非对称3×3干涉型传感器解调系统设计

合集下载

基于3×3耦合器相位解调的光纤声音传感器设计

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；３ ×３ｃｏｕｐｌｅｒ；ｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ；ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｆｉｂｅｒ；ａｃｏｕｓｔｉｃｓｅｎｓｏｒ
引言
光纤传感是２０世纪７０年代中期随着光纤技术不断发展进步而应运而生的一门技术，光纤传感器在电流、电磁、气体、温度、加速度、光纤陀螺等测量场合有着广泛的应用 ¨ 。光纤声音传感器与其它声音传感器相比，具有抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、可利用信号远距离传输等独特优势，可以运用到某些特定需求的场合。干涉型光纤传感器以高灵敏度、结构简单等引起了人们的重视，但是在实际工程应用中，如何快速准确地提取出相位信息成为一个制约其快速发展的重要因素，本文中设计并制作了一种基于３Ｘ３耦
第４０卷第１期２０１６年ＲＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ
Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２０１６
文章编号：１００１—３８０６（２０１６）Ｏ１—００６４一（）４
基于３×３耦合器相位解调的光纤声音传感器设计
吴锋，吴柏昆，余文志，钱银博ｈ，何岩
ｗｕＦｅｎｇ，Ｂａｉｋｕｎ，ＹＵＷｅｎｚｈｉ，ＱＩＡＮＹｉｎｂｏ，ＨＥＹａｈ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ，２．Ｆｉ— ｂｅｒｈｏｍｅＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）

干涉型光纤传感器的信号处理系统

干涉型光纤传感器的信号处理系统近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。

在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。

在各种光纤传感器中以干涉型光纤传感器的灵敏度最高。

干涉仪结构的光纤传感器系统，通过深入研究随机信号的互相关函数和基于ＡＲ模型的功率谱估计，设计出具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法。

此算法可以对外界振动进行实时预警，并实现高速、高精度的定位。

该技术可用于检测第三方入侵，对需要防护的地域、管线进行监控、报警并提供精确定位。

研究成果对于长距离分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值，并在工业和国防领域具有应用前景。

本文设计的光纤传感系统分为传感线路、光收发模块、数据采集和信号处理等部分。

传感线路部分是一种基于马赫一泽德干涉仪的双向干涉结构。

当干涉仪中的干涉臂受到外力引起的振动时，光纤中传输的光信号的相位会发生变化，从而导致输出干涉波形的变化。

干涉信号经光电转换、数据采集送至信号处理系统，经信号处理分析后可以对外界振动发生的位置进行定位。

信号处理部分由ＤＳＰ和ＰＣ机共同组成，ＤＳＰ用于实现事件发生检测算法，ＰＣ机实现定位算法。

通过实验分析表明，事件发生检测算法可以显著地改善光纤传感器的性能，提高系统准确性，降低误报率。

在合理设置采样率的基础上，可以实现ｌＯＯＭ的定位误差。

采用ＤＳＰ和ＰＣ机合理分配运算负担，可以满足光纤传感器系统实时监控的要求。

第一章绪论１．１引言传感器是感受规定的被测物理量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置，它在工业生产、国防建设和科学技术等各个领域都发挥着巨大作用。

近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。

在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。

与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下的优势：首先，光纤是一种耐高压，抗腐蚀的介质，能在电磁或电子传感器不能工作的恶劣环境下运行。

基于非对称3×3耦合器的光纤相位解调研究

第４５卷　第１期２０２１年１月激光技术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４５，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２０２１文章编号：１００１３８０６（２０２１）０１００２５０６基于非对称３×３耦合器的光纤相位解调研究梁育雄１，黄毓华１，王　升１，宁　娜２（１．广东电网有限责任公司珠海供电局，珠海５１９０００；２．无锡联河光子技术有限公司，无锡２１４０００）摘要：为了解决３×３耦合器相位解调中，输出的３路信号分光比不均匀和相位差不能严格满足１２０°的非对称问题，采用了一种新型的３×３耦合器解调方案，并进行了理论分析和实验验证。

利用均值算法对输出的任意两路信号分别进行预处理，压缩原始３路输出信号之间的功率与相位的偏差，使经过矫正后新的３路信号近似为对称状态输出。

根据仿真与实验的结果，分析了耦合器输出的对称性条件和新型解调方案的抗噪声能力。

结果表明，该新型解调方案可以有效矫正３×３耦合器３路输出信号的非对称性，新方案的噪声水平约为１０－４ｍＷ，信噪比约为５０ｄＢ，与传统的解调方案相比，可以得到准确度与信噪比更高的待测信号。

