用基于3_3耦合器的干涉仪解调相移光纤光栅传感信号
高稳定的光纤3_3耦合器干涉位移测量系统_李敏
光电子·激光第21卷第2期 2010年2月 Journal of Optoelectronics·Laser V o l.21N o.2 F eb.2010高稳定的光纤3×3耦合器干涉位移测量系统＊李 敏,谢 芳＊＊,陈志敏(北京交通大学理学院物理系,北京100044)摘要:利用光纤3×3耦合器和光纤光栅(FBG),构成能有效补偿环境干扰的光纤干涉位移测量系统。
测量系统含干涉臂几乎重合的两个光纤迈克尔逊干涉仪,其中一个通过反馈环节补偿环境干扰的影响,实现对测量系统的稳定,使系统适合于在线测量;另一个用于完成测量工作。
利用零差干涉相位测量技术对位移进行测量,测量结果的线性相关系数达0.999。
关键词:光纤;稳定;反馈控制;零差干涉;位移测量中图分类号:TP212.14 文献标识码:A 文章编号:1005-0086(2010)02-0235-05High sta bility fiber3×3cou pler interferometric displacement meas urement systemLI Min,XIE Fang＊＊,CHEN Zhi-min(Department of Physics,School of Science,Beijing Jiao tong University,Beijing100044,China)A bst ract:A self-c ompensating fiber interferometric displac ement measurement system which is madewith a fiber3×3coupler and fiber Bragg gratings(FBGs)is presented.The measurement system in-cludes two fiber M ichelson interferometers.One is used to stabilise the system by using an electronicfeedback loop to c ompensate the environmental disturbances,while the other one is used to perform themeasurement task.By means of phase-trac king homodyne technique,the linear regression coefficient ofthe measurement displacement has been0.999.Ke y wor ds:optic al fiber;stabilisation;feedback control;homodyne interferometry;displacement meas-urement1 引 言 光纤干涉仪由于体积小、重量轻、抗电磁干扰、能波分复用、高度集成和价格低廉等优点被广泛应用于精密测量领域,对位移、振动、速度、加速度、应变以及温度等参量进行测量[1～9]。
基于3×3耦合器 Fox-Smith型光纤周界系统的定位技术
基于3×3耦合器 Fox-Smith型光纤周界系统的定位技术任广;江山;闫奇众;印新达;熊岩【摘要】In order to locate the long distance perimeter intrusion , an optical fiber intrusion detection system was promoted based on Fox-Smith interferometer with 3 ×3 coupler as the main component . Theoretical analysis and experimental verification were carried out on the system and its location method .When the impact force acts on the sensor fiber, the optical wave is modulated by the phase .There is phase difference because of the modulation time difference between both the beams .A series oftrap points are gained after the fast Fourier transform of the demodulated phase signal . The results showed the average location error was ±83m when the length of sensing fiber was 34.793km.The system is feasible for long intrusion location and helpful to intrusion detection .%为了对长距离周界入侵进行定位，提出一种使用3×3耦合器作为基本元件的Fox-Smith干涉仪光纤入侵探测系统。
基于3×3耦合器相位解调的光纤声音传感器设计
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 ３ Ｘ３耦
第 ４０卷 第 １期 ２０１６年Ｒ ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ
Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ，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
ｗｕ Ｆｅｎｇ ， Ｂａｉｋｕｎ ，ＹＵ Ｗｅｎｚｈｉ ，ＱＩＡＮ Ｙｉｎｂｏ ，ＨＥ Ｙａｈ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ，２．Ｆｉ— ｂｅｒｈｏｍｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
用3_3耦合器的干涉仪直接解调光纤光栅传感器的信号
文章编号:0253-2239(2004)11-1487-4用3@3耦合器的干涉仪直接解调光纤光栅传感器的信号*江 毅 陈淑芬(北京理工大学光电工程系,北京100081)摘要: 为了简单直接地解调出光纤光栅的波长移动,提出了另外一种非平衡马赫曾德尔干涉仪的直接解调技术。
用一只2@2耦合器和一只3@3耦合器组成非平衡的马赫曾德尔光纤干涉仪,作为光纤光栅的波长移动解调器。
解调器输出的3路信号,互成120b 相位差。
通过对3路输出信号计算的方法,就可以直接解调出光纤光栅的波长移动。
将3路信号采集送入计算机,用软件实现了信号的解调。
测量结果表明,在干涉仪两臂长度相关5m m 时,测量动态应变的分辨率达到了0151n E /Hz 1/2。
