光纖傳感原理與應(yīng)用 尚盈 電子課件 第五章.光纖解調(diào)技術(shù)

第五章

光纖解調(diào)技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用5.25.1目錄/C

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S強(qiáng)度解調(diào)光柵匹配法邊緣濾波法光柵啁啾法5.1.3激光匹配法5.1.3射頻探測法波長解調(diào)5.2.1干涉解調(diào)法分布式光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用相位解調(diào)5.45.3頻率解調(diào)頻率調(diào)制基本原理光纖多普勒流速測量技術(shù)5.4.1干涉儀的信號解調(diào)目錄/C

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S5.2.2濾波解調(diào)法分布式光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用5.5偏振態(tài)解調(diào)偏振基礎(chǔ)理論偏振拍頻調(diào)控偏振解復(fù)用目錄/C

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S5.4.3

PGC解調(diào)算法5.4.4

I/Q解調(diào)算法強(qiáng)度解調(diào)的方案結(jié)構(gòu)簡單,適合短距離且信噪比要求不太高的場合,受激光器相位噪聲影響較小。強(qiáng)度解調(diào)過程如圖5.1所示，先將光信號進(jìn)行光學(xué)濾波,濾除中心波長以外的其他噪聲，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)成電信號,將獲得的信號進(jìn)行放大，然后將信號進(jìn)行濾波，保證只將有用信號進(jìn)行放大。強(qiáng)度解調(diào)型FBG傳感器是通過測量傳感FBG的光強(qiáng)或光功率來解調(diào)被測參量的傳感器,其傳感系統(tǒng)通常由光源、傳感頭、光信號傳輸器件和解調(diào)模塊四部分組成，而解調(diào)模塊中方案的選擇直接決定了系統(tǒng)成本的高低和系統(tǒng)的精度,是傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。強(qiáng)度解調(diào)過程圖5.1強(qiáng)度解調(diào)帶通濾波器低通濾波器光電探測器放大器光信號5.1強(qiáng)度解調(diào)5.1強(qiáng)度解調(diào)光電探測器13dB耦合器2FBG2光電探測器2光柵匹配法原理圖5.1.1光柵匹配法FBG1為傳感光纖,FBG2為參考光纖,二者的反射波長接近,反射帶部分重合,因此稱為匹配FBG。寬帶光源(BBS)發(fā)出的光經(jīng)耦合器1進(jìn)入FBG1,其反射光經(jīng)過耦合器1和2后成為FBG2的入射光。當(dāng)被測量的

是FBG2反射回來的光強(qiáng)(兩FBG反射譜的重疊部分)時，稱為反射型光柵匹配法;當(dāng)被測量的是透過FBG2的光強(qiáng)(兩FBG反射譜的未重疊部分)時，稱為透射型光柵匹配法。3dB耦合器1

FBG1BBS5.1強(qiáng)度解調(diào)5.1.1光柵匹配法5.1強(qiáng)度解調(diào)3dB耦合器1FBGBBS3dB耦合器2過濾器光電探測器探測線路邊緣濾波法原理圖5.1.2邊緣濾波法5.1強(qiáng)度解調(diào)5.1.2邊緣濾波法5.1強(qiáng)度解調(diào)5.1.2邊緣濾波法5.1強(qiáng)度解調(diào)BBS耦合器1FBG光電探測器強(qiáng)度反射率光柵啁啾法原理圖5.1.3光柵啁啾法光柵啁啾法是將被測參量的變化與FBG的啁啾效應(yīng)聯(lián)系起來，通過測量FBG的反射帶寬或反射光功率，來測量被測參量信息的方法，其原理如圖所示。FBG的啁啾效應(yīng)就是在光纖內(nèi)部折射率變化不是等間距的分布，這種光柵，由于其折射率間隔不同，導(dǎo)致不同波長的光在這種光柵中的不同位置滿足布拉格條件得以反射。5.1強(qiáng)度解調(diào)5.1.3光柵啁啾法激光匹配法的原理如圖5.1.5所示，光源為窄線寬激光器，經(jīng)光纖耦合器照射FBG，反射回來的光用光電探測器測量。該方法的關(guān)鍵是窄線寬激光器的波長要定位于FBG反射峰邊緣的中部。當(dāng)傳感