这一结果对光纤相位解调领域有很好的指导作用，加速了光纤传感技术的实用化进程。

关键词：光电子学；相位解调；均值算法；３×３耦合器中图分类号：ＴＮ２０３文献标志码：Ａｄｏｉ：１０７５１０／ｊｇｊｓｉｓｓｎ１００１３８０６２０２１０１００５Ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｂａｓｅｄｏｎａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ３×３ｃｏｕｐｌｅｒＬＩＡＮＧＹｕｘｉｏｎｇ１，ＨＵＡＮＧＹｕｈｕａ１，ＷＡＮＧＳｈｅｎｇ１，ＮＩＮＧＮａ２（１．ＺｈｕｈａｉＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＢｕｒｅａｕ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣｏｍｐａｎｙ，Ｚｈｕｈａｉ５１９０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＡｌｌｉａｎＳｔｒｅａｍＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｘｉ２１４０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ３×３ｃｏｕｐｌｅｒ，ｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｍｅｄｉａｎｐｈａｓｅｓｈｉｆｔ３×３ａｄｄｅｒｄｕｅｔｏｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙｔｏｅｘｔｅｒｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｔｈｒｅｅｗａｙｓｉｇｎａｌｏｕｔｐｕｔｈａｓａｎｕｎｅｖｅｎｓｐｌｉｔｔｉｎｇｒａｔｉｏａｎｄａｎａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｔｈａｔｔｈｅｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｃａｎｎｏｔｍｅｅｔ１２０°，ｗｈｉｃｈｃａｕｓｅｓａｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｃｏｕｌｄｎｏｔｂｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｃｏｒｒｅｃｔｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｎｅｗ３×３ｒｅｐｌａｃｅｒｗａｓｕｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅｍｅａｎｔｗｏａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｙｔｗｏｓｉｇｎａｌｓｏｕｔｐｕｔ，ａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｔｈｒｅｅｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｅｐｏｗｅｒａｎｄｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｓｏｆｔｈｅｔｗｏｃｈａｎｎｅｌｓｍａｋｅｔｈｅｎｅｗｔｈｒｅｅｃｈａｎｎｅｌｓｉｇｎａｌｓａｆｔｅｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｔｏｂｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｏｕｔｐｕｔ，ａｎｄｔｈｅｎｐｅｒｆｏｒｍａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｅｗｓｃｈｅｍｅｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｒｒｅｃｔｔｈｅａｓｙｍｍｅｔｒｙｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｓｏｆｔｈｅｐｏｓｉｔｉｖｅ３×３ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ａｎｄｃｌａｓｓｉｆｙｉｔ．Ｎｏｉｓｅｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｎｅｗｓｃｈｅｍｅｉｓａｂｏｕｔ１０－４ｍＷａｎｄｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏｉｓａｂｏｕｔ５０ｄＢ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓｃｈｅｍｅ，ｔｈｅｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｏｂｔａｉｎｈｉｇｈｅｒａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｕｎｄｅｒｔｅｓｔ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｓｙｍｍｅｔｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｒｅｐｌａｃｅｒａｎｄｔｈｅａｎｔｉｎｏｉｓｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｅｗｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｈａｓａｇｏｏｄｇｕｉｄｉｎｇｒｏｌｅｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｐｏｌａｒｉｚｅｒｓａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｅｓｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ；ｐｈａｓｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｍｅａｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ；３×３ｃｏｕｐｌｅｒ基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目（ＧＤＫＪＸＭ２０１７２８３７；０３０４００ＫＫ５２１７００６２）作者简介：梁育雄（１９７３），男，工程师，主要从事高电压技术及电力在线监测技术的工作。

