光纤传感原理与应用 尚盈 电子课件 第五章.光纤解调技术

第五章

光纤解调技术分布式光纤传感技术与应用分布式光纤传感技术与应用5.25.1目录/C

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S强度解调光栅匹配法边缘滤波法光栅啁啾法5.1.3激光匹配法5.1.3射频探测法波长解调5.2.1干涉解调法分布式光纤传感技术与应用相位解调5.45.3频率解调频率调制基本原理光纤多普勒流速测量技术5.4.1干涉仪的信号解调目录/C

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S5.2.2滤波解调法分布式光纤传感技术与应用5.5偏振态解调偏振基础理论偏振拍频调控偏振解复用目录/C

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S5.4.3

PGC解调算法5.4.4

I/Q解调算法强度解调的方案结构简单,适合短距离且信噪比要求不太高的场合,受激光器相位噪声影响较小。强度解调过程如图5.1所示，先将光信号进行光学滤波,滤除中心波长以外的其他噪声，光电探测器将光信号转成电信号,将获得的信号进行放大，然后将信号进行滤波，保证只将有用信号进行放大。强度解调型FBG传感器是通过测量传感FBG的光强或光功率来解调被测参量的传感器,其传感系统通常由光源、传感头、光信号传输器件和解调模块四部分组成，而解调模块中方案的选择直接决定了系统成本的高低和系统的精度,是传感系统的关键部分。强度解调过程图5.1强度解调带通滤波器低通滤波器光电探测器放大器光信号5.1强度解调5.1强度解调光电探测器13dB耦合器2FBG2光电探测器2光栅匹配法原理图5.1.1光栅匹配法FBG1为传感光纤,FBG2为参考光纤,二者的反射波长接近,反射带部分重合,因此称为匹配FBG。宽带光源(BBS)发出的光经耦合器1进入FBG1,其反射光经过耦合器1和2后成为FBG2的入射光。当被测量的

是FBG2反射回来的光强(两FBG反射谱的重叠部分)时，称为反射型光栅匹配法;当被测量的是透过FBG2的光强(两FBG反射谱的未重叠部分)时，称为透射型光栅匹配法。3dB耦合器1

FBG1BBS5.1强度解调5.1.1光栅匹配法5.1强度解调3dB耦合器1FBGBBS3dB耦合器2过滤器光电探测器探测线路边缘滤波法原理图5.1.2边缘滤波法5.1强度解调5.1.2边缘滤波法5.1强度解调5.1.2边缘滤波法5.1强度解调BBS耦合器1FBG光电探测器强度反射率光栅啁啾法原理图5.1.3光栅啁啾法光栅啁啾法是将被测参量的变化与FBG的啁啾效应联系起来，通过测量FBG的反射带宽或反射光功率，来测量被测参量信息的方法，其原理如图所示。FBG的啁啾效应就是在光纤内部折射率变化不是等间距的分布，这种光栅，由于其折射率间隔不同，导致不同波长的光在这种光栅中的不同位置满足布拉格条件得以反射。5.1强度解调5.1.3光栅啁啾法激光匹配法的原理如图5.1.5所示，光源为窄线宽激光器，经光纤耦合器照射FBG，反射回来的光用光电探测器测量。该方法的关键是窄线宽激光器的波长要定位于FBG反射峰边缘的中部。当传感

FBG的波长改变时，FBG的反射谱发生移动，而激光器的波长不动，则FBG反射回来的光功率发生变

化,如此获得被测参量的信息。5.1强度解调窄线宽激光耦合器FBG光电探测器激光匹配法原理图5.1.4激光匹配法射频探测法是将传感FBG反射回来的射频调制信号与参考FBG反射回来的射频调制信号叠加进行光电转换,通过监测获得的射频信号的强度进行传感测量的方法。5.1强度解调光源电光调制器射频信号参考FBGFBG环形器单模光纤频谱分析光电探测器射频探测法原理图5.1.5射频探测法5.1强度解调5.1.5射频探测法5.1强度解调5.1.5射频探测法5.2波长解调5.2波长解调其中不等臂长产生的相位差是宽带光源

