的比值并將其作為補(bǔ)償系數(shù)cf，具體值為sinπfτ/πfτ，其中f為待測信號頻率，τ為延遲光纖帶來的延時(shí)；

5、步驟二、通過計(jì)算得到延時(shí)τ的值，完成不同頻率處補(bǔ)償系數(shù)的精確求??；

6、步驟三、計(jì)算不同頻率信號處所對應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)，然后將不同頻率信號處對應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)逐頻補(bǔ)償在白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)得到的頻譜中，得到補(bǔ)償后的信號頻譜；

7、步驟四、利用逆傅里葉變換從補(bǔ)償后的信號頻譜中得到補(bǔ)償后的時(shí)域信號，完成補(bǔ)償過程。

8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，步驟一包括以下步驟：

9、采用橢圓擬合相位解調(diào)方法對相位信息進(jìn)行解調(diào)，兩路干涉信號可以通過以下公式表示：

10、?；公式(1)

11、其中，a1和a2分別為兩路干涉信號的直流量，b1和b2分別為兩路干涉信號的條紋對比度，ψ為待測信號引起的相位變化量，φ(t)代表待測信號，其中φ(t)=φmsinωt,?φm和ω分別代表待測信號的幅值與角頻率，β代表3×3耦合器帶來的相位差；

12、對兩路數(shù)字信號做基于橢圓擬合算法的數(shù)字化解調(diào)，得出兩個(gè)相位差ψ，得到近似：φ(t)-φ(t-τ)=τφtra’(t)。

13、通過積分運(yùn)算可以得到：

14、公式（2）

15、其中φtra(t)代表補(bǔ)償前得到的解調(diào)結(jié)果,通過理論分析得到微分算法解調(diào)結(jié)果和真實(shí)值的比值并將其作為補(bǔ)償因子：

16、公式（3）。

17、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，步驟二包括以下步驟：

18、綜合公式（2-3）得到：

19、?公式（4）

20、根據(jù)公式（4）精確求得延時(shí)τ的值。

21、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，在步驟三中，系統(tǒng)生成一組循環(huán)計(jì)數(shù)作為不同頻率信號對應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)的值，將其逐頻補(bǔ)償在白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)得到的信號頻譜中；

22、公式（5）

23、其中φcom代表補(bǔ)償后的白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)結(jié)果。

24、一種提升精度與頻帶的白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于執(zhí)行上述的一種提升白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)精度與頻帶的方法；

25、該解調(diào)系統(tǒng)包括自發(fā)放大式光源、3×3耦合器、2×1耦合器、壓電陶瓷二以及法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，3×3耦合器與2×1耦合器之間的兩路路徑分別包括延遲光纖與壓電陶瓷一，其工作原理為：

26、由自發(fā)放大式光源發(fā)出的光信號經(jīng)3×3耦合器分為兩路，第一路光信號的路徑為：路徑1-路徑2-路徑3-路徑3-路徑2-路徑4，第二路光信號的路徑為路徑路徑4-路徑2-路徑3-路徑3-路徑2-路徑1，這兩路光信號在3×3耦合器處發(fā)生干涉，壓電陶瓷一用于施加調(diào)制以確保橢圓擬合的正常運(yùn)行，壓電陶瓷二用于施加待測信號；干涉后的光信號經(jīng)過光電探測器后轉(zhuǎn)化為電信號由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集之后由橢圓擬合相位解調(diào)技術(shù)進(jìn)行解調(diào)；

27、其中路徑1為3×3耦合器與2×1耦合器之間的包含延遲光纖的一路路徑；

28、路徑4為3×3耦合器與2×1耦合器之間的包含壓電陶瓷一的一路路徑；

29、路徑2為2×1耦合器與壓電陶瓷二之間的路徑；

30、路徑3為壓電陶瓷二與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡之間的路徑。

31、本發(fā)明的有益效果：

32、本發(fā)明在解決失真問題的同時(shí)擴(kuò)展了解調(diào)頻帶，使系統(tǒng)的工作頻帶不再受到失真問題的限制；本發(fā)明解決了白光干涉的失真問題，使白光干涉更加適用于傳感領(lǐng)域；并且采用寬帶光源代替窄線寬激光器降低了干涉儀的制作成本，簡化了光路結(jié)構(gòu)。

33、本發(fā)明首先理論分析了微分算法失真的原因，并計(jì)算出了微分算法解調(diào)結(jié)果與理論真實(shí)值的比值，將其作為補(bǔ)償因子。之后將補(bǔ)償因子逐頻補(bǔ)償在微分算法得到的頻譜中，再通過逆傅里葉變換得到了時(shí)域信號。補(bǔ)償后消除了延時(shí)帶來的失真問題，同時(shí)也擴(kuò)展了系統(tǒng)的工作頻帶。

技術(shù)特征：

1.一種提升白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)精度與頻帶的方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提升白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)精度與頻帶的方法，其特征在于，步驟一包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提升白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)精度與頻帶的方法，其特征在于，步驟二包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種提升白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)精度與頻帶的方法，其特征在于，在步驟三中，系統(tǒng)生成一組循環(huán)計(jì)數(shù)作為不同頻率信號對應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)的值，將其逐頻補(bǔ)償在白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)得到的信號頻譜中；

5.一種提升精度與頻帶的白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于執(zhí)行權(quán)利要求1-4任一所述的一種提升白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)精度與頻帶的方法；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種提升白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)精度與頻帶的方法，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括：理論分析了白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)結(jié)果與真實(shí)值的比值并將其作為補(bǔ)償系數(shù)（CF）；CF是一個(gè)與待測信號頻率和延時(shí)相關(guān)的量，產(chǎn)生一組循環(huán)計(jì)數(shù)將CF逐頻補(bǔ)償在白光干涉相位解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)出的頻譜中；利用逆傅里葉變換從補(bǔ)償后的信號頻譜中恢復(fù)補(bǔ)償后的時(shí)域信號。本發(fā)明在降低白光干涉失真度的同時(shí)擴(kuò)展了系統(tǒng)的工作頻帶，使白光干涉更加適用于傳感領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：時(shí)金輝,李紀(jì)陽,俞本立,吳許強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9