基于对称3×3耦合器的光纤干涉信号的软件解调技术

第27卷第2期光子学报 Vo1.27No.21998年2月 ACTA PHOTONICA SINICA F ebruary 1998基于对称3 3耦合器的光纤干涉信号的软件解调技术江毅娄英明王惠文(北京理工大学光电工程系,北京 100081)摘要从基于对称3 3耦合器的光纤干涉信号中解调出被测物理量,需要经复杂的运算本文提出用软件来模拟实现了信号的解调,省去了繁杂的模拟运算电路,并且通过软件解调运算,可得到运算中间各过程的波形图,也可以分析出各种误差和产生误差的原因,对硬件解调电路的设计有指导性意义关键词干涉;解调;软件0 引言干涉型光纤传感器能够达到极高的灵敏度,可以用来探测微弱的物理量实际应用中,必须用适当的信号处理技术自动且线性地将被测信号提取出来目前提出解调技术都要采取下列之一的措施,才能提取出被测物理量1:(1)扫描激光光源的波长;(2)用PZT 控制干涉仪的光程差,使之始终处于正交状态;(3)用移频器(如声光调制器)实现外差;(4)采用3 3或4 4耦合器使其输出正交或互成120 相位相对于前三种技术,采用3 3耦合器来使干涉仪的输出成120 更可靠和稳定,因而简便实用从3 3耦合器的输出端解调出被测物理量,需要经复杂的运算,才能提取出干涉信号的相位用模拟电路来实现运算,所需电路规模较大、繁杂,且模拟运算的误差较大,但能实时处理信号2 随着近几年计算机硬件技术的进步,用软件来实时实现这些运算已经成为可能本文用软件来模拟实现了信号的解调,不仅省去了繁杂的模拟运算电路,而且达到了极高的解调精度尤其重要的是,通过软件解调运算,我们可得到运算中间各过程的波形图,也可以分析出各种误差和产生误差的原因,并对硬件解调电路的设计有指导意义1信号解调原理图1 基于3 3耦合器的全光纤M -Z 干涉仪F ig.1 F iber opt ic M -Z interfer ometer basedon 3 3coupler 基于3 3耦合器的光纤M -Z 干涉仪如图1所示干涉仪的输入端是一只2 2耦合器,输出端是一只3 3耦合器,外调制信号加在干涉仪的传感臂上在理想等分光比情况下,3 3耦合器的三个输出端互成120 ,干涉仪的输出可以表示为f n (t)=C +B cos (t)-(n -1)23 Ha (1)收稿日期:1997-07-07n =1,2,3,分别代表第一、二、三路输出 (t)是干涉仪两臂的光程差,若最大光程差(相位)为A ,则(t )=A cos(2 f t)(2)其中f 是外调制频率从干涉仪的输出端解调出振动信号 (t )的原理如图2所示由于干涉仪3个输出相位是互补对称的,所以三项相加仅剩直流C ,从干涉仪的输出减去直流因子C ,则仅剩干涉信号的条纹部分a 然后分别对三个条纹函数求微分,得d ,e,f 项,在此三项中相位 (t )的导数放在了sin 函数外面,进行a(f -e)运算是为了构成cos 2[ (t)-(n -1) 2 /3]函数(n =1,2,3),这三个函数相加等于1,消去了cos 函数项,仅剩[ (t )] ,在[ (t )] 的系数中还带有条纹衬比(度)B,因此还要计算出B ,从[ (t)] 的系数中消去B 的影响,积分后即可得到 (t)图2 信号解调原理框图Fig.2 T he diag ram of the software demodulator2信号的软件解调方法若外部调制信号的频率f =80Hz,干涉仪产生相位调制的最大光程差为4 ,则 (t)=4 cos(2 f t ),将 (t)代入式(1)得到三路干涉仪的输出干涉仪的激励和3个输出如图3所示分别与式(1)中的三个函数对应将此输出送入软件解调器,图4是解调器信号处理的中间过程,图4中的6个图从上到下分别对应图2中的a 、d 、A m *a(f -e)、N 、D 图3 干涉仪的输入与输出和N /D ,图5是输入信号和解调器的输出信号, Fig.3 T he input and output of interferometer上面是输入干涉仪的信号,下面是用软件解调后的输出信号,由此可见干涉仪的输入信号被准确地解调出来1532期江毅等基于对称3 3耦合器的光纤干涉信号的软件解调技术振动信号中常常含有高次谐波成分,图6是振动信号为 (t)=4 (2 f t)+2 sin(6 f t)+ sin(12 f t)时,干涉仪的输入波形与软件解调器的输出波形,可以看到解调后信号的高频部分出现了轻微的噪音,但还是能够准确地解出调制信号实际上,3 3耦合器的分光比不可能做到完全相同,因此干涉仪的3个输出并不是象式(1)所描述的那样,是理想的对称情况,而是存在一定的偏差图7讨论了有 10 不对称偏差的影响该图所用的外部调制函数 (t)=5 sin(2 f t),图中的5个图分别是N、D、N/D、 (t)和解调后的输出不对称性对a、d、A m(f-e)和N都没有影响,但对D一项有影响,它使直流信号的D(反映条纹对比度的大小)上叠加了谐波信号,因此N/D上携图4 信号解调的中间过程F ig.4 T he middle step of demodulation带有谐波,但这一谐波能够被后续的积分有效地滤除从该图看出,干涉仪相位不对称时,在一定范围内对解调出的信号没有什么影响用TC++编程,在AMD5K86-133机器上运算,计算一次的时间为0 034s 即用软件解调可以实时处理最高29H z的振动信号,若用Pentium ,300MHz主频的CPU芯片,应该可以实时处理信号的最高频率大于100H z 实际上,可以用近似实时处理的方法,在较低档机器中实现高频振动信号的探测,方法是采集一组数据处理后再采一组数,再处理图5 输入与解调出的信号比较Fig.5 Comparision betw een input and output 图6 有高次谐波时的解调情况Fig.6 A compar ision of input and output w hen thesig nal has high fr equency components图7 3 3耦合器不对称的影响Fig.7 T he influence of non-symmetric3 3coupler3 小结用对称3 3耦合器制作的光纤干涉仪的信号解调不需调制光源或调制干涉仪的臂长,稳定、可靠、154 光子学报 27卷简便,但信号处理相对较复杂本文提出的软件解调的方法能够准确地实现信号的解调,在调制频率较低时,可以实时解调出信号,在调制频率较高时,也可以准实时解调出信号用软件解调干涉仪号还能够分析系统的性能,对硬件解调电路的制作有指导性意义李岙然同学在毕业设计中参加了部分工作,在此感谢参考文献1 L iu K exing,M easures R M.Sing nal processing techniques for interferometric fiber -o ptic strain sensors.J of Intell M eter Systand Struct,1992,3:432~4612 Br own D A ,Cameron B,K eolian R M ,Gardner D L,Garrett S L.A symmetric3 3coupler based demodulator for fiber op -tic interferometric sensors.SPI E,1991,1584:328~335SOFTWARE DEMODULATION FOR 3 3COUPLERBASED FIBER OPTIC INTERFEROMETERJiang Yi,Lou Yingming,Wang H uiwenBeij ing I nstitute of T echnology ,Beij ing 100081Received date:1997-07-07Abstract It needs com plicated computation for the demodulation of fiber optic interference sensor based on 3 3coupler.A softw are demodulation technique is developed in this paper w hich can replace the analog computation.It is more important that w e can get the waveforms of m iddle step and analyse the error by means of the software demodulation.Keywords Interference;Demodulation;Softw areJiang Yi was born in 1967.H e received a MSc Eng deg ree in 1993and Ph.D.de -g ree in 1996from Chongqing U niversity.He has published more than 30papers.Now ,his research fields include fiber optic sensors,optic measurement.1552期江毅等基于对称3 3耦合器的光纤干涉信号的软件解调技术。