隔离器反馈放大系统数据处理系统积分器3dB耦合器光纤光栅PTZ光电探测器差分放大器非平衡M-Z干涉仪非平衡M-Z型干涉解调结构图5.2.1干涉解调法1.非平衡M-Z型干涉解调法1992年，A.D.Kersey提出了非平衡M-Z干涉解调法。原理结构如图所示，一束宽带光源经过隔离器、3dB耦合器入射到传感光纤光栅上，然后反射光通过3dB耦合器进入不等臂长的M-Z干涉系统。该方法分辨率较高，被广泛应用在高精度测量中。根据干涉仪原理，光电探测器检测到的输出光强为5.2波长解调5.2.1干涉解调法5.2波长解调平衡迈克尔逊干涉仪，干涉仪受到压电陶瓷(PZT)的驱动。根据干涉相关原理，两束光的光程差发生微小变化时，干涉条纹的相位会随之发生变化。两束反射光在耦合器处产生干涉光，经过探测器后与PZT驱动信号分别作为待测信号和参考信号输入到相位计，相位计中显示的数据与在传感光栅上施加的待测应变大小有关。非平衡迈克尔逊干涉解调结构图光源示波器信号发生器滤波器相位计镜面PD放大器PZT迈克尔逊干涉仪5.2.1干涉解调法2.非平衡迈克尔逊(Michelson)干涉解调法宽带光源经过传感光栅，变化为窄带光进入非5.2波长解调5.2.1干涉解调法5.2波长解调BBSPD光电探测器边沿滤波法解调结构图3dB耦合器传感FBG5.2.2滤波解调法5.2波长解调5.2.2滤波解调法5.2波长解调BBS光电探测器3dB耦合器23dB耦合器1参考

FBG2BBS3dB耦合器1光电探测器参考

FBG2传感FBG1（a）反射式匹配光纤光栅调谐滤波法（b）透射式匹配光纤光栅调谐滤波法5.2.2滤波解调法2.匹配光纤光栅调谐滤波解调法解调方案如图所示，(a)为反射式，(b)为透射式。5.2波长解调5.2.2滤波解调法5.2波长解调5.2.2滤波解调法5.2波长解调5.2.2滤波解调法5.3频率解调5.3.1频率调制基本原理sO光学多普勒效应原理5.3频率解调5.3.2光纤多普勒流速测量技术5.3频率解调光束1光束2前方散射形成的干涉条纹5.3.2光纤多普勒流速测量技术5.3频率解调5.4频率解调5.4.1干涉仪的信号解调本节以马赫-泽德尔型干涉仪为例说明干涉信号的解调技术。我们需要采用信号处理的方法,从干涉仪输出的变化光强中解调出相位变化信号,从而进一步得出传感信号。根据参考臂中光频率是否改变,可将这些解调技术分成两大类一类是零差方式(Homodyne),另一类是外差方式(Heterodyne)。在零差方式下,解调电路直接将干涉仪中的相位变化转变为电信号。零差方式又包括主动零差法(Active

Homodyne

Method)和被动零差法(Passive

Homodyne

Method)。外差方式包括普通外差法、合成外差法和伪外差法。1.主动零差法在主动零差法中,需要“主动”地控制干涉仪参考臂的长度,使得干涉仪工作在正交工作点处。常见的主动零差法包括两种，即主动相位跟踪零差法和主动波长调谐零差法。5.4频率解调5.4.1干涉仪的信号解调5.4频率解调5.4.1干涉仪的信号解调5.4频率解调5.4.1干涉仪的信号解调5.4频率解调5.4.1干涉仪的信号解调5.4频率解调5.4.1干涉仪的信号解调5.4频率解调5.4.1干涉仪的信号解调5.4频率解调5.4.1干涉仪的信号解调5.伪外差法伪外差法可以不用移频器件。在伪外差法中,常用一个锯齿波调制激光器的工作电流,而相应的干涉仪则必须是非平衡的，即保证一定的光程差。电流调制的作用是为了调制激光器的频率。光源频率的改变造成干涉仪中的相位变化为：当锯齿波处于上升沿阶段时,频率的线性改变导致干涉仪中相位的线性改变。通过调整锯齿波的波形可以使得一个锯齿波调制周期内干涉仪相位改变m个整周期,从而在干涉仪中引人了所需要的外差载波。5.4频率解调可用前面提到的鉴相器或者锁相环电路提取出最终所需的相位调制信号。在三类外差法中,普通外差法的相位解调范围最大，在理论上没有限制。但需要特殊的移频器件。合成外差法的相位解调范围也很大,但是解调电路的复杂性也最高。伪外差法在各方面的性能比较平衡,是现在常用的外差解调方法。三种外差解调方法都对激光器的相位噪声很敏感。5.4.1干涉仪的信号解调在干涉仪的输出部分需要使用带通滤波器提取调制频率的第次谐波信号,并消除锯齿波信号回扫部分(即锯齿波从最大值回到最小值的部分)对解调信号的影响。第m次谐波信号为：5.4频率解调5.4.2