FBG的波長改變時，F(xiàn)BG的反射譜發(fā)生移動，而激光器的波長不動，則FBG反射回來的光功率發(fā)生變

化,如此獲得被測參量的信息。5.1強(qiáng)度解調(diào)窄線寬激光耦合器FBG光電探測器激光匹配法原理圖5.1.4激光匹配法射頻探測法是將傳感FBG反射回來的射頻調(diào)制信號與參考FBG反射回來的射頻調(diào)制信號疊加進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,通過監(jiān)測獲得的射頻信號的強(qiáng)度進(jìn)行傳感測量的方法。5.1強(qiáng)度解調(diào)光源電光調(diào)制器射頻信號參考FBGFBG環(huán)形器單模光纖頻譜分析光電探測器射頻探測法原理圖5.1.5射頻探測法5.1強(qiáng)度解調(diào)5.1.5射頻探測法5.1強(qiáng)度解調(diào)5.1.5射頻探測法5.2波長解調(diào)5.2波長解調(diào)其中不等臂長產(chǎn)生的相位差是寬帶光源

隔離器反饋放大系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)積分器3dB耦合器光纖光柵PTZ光電探測器差分放大器非平衡M-Z干涉儀非平衡M-Z型干涉解調(diào)結(jié)構(gòu)圖5.2.1干涉解調(diào)法1.非平衡M-Z型干涉解調(diào)法1992年，A.D.Kersey提出了非平衡M-Z干涉解調(diào)法。原理結(jié)構(gòu)如圖所示，一束寬帶光源經(jīng)過隔離器、3dB耦合器入射到傳感光纖光柵上，然后反射光通過3dB耦合器進(jìn)入不等臂長的M-Z干涉系統(tǒng)。該方法分辨率較高，被廣泛應(yīng)用在高精度測量中。根據(jù)干涉儀原理，光電探測器檢測到的輸出光強(qiáng)為5.2波長解調(diào)5.2.1干涉解調(diào)法5.2波長解調(diào)平衡邁克爾遜干涉儀，干涉儀受到壓電陶瓷(PZT)的驅(qū)動。根據(jù)干涉相關(guān)原理，兩束光的光程差發(fā)生微小變化時，干涉條紋的相位會隨之發(fā)生變化。兩束反射光在耦合器處產(chǎn)生干涉光，經(jīng)過探測器后與PZT驅(qū)動信號分別作為待測信號和參考信號輸入到相位計，相位計中顯示的數(shù)據(jù)與在傳感光柵上施加的待測應(yīng)變大小有關(guān)。非平衡邁克爾遜干涉解調(diào)結(jié)構(gòu)圖光源示波器信號發(fā)生器濾波器相位計鏡面PD放大器PZT邁克爾遜干涉儀5.2.1干涉解調(diào)法2.非平衡邁克爾遜(Michelson)干涉解調(diào)法寬帶光源經(jīng)過傳感光柵，變化為窄帶光進(jìn)入非5.2波長解調(diào)5.2.1干涉解調(diào)法5.2波長解調(diào)BBSPD光電探測器邊沿濾波法解調(diào)結(jié)構(gòu)圖3dB耦合器傳感FBG5.2.2濾波解調(diào)法5.2波長解調(diào)5.2.2濾波解調(diào)法5.2波長解調(diào)BBS光電探測器3dB耦合器23dB耦合器1參考

FBG2BBS3dB耦合器1光電探測器參考

FBG2傳感FBG1（a）反射式匹配光纖光柵調(diào)諧濾波法（b）透射式匹配光纖光柵調(diào)諧濾波法5.2.2濾波解調(diào)法2.匹配光纖光柵調(diào)諧濾波解調(diào)法解調(diào)方案如圖所示，(a)為反射式，(b)為透射式。5.2波長解調(diào)5.2.2濾波解調(diào)法5.2波長解調(diào)5.2.2濾波解調(diào)法5.2波長解調(diào)5.2.2濾波解調(diào)法5.3頻率解調(diào)5.3.1頻率調(diào)制基本原理sO光學(xué)多普勒效應(yīng)原理5.3頻率解調(diào)5.3.2光纖多普勒流速測量技術(shù)5.3頻率解調(diào)光束1光束2前方散射形成的干涉條紋5.3.2光纖多普勒流速測量技術(shù)5.3頻率解調(diào)5.4頻率解調(diào)5.4.1干涉儀的信號解調(diào)本節(jié)以馬赫-澤德爾型干涉儀為例說明干涉信號的解調(diào)技術(shù)。我們需要采用信號處理的方法,從干涉儀輸出的變化光強(qiáng)中解調(diào)出相位變化信號,從而進(jìn)一步得出傳感信號。根據(jù)參考臂中光頻率是否改變,可將這些解調(diào)技術(shù)分成兩大類一類是零差方式(Homodyne),另一類是外差方式(Heterodyne)。在零差方式下,解調(diào)電路直接將干涉儀中的相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。零差方式又包括主動零差?Active