基于3×3_干涉仪和相位信号解调的信号采样对激光噪声的影响

第 31 卷第 7 期2023 年 4 月Vol.31 No.7Apr. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering基于3×3干涉仪和相位信号解调的信号采样对激光噪声的影响李光波1，延凤平1*，秦齐1，周凌云1，刘艳1，冯亭2*（1.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；2.河北大学物理科学与技术学院光信息技术创新中心，河北保定 071002）摘要：提出了一种基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪和相位信号解调的激光器线宽测量系统，基于相位信号解调的微分交叉相乘算法，可对所采信号进行高速实时处理，快速给出待测激光器的频率噪声信息和线宽值。

该系统光路结构简单，无须主动控制，测量结果重复性高。

考虑采样信号是否同时包含源信号的最大值和最小值这一重要问题，在仿真和实验两种情况下着重讨论了对源信号进行采样窗口为0.5，0.4，0.1，0.05和0.01 s的采样对所测试激光器频率噪声功率谱密度的影响。

仿真和实验均表明，使用采样窗口为0.1，0.05和0.01 s未同时包含源信号的最大值和最小值的采样信号计算获得的激光频率噪声功率谱密度幅值偏高。

进一步使用β-分割线法对1.5 μm波段商用激光器和实验室自制的2 μm波段激光器进行线宽测量验证，结果表明，使用同时包含源信号最大值和最小值的采样信号处理得到1.5 μm波段商用激光器的线宽值在测量时间为2 ms时为5 kHz，同时本结论可拓展至全波段适用。

关键词：单频窄线宽激光器；线宽测量；频率噪声；相位信号解调中图分类号：TN248 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233107.0982Effect of signal sampling on laser noise based on3×3 interferometer and phase signal demodulation LI Guangbo1，YAN Fengping1*，QIN Qi1，ZHOU Lingyun1，LIU Yan1，FENG Ting2*（1.School of Electronic and Information Engineering， Beijing Jiaotong University，Beijing 100044， China；2.Photonics Information Innovation Center， College of Physics Science ＆ Technology，Hebei University， Baoding 071002， China）* Corresponding author， E-mail： fpyan@；wlxyft@Abstract：A laser linewidth measurement system based on an unbalanced Michelson interferometer achieved using a 3 × 3 coupler and phase signal demodulation is reported in this study. The signal process⁃ing section is based on phase signal demodulation technology， which can process the signal in real time and at high speed. Therefore， the frequency noise and linewidth of the laser under test could be obtained quick⁃ly. The system features a simple optical path structure， no active control， and stable repeatability of mea⁃surement results. However， it is necessary to consider whether the sampled signal contains the maximum 文章编号1004-924X（2023）07-0982-10收稿日期：2022-11-02；修订日期：2022-11-18.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.61827818， No.61975009， No.61975049）第 7 期李光波，等：基于3×3干涉仪和相位信号解调的信号采样对激光噪声的影响and minimum values of the source signal simultaneously when using this scheme. Therefore， the effect on the frequency noise power spectral density of the laser under test is thoroughly discussed with respect to dif⁃ferent sampling windows of 0.5， 0.4， 0.1， 0.05， and 0.01 s. Both simulation and experiment show that the amplitude of the laser frequency noise power spectral density calculated by the signal is too high， and that sampling signals with sampling windows of 0.1， 0.05， and 0.01 s do not contain the maximum and minimum of the source signal. A commercial laser with a wavelength of 1.5 μm and a self-made laser in our laboratory with a wavelength of 2 μm are measured using β-separation line method. The results show that the linewidth of the commercial laser in the 1.5 μm band is 5 kHz， with a measurement time of 2 ms. It also shows that this conclusion can be extended to the entire band.Key words： single-frequency narrow linewidth laser；line width measurement；frequency noise；phase signal demodulation1 引言单频窄线宽激光器线宽窄、噪声低、抗电磁干扰能力强，在光通信、光传感和高精度光谱学等领域有着重要应用［1-6］。