还得到了输出信号的频谱和输入输出信号的关系。
关键词: 导波与光纤光学;光纤传感器;光纤光栅;马赫曾德尔干涉仪;3@3耦合器中图分类号:TP21211 文献标识码:A*国家自然科学基金(60277015)资助课题。
E -mail:jy.jy@bi 收稿日期:2003-05-06;收到修改稿日期:2003-07-18Direct De modulation for Signal from Fibe r Grating Sensorsby Interferometer Based on 3@3Couple rJiang Yi Chen Shufen(Departm e nt of Photo -Electr on ics En ginee r in g ,Beijin g In stitute of Technology ,Beijin g 100081)(Received 6may 2003;revised 18July 2003)Abstract: To demodulate wavelength shift of fiber Bragg grating,a new direct -demodulation technique is demonstrated.An unbalanced fiber Mach -Zehnder interferometer comprising a 2@2coupler and a 3@3coupler is used as wavelength discriminator for fiber grating,120b phase difference between the three outputs of interferometer.The wavelength shift of fiber grating can be demodulated directly by calculating three outputs of interferometer.Demodulation is fulfilled by software when signals are sampled and inputted into computer.The minimum detectable dynamic strain of 0.51n E /Hz 1/2can be achieved when the unbalanced length of the beams is 5mm.The spectra of the demodulated signal and the relationship between the input and output are also given.Key words: guidingwave and fiber optics;optical fiber sensor;fiber grating;Mach -Zehnder interferometer;3@3coupler1 引 言光纤光栅的传感器技术是目前最好的一种光纤传感技术。
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：１００１ ３８０６（２０２１）０１ ００２５ ０６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：Ａ ｄｏｉ：１０ ７５１０／ｊｇｊｓ ｉｓｓｎ １００１ ３８０６ ２０２１ ０１ ００５Ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｂａｓｅｄｏｎａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ３×３ｃｏｕｐｌｅｒＬＩＡＮＧＹｕｘｉｏｎｇ１，ＨＵＡＮＧＹｕｈｕａ１，ＷＡＮＧＳｈｅｎｇ１，ＮＩＮＧＮａ２（１．ＺｈｕｈａｉＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＢｕｒｅａｕ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣｏｍｐａｎｙ，Ｚｈｕｈａｉ５１９０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＡｌｌｉａｎＳｔｒｅａｍＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏ ｌｏｇｙＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｘｉ２１４０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ３×３ｃｏｕｐｌｅｒ，ｔｈｅｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃｍｅｄｉａｎｐｈａｓｅｓｈｉｆｔ３×３ａｄｄｅｒｄｕｅｔｏｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙｔｏｅｘｔｅｒｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｔｈｒｅｅ ｗａｙｓｉｇｎａｌｏｕｔｐｕｔｈａｓａｎｕｎｅｖｅｎｓｐｌｉｔｔｉｎｇｒａｔｉｏａｎｄａｎａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｔｈａｔｔｈｅｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｃａｎｎｏｔｍｅｅｔ１２０°，ｗｈｉｃｈｃａｕｓｅｓａｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｃｏｕｌｄｎｏｔｂｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｃｏｒｒｅｃｔｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｎｅｗ３×３ｒｅｐｌａｃｅｒｗａｓｕｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅｍｅａｎｔｗｏａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｐｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓａｎｙｔｗｏｓｉｇｎａｌｓｏｕｔｐｕｔ，ａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｔｈｒｅｅｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｅｐｏｗｅｒａｎｄｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｓｏｆｔｈｅｔｗｏｃｈａｎｎｅｌｓｍａｋｅｔｈｅｎｅｗｔｈｒｅｅ ｃｈａｎｎｅｌｓｉｇｎａｌｓａｆｔｅｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｔｏｂｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｏｕｔｐｕｔ，ａｎｄｔｈｅｎｐｅｒｆｏｒｍａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｅｗｓｃｈｅｍｅｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｒｒｅｃｔｔｈｅａｓｙｍｍｅｔｒｙｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｓｏｆｔｈｅｐｏｓｉｔｉｖｅ３×３ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ａｎｄｃｌａｓｓｉｆｙｉｔ．Ｎｏｉｓｅｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｎｅｗｓｃｈｅｍｅｉｓａｂｏｕｔ１０－４ｍＷａｎｄｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏｉｓａｂｏｕｔ５０ｄＢ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓｃｈｅｍｅ，ｔｈｅｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｏｂｔａｉｎｈｉｇｈｅｒａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｕｎｄｅｒｔｅｓｔ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｓｙｍｍｅｔｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｒｅｐｌａｃｅｒａｎｄｔｈｅａｎｔｉ ｎｏｉｓｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｅｗｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．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（ＧＤ ＫＪＸＭ２０１７２８３７；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
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
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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
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形成两个相互异相的光纤光栅 。这两个异相的光 栅形成 Fabery2Perot 腔 ,起到一种波长选择作用 ,使 原来普通光栅反射谱中的部分波长分量透射过去 , 从而能够在布喇格中心波长处形成窄线宽的透射 光 ,获得较大的相干长度 。使用来实现解调功能的 非平衡 Mach2Zehnder 干涉仪可采用较大的非平衡 长度 ,进而可提高传感信号的放大倍数 ,因此相移 光纤光栅传感器分辨率比普通光纤光栅传感器要 高[4] 。
( Naval Univ. of Engineering , Wuhan 430033 , China)
Abstract : A new demodulation scheme is demonstrated. An unbalanced fiber Mach2Zehnder interferometer which is composed of a 3 ×3 coupler and a 2 ×2 coupler is used as a demodulator. There is a 120 degree phase shift among the three outputs of the interferometer. The signal can be directly demodulated from the three outputs by demodulating circuit composed of high2pass filter , differentiator , difference amplifier , adder and integrator. The result of the cyber2 simulation experiment testified that the scheme had a high sensivity and a relatively wider signal response bandwidth. Key words : phase shifted grating ; fiber optical sensor ; Mach2Zehnder interferometer ; 3 ×3 coupler
直流滤波器的放大倍数 ,则 :
υ i
(
t)
=
K1
i
K2
αβ
iii
KI0
cos
Φ(λ( t) ) -
(i
-
1)
2π 3
+
η(
t)
=
K1
i
K2
αβ
iii
KI0
cos
Γ( t) -
(i
-
1)
2π 3
( i = 1 ,2 ,3)
(7)
Γ( t) = Φ(λ( t) ) + η( t)
(8)
其中 :η( t) 是包括 η0 ( t) 在内所有干扰信号 。
传感器的关键[2] 。目前 ,光纤光栅传感信号解调方 案包括 :边沿滤波器解调 、光纤 Mach2Zehnder 干涉 仪相位载波法解调 、扫描光纤 Fabry2Perot 干涉仪解 调和 CCD 成像解调等 ,但这些解调方案往往不能 同时获得较高的传感灵敏度和较宽的信号带宽[3] 。 本文提出一种基于 3 ×3 耦合器干涉仪对相移光纤 光栅传感信号的解调方案 ,既具有很高的灵敏度 , 又克服以往解调方案对带宽的限制 。
图 2 传感信号解调系统
υ3 ( t) 、υ1 ( t) 、υ2 ( t) 再经由差分放大器和乘法器可
得:
e1 ( t) = υ3 ×(υ2 - υ1 ) =
-
3 K20
K3Γ( t) cos2
Γ( t)
-
4π 3
(11)
同理可得可得 : e2 ( t) , e3 ( t) 。
于是 ,在加法器输出端 ,可获得信号 :
1 相移光纤光栅传感系统
相移光纤光栅是在常规光纤光栅中引入相移 ,
① 收稿日期 :2004203203 作者简介 :李东 (1976 - ) ,男 ,陕西华阴人 ,硕士生 ,blue - night486 @hotmail. com.