Homodyne

Method)和被動零差法(Passive

Homodyne

Method)。外差方式包括普通外差法、合成外差法和偽外差法。1.主動零差法在主動零差法中,需要“主動”地控制干涉儀參考臂的長度,使得干涉儀工作在正交工作點(diǎn)處。常見的主動零差法包括兩種，即主動相位跟蹤零差法和主動波長調(diào)諧零差法。5.4頻率解調(diào)5.4.1干涉儀的信號解調(diào)5.4頻率解調(diào)5.4.1干涉儀的信號解調(diào)5.4頻率解調(diào)5.4.1干涉儀的信號解調(diào)5.4頻率解調(diào)5.4.1干涉儀的信號解調(diào)5.4頻率解調(diào)5.4.1干涉儀的信號解調(diào)5.4頻率解調(diào)5.4.1干涉儀的信號解調(diào)5.4頻率解調(diào)5.4.1干涉儀的信號解調(diào)5.偽外差法偽外差法可以不用移頻器件。在偽外差法中,常用一個鋸齒波調(diào)制激光器的工作電流,而相應(yīng)的干涉儀則必須是非平衡的，即保證一定的光程差。電流調(diào)制的作用是為了調(diào)制激光器的頻率。光源頻率的改變造成干涉儀中的相位變化為：當(dāng)鋸齒波處于上升沿階段時,頻率的線性改變導(dǎo)致干涉儀中相位的線性改變。通過調(diào)整鋸齒波的波形可以使得一個鋸齒波調(diào)制周期內(nèi)干涉儀相位改變m個整周期,從而在干涉儀中引人了所需要的外差載波。5.4頻率解調(diào)可用前面提到的鑒相器或者鎖相環(huán)電路提取出最終所需的相位調(diào)制信號。在三類外差法中,普通外差法的相位解調(diào)范圍最大，在理論上沒有限制。但需要特殊的移頻器件。合成外差法的相位解調(diào)范圍也很大,但是解調(diào)電路的復(fù)雜性也最高。偽外差法在各方面的性能比較平衡,是現(xiàn)在常用的外差解調(diào)方法。三種外差解調(diào)方法都對激光器的相位噪聲很敏感。5.4.1干涉儀的信號解調(diào)在干涉儀的輸出部分需要使用帶通濾波器提取調(diào)制頻率的第次諧波信號,并消除鋸齒波信號回掃部分(即鋸齒波從最大值回到最小值的部分)對解調(diào)信號的影響。第m次諧波信號為：5.4頻率解調(diào)5.4.2

3×3耦合器解調(diào)算法激光器FRMFRMPD4PD3PD2PD1耦合器耦合器解調(diào)法是一種無源零差的解調(diào)方案(信號臂和參考臂之間不存在頻率差)，該解調(diào)法屬于被動相位調(diào)制型方法。如圖所示為3×3耦合器干涉儀結(jié)構(gòu)，輸出端的3路信號存在120°的相位差，采用3個型號相同的光電探測器同時對耦合器的3路輸出信號進(jìn)行探測。S456132環(huán)形器3×3耦合器干涉儀結(jié)構(gòu)圖5.4頻率解調(diào)5.4.2

3×3耦合器解調(diào)算法5.4頻率解調(diào)5.4.2

3×3耦合器解調(diào)算法5.4頻率解調(diào)5.4.2

3×3耦合器解調(diào)算法cfadbeMN5.4頻率解調(diào)5.4.2

3×3耦合器解調(diào)算法5.4頻率解調(diào)5.4.2

3×3耦合器解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.3

PGC解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.3

PGC解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.3

PGC解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.3

PGC解調(diào)算法5.4相位解調(diào)解調(diào)原理推導(dǎo)如下，如下圖所示5.4.3

PGC解調(diào)算法激光器PD

PM

耦合器HPFPGC解調(diào)原理5.4相位解調(diào)主動波長調(diào)諧零差法略有不同，干涉儀的輸出信號經(jīng)過處理后上兩式中均含有外部環(huán)境的干擾，為了克服信號隨外部的干擾信號的漲落而出現(xiàn)的消隱和畸變現(xiàn)象，采用微分交叉相乘技術(shù)。從低通濾波器出來的信號分別通過微分電路，得到微分后的信號為交叉相乘后得到的兩項分別為5.4.3