一种基于3×3耦合器构造干涉仪的被动解调新方法

[ 5]
涉仪来解决由于 2×2 耦合器带来的 P / 2 相位偏差, 提高系统的灵敏度。此后, 用 3×3 耦合器构造干涉型光纤传感器由于其特殊的优越性, 已越来越受到重视。此类光纤传感器大多可以得到至少 2 路具有一定相位差的干涉输出信号。因此, 如何快速准确的提取出相位信息成为一个至关重要的因素。目前干涉型光纤传感器的解调一般采用相位生成载波 ( PGC) 技术和基于 3× 3 光纤耦合器干涉的被动解调技术。PGC 技术的主要缺点是: 低通滤波器的使
2 2 n= 1 2 1 n
( 11)
从上面的推导过程中可以看出, 当有一路信号的
第 4 期
一种基于 3× 3 耦合器构造干涉仪的被动解调新方法
343
灵敏度降到 0 附近时, 另一路输出信号的灵敏度不为 0, 因此, 交替使用 2 路信号, 可以消除单路信号的不灵敏区, 提高整个系统的灵敏度。采用该方法, 就不存在式( 10) 、 ( 11) 中, 分母为 0 的情况, 也就是说, 不存在系统灵敏度降低到 0 的情况。从解调结果式( 10 ) 、 ( 11) 看, 没有因子 y 0 ( n) 的出现, 所以可以有效克服光源的不稳定等微扰给结果带来的偏差。因为上面的计算过程没有用到反三角函数、微积分等复杂的函数, 所以该方案不仅可以用基于计算机的软件实现, 而且硬件电路实现也很方便。当然, 所有的上面的结论, 都是在满足 ( 1) 、 ( 2) 2 个近似条件下得出的, 近似会给结果带来一定的误差, 但是这种误差可以满足大多工业的要求, 从下面的实验中能够得到验证。为了验证上面的计算方法, 作者特意设计了 2 组对比模型信号( Ⅰ) 、 ( Ⅱ) , ( Ⅱ) 组中模拟信号的幅值随时间最大能够变化 50% ( 考虑在 1 个周期内的变化) , 编制处理程序, 处理结果如图 1 所示。 ( Ⅰ) : y 1 = cos( 2P sin( y 2 = cos( 2P sin( ( Ⅱ) : y 1 = [ 1- 0. 05t ] cos ( 2P sin( y 2 = [ 1- 0. 05t ] cos ( 2P sin( 2P t )) 10 2P t P )+ ) 10 2 2P t )) 10 2P t P )+ ) 10 2

干涉型光纤振动传感器定位精度及解调算法研究

太原理工大学博士研究生学位论文干涉型光纤振动传感器定位精度及解调算法研究摘要分布式光纤传感具有本征安全、抗电磁干扰、耐腐蚀、可大范围连续监测等优势，近年来得到了国内外的广泛关注。

振动传感作为分布式光纤传感领域中主要的研究方向之一，在民用设施周界安防、油气管道安全监测、桥梁结构健康监测、军事基地入侵预警等领域具有广阔的应用前景。

干涉型光纤振动传感技术包括前向传输光干涉型和后向散射光干涉型两类。

基于前向传输光干涉型光纤振动传感器，如萨格纳克（Sagnac）干涉仪和马赫泽德（Mach-Zehnder）干涉仪，是将被测的振动信号转换为光纤中前向传输光的相位变化，再通过干涉将相位变化转换成光强变化。

它结构相对简单、响应速度快，但振动定位精度较低。

而后向散射光干涉型光纤振动传感器，如相位敏感光时域反射仪（phase-sensitive optical time domain reflectometer，Φ-OTDR），是利用高相干光脉冲在光纤中传输时产生的后向瑞利散射光的干涉效应，通过建立后向散射光信号与时间的关系获得振动位置信息，其定位精度高，但存在振动信号解调复杂以及实时性不高等问题。

本文围绕干涉型光纤振动传感器的定位精度及解调算法开展研究，主要内容包括：（1）研究了基于混沌光源的Sagnac高精度振动定位系统，利用外腔反馈半导体混沌激光器作为系统光源，再结合振动频谱中的高阶零频点进行定位。