3×3耦合器解调算法激光器FRMFRMPD4PD3PD2PD1耦合器耦合器解调法是一种无源零差的解调方案(信号臂和参考臂之间不存在频率差)，该解调法属于被动相位调制型方法。如图所示为3×3耦合器干涉仪结构，输出端的3路信号存在120°的相位差，采用3个型号相同的光电探测器同时对耦合器的3路输出信号进行探测。S456132环形器3×3耦合器干涉仪结构图5.4频率解调5.4.2

3×3耦合器解调算法5.4频率解调5.4.2

3×3耦合器解调算法5.4频率解调5.4.2

3×3耦合器解调算法cfadbeMN5.4频率解调5.4.2

3×3耦合器解调算法5.4频率解调5.4.2

3×3耦合器解调算法5.4相位解调5.4.3

PGC解调算法5.4相位解调5.4.3

PGC解调算法5.4相位解调5.4.3

PGC解调算法5.4相位解调5.4.3

PGC解调算法5.4相位解调解调原理推导如下，如下图所示5.4.3

PGC解调算法激光器PD

PM

耦合器HPFPGC解调原理5.4相位解调主动波长调谐零差法略有不同，干涉仪的输出信号经过处理后上两式中均含有外部环境的干扰，为了克服信号随外部的干扰信号的涨落而出现的消隐和畸变现象，采用微分交叉相乘技术。从低通滤波器出来的信号分别通过微分电路，得到微分后的信号为交叉相乘后得到的两项分别为5.4.3

PGC解调算法5.4相位解调5.4.3

PGC解调算法5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法数字正交相位解调（I/Q解调）最早应用于通信技术中，利用载波信号与载波调制后的信号混频，然后通过低通滤波得到调制信号，避免了探测器热噪声对微弱信号的干扰，从而保证解调的准确性。适用于I/Q解调的基本光电结构如图所示。后向瑞利散射光信号TIA本地光信号适用于I/Q解调的基本光电结构5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法5.4相位解调耦合器输出的光强为经过三角函数变换得上式中共有五项，其中前两项组表示光强的直流部分，第三项和第四项的频率在光频量级，现有的光探测器都无法达到这么高的响应速度，故这两项不对探测器产生影响，最后一项为光强信号的交流部分，即拍频信号。5.4.4

I/Q解调算法5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法解调器I/Q解调流程图如图5.4.7所示，算法主要分为混频、滤波、解调三部分。混频部分是将采集到的S(n)信号分别与正交的同频率信号相乘,其中正交的同频率信号有计算机产生。低通滤波器低通滤波器I/Q解调流程图5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法反正切值域扩展相位解卷绕相位的提取过程可分为如下图所示的三个部分，将Q、I信号的比值进行反正切、值域扩展和相位解卷绕处理，最后得到后向瑞利散射光的相位。Q/IⅠ三角函数象限图5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法5.4相位解调5.4.4

I/Q解调算法5.5偏振态解调5.5.1偏振基础理论光波在光纤中传输存在四种模式:TE,TM,HE和EH模。为了分析方便，在纵向分量远小于横向分量的情况下，可以近似为TE和TM模，即Ez=0。如果光矢量轴对称、均匀分布、各方向振动的振幅相同，光矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向，偏振度为0,这种光称之为自然光。若光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量的振动方向保持不变，其矢量大小随相位变化，偏振度为1,这种光称之为线偏振光。若光矢量端点的轨迹为圆，即光矢量的振动方向不断绕传播轴均匀转动，其大小不变,方向随时间有规律的变化，偏振度为1，这种光称之为圆偏振光。5.5偏振态解调5.5.1偏振基础理论5.5偏振态解调5.5.1偏振基础理论对于偏振光而言，可以用邦加球来描述任意偏振态，如图5.5.1所示，斯托克斯邦加球上的每一个点都对应着一个偏振光。在邦加球上的偏振椭圆参数，即Stokes参数可表示为:Stokes参数在邦加球上的表示5.5偏振态解调5.5.1偏振基础理论5.5偏振态解调5.5.2

偏振拍频调控泵浦光源的输出端通过一个波分复用器(WDM)发射到光纤激光器谐振腔，将其刻写在高掺杂铒粒子光纤(EDF)上，DFB光纤激光器的反向发射输出端通过隔离器（ISO）直接进入高速光电探测器，该隔离器用于隔离从光纤端面反射的激射激光。侧抛DFB光纤激光器拍频测试系统如下图所示光谱分析泵浦光源光电探测器隔离器快轴慢轴波分复用器侧抛DFB光纤激光器拍频测试系统5.5偏振态解调5.5.2

偏振拍频调控5.5偏振态解调5.5.2

偏振拍频调控5.5偏振态解调5.5.2

偏振拍频调控5.5偏振态解调5.5.3偏振解复用偏振分集接收机可以将任意偏振态分解为相互正交的X、Y偏振态的线