第 3 期 李 东 , 张晓晖等 :用基于 3 ×3 耦合器的干涉仪解调相移光纤光栅传感信号 46 1
设相移光纤光栅承在受应力 p ( t) 前后布喇格中心
波长分别为λ0 和 λ( t) ,根据光纤光栅传感机理可
得[3] :
Δλ( t) = λ( t) - λ0 = L p ( t)
(3)
Φ(λ( t) ) = Φ(λ0 ) + ΔΦ(λ( t) )
(4)
其中 : L 为比例系数 ,ΔΦ[λ( t) ]是因波长变化而在
Ψ( t)
=
e1 ( t)
+ e2 ( t)
+ e3 ( t)
=-
33 2
K20
K3Γ( t)
(12) 再经积分器可得到信号 :
Ψ′( t)
=-
33 2
K20
K3 K4Γ( t)
=
K′Γ( t) (13)
其中 K4 为积分器放大倍数 。
把 (6) 、(8) 式代入 (13) 式得 :
Ψ′( t) = K′{Φ[λ( t) ] + η( t) }
关键词 :相移光栅 ;光纤传感器 ;Mach2Zehnder 干涉仪 ;3X3 耦合器 中图分类号 : TP212 文献标识码 :A 文章编号 :1004 - 1699 (2004) 03 - 0460 - 03
随着光纤技术的不断发展和各种光无源 、有源 器件生产技术的日益成熟 ,光纤传感技术已经从理 论研究阶段 ,逐渐走入实用阶段 。光纤光栅传感器 作为一种新型的传感器 ,以其体积小 、灵敏度高 、抗 干扰性强 、便于实现波分复用及适合对各种被测量 物理量进行分布式传感的特点 ,成为传感领域中一 种十分重要的传感元件[1] 。光纤光栅传感器通过 外界参量变化引起其布喇格中心波长变化的机理 来获取传感信息 ,是一种波长调制型光纤传感器 。 可通过对波长的测量获得被传感物理量的信号 。 因此不失真地解调其布喇格波长变化就成为光纤
dΔλ(
t
)
(6)
从式 (2) 、(3) 、(6) 可知 ,外界压力 p ( t) 的变化必将
引起探测系统输出端光强的变化 ,这意味着输出光
强携带了传感信号 ,那么通过解调光强信号可以获
取压力信号 。
2 相移光纤光栅传感系统的解调
图 1 相移光栅传感系统
设干涉仪的三路输出光强为 Ii ( i = 1 ,2 , …,
3) , 其三路光强可表示为 :
Ii
=
Ii0 +
KIi0 cos
Φ(λ( t) )
-
(i -
1)
2π 3
+
η0
(
t)
( i = 1 ,2 ,3)
(1)
其中 : K 为可见度 ,Φ[λ( t) ]是由干涉仪非平衡长
度产生的相位差 ,η0 ( t) 为外界环境的干扰信号 (如
温度漂移所产生的干扰信号) 。Ii0 ( i = 1 ,2 ,3) 为与
微分器后输出为 :
4 62 传 感 技 术 学 报 2004 年
υi ( t)
=-
K0 K3Γ‘ ( t) sin Γ( t) -
(i
-
1)
2π 3
( i = 1 ,2 ,3)
(10)
信号进行模拟仿真实验 。啁啾信号幅值 0102 MPa , 初始频率 1 Hz ,10 s 后频率到达 1 000 Hz ,设λ0 = 1 550 nm ,干涉仪非平衡长度 OPD = 20 mm ,各环节 放大系数分别为 : L = 3 ×10 - 3 nm/ MPa , K0 = 5 , K3 = 6 , K4 = 7 。图 3 中显示了输入 (上图) 与输出 (下 图) 曲线波形一致 ,表示直接解调方案能够比较好 的实现解调 。图 4 中的四幅图从上至下分别还显 示了框图 2 中υ1 、υ1 、L1 及 e1 处的波形 。
2004 年 9 月 传 感 技 术 学 报 第 3 期
Demodulation for Phase Shifted Grating Sensor by Interferometer Based on 3 ×3 Coupler
LI Dong , ZHANG Xiao2hui , HUANG J un2bin
K′Δλ(
t)
=
K″Δλ( t)
(15)
与式 (3) 联立可得 :
Ψ″( t) = K″L p ( t) = K p ( t)
(16)
所以 ,系统输出信号 Ψ″( t) 是一个与外界应力信号
p ( t) 成比例的信号 。因此 ,可以直接解调出外界
传感信号 p ( t) 。
3 仿真实验
为了验证本解调方案的正确性 ,进行了计算机 仿真 。由于外界应力变化的频率范围较大 ,为验证 本方案所独具的较宽信号带宽的特点 ,可采用啁啾
输出光强经光电二极管转换为电流信号 i1 ( t) 、i2
( t) 、i3 ( t) 。三路电流信号进入解调系统 ,分别经
I/ V 转换 、直流滤波后成为携带传感信号的电压信 号υ1 ( t) 、υ2 ( t) 、υ3 ( t) ,设 βi ( i = 1 ,2 ,3) 为光电转
换系数 , K1 i 、K2 i ( i = 1 ,2 ,3) 分别为 I/ V 转换器及
用基于 3 ×3 耦合器的干涉仪解调相移光纤光栅传感信号 ①
李 东 , 张晓晖 , 黄俊斌
(海军工程大学 , 武汉 430033)
摘要 :提出了一种用非平衡 Mach2Zehnder 干涉仪解调相移光纤光栅传感信号的新方案 。非平衡 Mach2Zehnder 干涉