实验了在12.101 km长的传感光纤上22 m的振动定位误差。

太原理工大学博士研究生学位论文（2）研究了基于计数脉冲方法的Mach-Zehnder高精度振动定位系统，将调制后的周期性脉冲序列后注入到干涉结构中，通过分析干涉脉冲序列包络特征定位振动发生的位置。

实验结果表明，当脉冲宽度为20 ns时，在总长940 m的传感光纤长度上，振动定位误差为9 m。

（3）研究了基于包络正交解调算法的Φ-OTDR振动相对振幅表征方法。

一种改进的光纤水听器3×3耦合器解调算法

一种改进的光纤水听器3×3耦合器解调算法作者：高晓文张自丽叶博葛辉良来源：《声学与电子工程》2019年第03期摘要3×3耦合器解调方案能有效提高光纤水听器信号解调的动态范围。

但由于耦合器分光比的非理想对称性，常规解调方案会引起信号解调误差。

文章利用3×3耦合器两路输出信号的利萨如图结合椭圆拟合的方法获取通道参数，完成了3×3耦合器3路输出信号的预处理，有效降低了耦合器分光比差异引起的信号畸变。

经测试，光纤水听器两臂光程差5 m、系统采样率500 kHz的条件下，2 kHz处噪声功率谱密度-95 dB/Hz，动态范围124.5 dB，改进后的解调算法降低了对3×3耦合器对称性的要求，符合理论预期。

关键：词光纤水听器;动态范围;信号解调;PGC解调;3×3耦合器光纤水听器具有传感与传输一体、湿端无电子器件，不易受电磁干扰、适用于大规模阵列复用等优点，己应用于拖曳线列阵声呐、宽孔径阵舷侧阵声呐、海底布放岸基声呐等。

光纤水听器一般采用干涉式结构，利用待测声压对干涉仪两臂的调制将声压信号转换为光学相位信息，并通过光学相干检测的方法获取声压信息，因此，信号检测技术是光纤水听器的关键技术之一。

目前，国内的光纤水听器研制单位普遍采用相位调制载波（PhaseGenerated Carrier，PGC）调制解调方案作为光纤水听器的信号检测手段，通过引入载波对待测信号进行调制，使得待测信号位于调制信号的边带上，再利用微分交叉相乘（Differentiate Cross MultiplY，DCM）算法得到待测信号。

为了避免边带间的信号频率混叠，待测信号的频率以及动态范围受制于载波的频率。

与之相比，3×3耦合器解调方案不需要引入载波调制，利用3路输出信号之间的相位关系结合数字信号处理技术即可获取待测信号，实现简单，运算量小，待测信号的频率以及动态范围受制于采样频率，动态范围较PGC解调方案大。

采用3×3耦合器的分布反馈式光纤激光传感器解调技术

ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒ，Ｅ — ｍａｉｌ：ｒ，ｙｊ９８＠１６３．ｃｏｎｒ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ３ ×３ｃｏｕｐｌｅｒ－ｂａｓｅｄＭｉｃｈｅｌｓｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏ
关
键
词：分布反馈式光纤激光传感器；３× ３耦合器；被动零差解调
文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３７８８／ｆｇｘｂ２０１７３８０３．０３９５
中图分类号：ＴＮ２５３；ＴＰ２１２．１４
法动态范围高于反正切算法，微分器的幅频特性不理想会减小解调动态范围。在采样频率为１２５ｋＨｚ、信号
频率为１ｋＨｚ、干涉仪非平衡路径为１００ｎｌ时，ＮＰＳ算法与反正切算法的动态范围分别达到９６ｄＢ和９０ｄＢ。用解调前调校的方法，基于３× ３耦合的解调方法动态范围大，能够实现稳定解调，满足工程应用要求。
ｕｓｅｄｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｉｎ — ｄｅｐｔｈｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ．ｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｔｈｅ３×３ｃｏｕｐｌｅｒ — ｂａｓｅｄｄｅｍｏｄｕｌａ－

基于3×3耦合器的光纤光栅温度传感器解调系统

基于3×3耦合器的光纤光栅温度传感器解调系统杜洋;衣文索;刘丹;荆涛【摘要】针对光纤光栅的温度应变交叉敏感问题,提出了一种管式光纤光栅温度传感器,使用外径8mm、内径6mm、长9cm的不锈钢管作为材料,制作了只对温度敏感的光纤光栅传感器,实验表明,传感器呈现良好的温度线性,温度灵敏系数为9.72pm/℃,稳定性好.在此基础上,采用了基于3×3耦合器的干涉型光纤光栅温度解调方案,详细的推导了信号解调过程,经过实验验证了解调方法的可行性及稳定性,实验结果表明,温度测量系统在40℃～100℃的测量范围内温度测量误差小于0.1℃,达到了工程应用的要求.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(042)002【总页数】5页(P17-21)【关键词】光纤光栅;3×3光纤耦合器;光纤传感器【作者】杜洋;衣文索;刘丹;荆涛【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022【正文语种】中文【中图分类】TN253随着光纤光栅的制作技术不断成熟，光纤光栅传感技术，特别是布喇格光纤光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）传感技术发展迅速并广泛应用于温度测量领域，与传统的电学传感器相比，光纤光栅传感器具有本质无源、能探测外界微小变化、尺寸小、制作成本低，可以在恶劣环境中使用等优点。