PGC解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.3

PGC解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法數(shù)字正交相位解調(diào)（I/Q解調(diào)）最早應(yīng)用于通信技術(shù)中，利用載波信號與載波調(diào)制后的信號混頻，然后通過低通濾波得到調(diào)制信號，避免了探測器熱噪聲對微弱信號的干擾，從而保證解調(diào)的準(zhǔn)確性。適用于I/Q解調(diào)的基本光電結(jié)構(gòu)如圖所示。后向瑞利散射光信號TIA本地光信號適用于I/Q解調(diào)的基本光電結(jié)構(gòu)5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法5.4相位解調(diào)耦合器輸出的光強(qiáng)為經(jīng)過三角函數(shù)變換得上式中共有五項，其中前兩項組表示光強(qiáng)的直流部分，第三項和第四項的頻率在光頻量級，現(xiàn)有的光探測器都無法達(dá)到這么高的響應(yīng)速度，故這兩項不對探測器產(chǎn)生影響，最后一項為光強(qiáng)信號的交流部分，即拍頻信號。5.4.4

I/Q解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法解調(diào)器I/Q解調(diào)流程圖如圖5.4.7所示，算法主要分為混頻、濾波、解調(diào)三部分。混頻部分是將采集到的S(n)信號分別與正交的同頻率信號相乘,其中正交的同頻率信號有計算機(jī)產(chǎn)生。低通濾波器低通濾波器I/Q解調(diào)流程圖5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法反正切值域擴(kuò)展相位解卷繞相位的提取過程可分為如下圖所示的三個部分，將Q、I信號的比值進(jìn)行反正切、值域擴(kuò)展和相位解卷繞處理，最后得到后向瑞利散射光的相位。Q/IⅠ三角函數(shù)象限圖5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法5.4相位解調(diào)5.4.4

I/Q解調(diào)算法5.5偏振態(tài)解調(diào)5.5.1偏振基礎(chǔ)理論光波在光纖中傳輸存在四種模式:TE,TM,HE和EH模。為了分析方便，在縱向分量遠(yuǎn)小于橫向分量的情況下，可以近似為TE和TM模，即Ez=0。如果光矢量軸對稱、均勻分布、各方向振動的振幅相同，光矢量的振動在垂直于光的傳播方向上作無規(guī)則取向，偏振度為0,這種光稱之為自然光。若光矢量端點(diǎn)的軌跡為直線，即光矢量的振動方向保持不變，其矢量大小隨相位變化，偏振度為1,這種光稱之為線偏振光。若光矢量端點(diǎn)的軌跡為圓，即光矢量的振動方向不斷繞傳播軸均勻轉(zhuǎn)動，其大小不變,方向隨時間有規(guī)律的變化，偏振度為1，這種光稱之為圓偏振光。5.5偏振態(tài)解調(diào)5.5.1偏振基礎(chǔ)理論5.5偏振態(tài)解調(diào)5.5.1偏振基礎(chǔ)理論對于偏振光而言，可以用邦加球來描述任意偏振態(tài)，如圖5.5.1所示，斯托克斯邦加球上的每一個點(diǎn)都對應(yīng)著一個偏振光。在邦加球上的偏振橢圓參數(shù)，即Stokes參數(shù)可表示為:Stokes參數(shù)在邦加球上的表示5.5偏振態(tài)解調(diào)5.5.1偏振基礎(chǔ)理論5.5偏振態(tài)解調(diào)5.5.2

偏振拍頻調(diào)控泵浦光源的輸出端通過一個波分復(fù)用器(WDM)發(fā)射到光纖激光器諧振腔，將其刻寫在高摻雜鉺粒子光纖(EDF)上，DFB光纖激光器的反向發(fā)射輸出端通過隔離器（ISO）直接進(jìn)入高速光電探測器，該隔離器用于隔離從光纖端面反射的激射激光。側(cè)拋DFB光纖激光器拍頻測試系統(tǒng)如下圖所示光譜分析泵浦光源光電探測器隔離器快軸慢軸波分復(fù)用器側(cè)拋DFB光纖激光器拍頻測試系統(tǒng)5.5偏振態(tài)解調(diào)5.5.2

偏振拍頻調(diào)控5.5偏振態(tài)解調(diào)5.5.2

偏振拍頻調(diào)控5.5偏振態(tài)解調(diào)5.5.2

偏振拍頻調(diào)控5.5偏振態(tài)解調(diào)5.5.3偏振解復(fù)用偏振分集接收機(jī)可以將任意偏振態(tài)分解為相互正交的X、Y偏振態(tài)的線