光纤光栅是一种波长调制型传感器，通过将外界的物理量转化成中心波长的变化来实现对外界信息的感知［1-3］。

由于被传感的物理量信息调制在光纤光栅传感器的中心波长上，因此如何精确、低成本、高速的解调出光纤光栅中心波长的变化是光纤光栅技术的核心。

目前的光纤光栅解调方法可分为光谱仪检测法、可调谐窄带光源解调法、可调谐光纤F-P滤波器法、匹配滤波法、衍射解调法、边缘滤波法和干涉法等七种，其中干涉解调法的分辨力最高，具有精度高、成本低、体积小的优点，这种方法是将光纤光栅的中心波长的变化转化成干涉仪的相位变化，从而实现解调［4-6］。

《干涉型光纤振动传感器定位精度及解调算法研究》

《干涉型光纤振动传感器定位精度及解调算法研究》篇一摘要：本文针对干涉型光纤振动传感器（Interferometric Fiber-optic Vibration Sensor，IFVS）的定位精度及解调算法进行了深入研究。

首先，介绍了IFVS的基本原理和结构，然后详细探讨了影响定位精度的关键因素，包括信号噪声、传感器参数以及光路干扰等。

同时，针对不同场景提出了优化解调算法的思路与实验验证，以提升传感器定位精度。

最后，总结了研究成果，并展望了未来研究方向。

一、引言随着光纤传感技术的不断发展，干涉型光纤振动传感器因其高灵敏度、抗电磁干扰等优势，在安防监控、工业检测等领域得到了广泛应用。

其工作原理主要基于光波干涉现象，通过分析光信号的变化来感知外界振动信息。

然而，传感器在实际应用中存在定位精度不高的问题，这主要源于信号噪声、传感器参数以及光路干扰等因素的影响。

因此，研究IFVS的定位精度及解调算法具有重要的理论和实践意义。

二、干涉型光纤振动传感器基本原理与结构IFVS主要由光源、光纤环、光电探测器等部分组成。

当外界振动作用于光纤环时，会引起光程差的变化，进而导致光波干涉现象的发生。

通过探测干涉信号的变化，可以感知外界振动信息。

IFVS具有结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，但其在定位精度方面仍有待提高。

三、影响定位精度的关键因素1. 信号噪声：信号噪声是影响IFVS定位精度的主要因素之一。

包括光路噪声、电子噪声等，这些噪声会降低信号的信噪比，从而影响定位精度。

2. 传感器参数：传感器的参数设置也会影响定位精度。

如光纤环的长度、光源的波长等参数的选择都会对传感器的性能产生影响。

3. 光路干扰：在实际应用中，光路可能会受到其他光源或物体反射光的影响，导致信号失真，进而影响定位精度。

四、解调算法优化研究针对上述问题，本文提出了以下优化解调算法：1. 噪声抑制算法：通过数字信号处理技术，对采集到的信号进行滤波处理，有效抑制噪声，提高信噪比。

三维非对称干涉结构光照明超分辨显微系统和应用研究

2023-10-29•研究背景和意义•国内外研究现状及发展趋势•三维非对称干涉结构光照明超分目录辨显微系统•应用研究•研究成果与讨论•参考文献01研究背景和意义1 2 3干涉仪是一种能够测量和记录波动的仪器，它的进步为非对称干涉结构光照明超分辨显微系统的研究提供了基础。

干涉仪的发明和进步传统的光学显微镜在分辨率和清晰度上存在局限性，这使得科学家们探索新的显微技术变得必要。

光学显微镜的局限性在生物医学领域，对高分辨率和高清晰度显微镜的需求越来越高，以便更好地观察和研究细胞和其他生物样本。

生物医学领域的需求1 2 3非对称干涉结构光照明超分辨显微系统可以突破传统光学显微镜的分辨率和清晰度限制，提供更清晰、更精细的图像。

突破传统光学显微镜的限制这种新技术可以应用于生物医学领域，帮助科学家们更好地观察和研究细胞和其他生物样本，从而推动该领域的发展。

推动生物医学领域的发展非对称干涉结构光照明超分辨显微系统不仅可以在生物医学领域应用，还可以扩展到其他领域，如材料科学、纳米技术等。

促进其他领域的应用02国内外研究现状及发展趋势国内在三维非对称干涉结构光照明超分辨显微系统领域的研究起步较晚，但近年来发展迅速。

一些研究机构和高校开始加大对该领域的投入，积极引进国际先进技术，并取得了一些重要成果。

例如，中国科学院生物物理研究所研发出一种基于结构光照明和光学超分辨成像技术的显微镜，能够实现亚细胞级别的分辨率。

国内研究现状在国外，三维非对称干涉结构光照明超分辨显微系统已成为生物医学领域的研究热点。

一些国际知名高校和科研机构，如斯坦福大学、哈佛大学、牛津大学等，都在该领域开展了深入研究，并取得了一系列重要成果。

例如，斯坦福大学的研究人员开发了一种基于光学镊子和结构光照明技术的超分辨显微镜，能够实现对细胞内部微小颗粒的精确操控和观察。

国外研究现状国内外研究现状技术创新随着科研技术的不断发展，三维非对称干涉结构光照明超分辨显微系统将会不断改进和完善。

干涉型光纤传感器及pgc解调技术研究

第二章干涉型光纤传感器及ＰＧＣ解调算法理论分析第二章干涉型光纤传感器及ＰＧＣ解调算法理论分析干涉型光纤传感器属于相位调制型光纤传感器，它通过干涉的方法使得待测信号包含在干涉信号的相位信息中，由于其结构简单、成本低、灵敏度高，是目前使用比较广泛、最有前途的一种光纤传感器。

对于相位调制信号，解调一般采用同步解调方法，其实质是信号频谱的线性搬移过程。

而用于干涉型光纤传感器的相位生成载波调制解调方法解调思路也是基于此原则，它是通过在被测信号带宽以外的某一频带之外引入大幅度的相位调制，使得被测信号位于调制信号的边带上，再分别与单倍频和二倍频信号混频后将被测信号搬移到零频附近经过低通滤波后得到两个相互正交的信号，再通过对这两个相互正交的信号经过微分交叉相乘算法或反正切算法处理后最终实现待测信号的解调。

本章中，对本课题的基于Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉结构的光纤传感器的传感原理及相位生成载波调制解调（ＰＧＣ）技术的数学模型进行详细的理论分析，同时比较分析了几种ＰＧＣ改进算法及其各自的优缺点，这对于设计干涉型光纤传感系统采用何种解调方法提供一定的参考价值。

２．１干涉型光纤传感器传感原理分析本课题采用的Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉型光纤传感器如图２．１所示，根据耦合模理论，∞Ｏ图２－１Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉型光纤传感器测器对图２一ｌ所示的Ｍａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的传感过程进行详细的理论分析推导，假设ＬＤ输出光的电场强度为吒，经耦合器ｌ输出为巨＝正，瓦易＝以。

如（２—１）（２－２）ＧＣＯＳｃｏｏｔ图２－８基频混频ＰＧＣ解调算法，＝彳＋Ｂｃｏｓ（ｃｃｏｓ‰ｆ＋缈Ｏ））（２—２４）其中缈（ｆ）＝Ｄｃｏｓｃｏｓｔ＋‰（ｆ），根据图２－８所示解调原理框图，干涉信号一路直接经低通滤波，一路与载波基频混频、低通滤波后得到Ａ＋ＢＪ０（Ｃ）ｃｏｓｑ，（，）一ＧＢＪｌ（Ｃ）ｓｉｎｆｏ（ｔ）式（２．２５）、（２．２６）经过微分交叉相乘相减后得到上式积分后得到么倒ｌ（Ｃ）ｓｉｎ口ｏ（ｔ）＋ＧＢ２山（ｃ）以（ｃ）缈。

非对称3×3干涉型传感器解调系统设计

非对称3×3干涉型传感器解调系统设计张诚;王金海;陈才和;张波;岳泉【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2007(34)11【摘要】针对3×3耦合器输出信号的非对称特性,研究并推导了改进型的3×3耦合器解调算法.根据该算法,使用Labview设计了信号处理软件.实现了对非对称3×3耦合器输出信号的软件解调和频谱分析.通过实验,系统的频率测量范围可达10～1000 Hz,相位测量范围为-10～10 rad,相位灵敏度为0.5V/rad.【总页数】6页(P135-140)【作者】张诚;王金海;陈才和;张波;岳泉【作者单位】天津工业大学,信息与通信工程学院,天津,300160;天津工业大学,信息与通信工程学院,天津,300160;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津,300072;天津大学,精密仪器与光电子工程学院,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津,300072;天津工业大学,信息与通信工程学院,天津,300160;天津工业大学,信息与通信工程学院,天津,300160【正文语种】中文【中图分类】TP212【相关文献】1.干涉型光纤传感器相位载波系统解调能力分析 [J], 王凯;武帅;贺胜男;李丹丹;樊彦恩;陈信伟2.新型波长解调技术在干涉型光纤传感器输出解调中的应用 [J], 陈宸;李仙丽;丁晖3.用于干涉型光纤传感器的相位生成载波解调技术研究进展 [J], 刘腾飞;赵海增4.混合干涉型分布式光纤传感器PGC信号解调设计与实验分析 [J], 朱俊;王强;谷小红;杨其华5.干涉型光纤传感器相位解调技术研究 [J], 李鹏;柏楠;陆星因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。