一种改进的光纤水听器3×3耦合器解调算法

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。

基于3×3耦合器的光纤陀螺信号解调算法

采用3×3耦合器构成非互易结构的开环光纤陀螺,具有灵敏度高、测量范围大等优点。信号检测在光纤陀螺系统中占有非常重要的地位,其解调精度的大小直接影响光纤陀螺的分辨率。根据使用3×3耦合器的开环光纤陀螺输出信号模型的特点,采用一种新的信号解调算法,可以准确解调任意动态范围的输入,克服在工作点附近灵敏度低的缺点,改善被测信号的精度。实验结果表明,算法能快速、准确解调被测物理量。

一种基于3×3耦合器的光纤相位解调算法

针对当前3×3耦合器相位解调算法的不足,借鉴相位生成载波(PGC)解调算法,提出了一种新的3×3耦合器相位解调算法。该算法通过在干涉仪中加一个高频大幅相位调制信号,使用3×3耦合器中2路输出的一阶倍频项实现相位解调,对该算法进行了理论推导,并通过Matlab编程对算法进行了验证。该方法避免了传统3×3耦合器法被动解调中无法实时判断干涉效果、不能及时进行偏振控制的不足。

基于3×3耦合器的双马赫-曾德尔干涉仪数字化相位解调

由于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉传感系统的定位精度在实际应用中受到初始相位偏移的影响,本文针对系统的光路结构,提出了一种基于3×3耦合器的被动数字化解调方法。利用3×3耦合器的2路输出信号构成椭圆曲线,在约束条件下对信号系数进行最小二乘拟合,然后采用微分交叉相乘法解调出相位信号。与传统的解调方法相比,提出的方法降低了对耦合器高对称性的要求,不需限制其它参数;约束条件下椭圆拟合的鲁棒性好,尤其是对于椭圆度较差的数据点具有很强的适应能力,适用于微弱振动信号的解调。仿真结果和现场实验数据证明该方法切实有效,运算量小,利用现场数据解调出的相位信号相关性达到0.992 0;互相关计算显示其在总长43km的管道上的定位误差为81.2m,有效提高了系统性能。

基于3×3耦合器光纤水听器的数字化解调方案

3×3耦合器方案是光纤水听器的实现形式之一。模拟电路实现的3×3耦合器解调方案往往会由于模拟器件的原因带来难以克服的不便以及性能缺陷。本文论述了3×3耦合器方式的光纤水听器解调方案,讨论了该方案由原理到实现过程中需考虑的具体问题,建立了基于NI公司动态数据采集平台的数字化解调系统,对系统性能进行了综合分析,并与模拟解调结果进行了对比。结果表明,数字系统可以解决模拟系统的若干问题,用数字方法实现解调功能可显著提高系统的性能。

3×3光纤耦合器解调方法

介绍了3×3光纤耦合器输出解调方法的原理,推导出了3×3光纤耦合器输出解调信号的数学表达式,给出了3×3光纤耦合器输出解调算法的解调频率范围,分析了外界干扰信号、耦合器的不对称性、以及信号中存在高次谐波对解调结果的影响。分析结果表明:该方法有比较宽的频率解调范围,能够克服温度变化等外界因素的干扰,能够消除3×3耦合器3个输出端存的偏差对解调结果的影响以及在信号中存在高次谐波的影响。该方法具有性能稳定、不需要载波、不需要稳定的工作点以及抗干扰能力强等优点,具有较强的实用性和可行性,对解调电路的数字化设计具有理论指导意义。

采用3×3耦合器的分布反馈式光纤激光传感器解调技术

为了实现分布反馈式光纤激光传感器(DFB FL)大动态范围、稳定解调,建立了基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪解调系统。对该系统所采用的对称解调算法(NPS)和反正切解调算法进行了深入研究。首先,介绍了基于3×3耦合器解调算法的原理及耦合器不对称时的调校方法。接着,对干涉仪所需最小非平衡路径长度的选取与系统强度噪声、激光器频率噪声的关系进行了分析。最后,针对NPS算法与反正切算法最大可解调信号幅度进行了分析对比,并研究了微分器对对称解调方法解调范围的影响。实验结果表明:NPS算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125 k Hz、信号频率为1 k Hz、干涉仪非平衡路径为100 m时,NPS算法与反正切算法的动态范围分别达到96 d B和90 d B。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。

基于3×3耦合器相位解调的光纤声音传感器设计

为了在某些应急情况下无源传输声音信号,采用基于光纤迈克尔逊干涉仪原理光纤声音传感的方法结合了收音弹性盘片和光纤粘接的工艺设计,使用3×3耦合器相位解调方法对传感信号进行相位解调,实现了一种新型光纤声音传感器系统。给出了干涉仪3路输出信号相位差的表达式,利用最小二乘法拟合求出干涉仪3路输出信号的平均相位差,取得了仿真与实际测试数据。经过测试,该系统可以准确有效地还原出设计带宽内的声音信号。结果表明,该光纤声音传感器系统适用于电磁恶劣等应急环境中,验证了该设计方案的可行性。

一种基于3×3耦合器构造干涉仪的被动解调新方法

提出一种基于3×3耦合器干涉信号的全新被动解调方案,方案基于简单的数学运算,利用2路干涉信号,消除了单路信号的不灵敏区,不需要校准。与相位生成载波技术(PGC)和过去基于3×3耦合器的解调方案相比,不需要载波、滤波器,不需要3×3耦合器有严格的分光比,而且更加具有实用性。最后通过使用稳定化光源和采样率满足fs Aω情况下的测速实验,验证了方案的正确性和可行性。

一种确定光纤传感器中3×3耦合器输出信号相位差的新算法

本文提出了一种基于Bessel函数展开，在频域内精确确定光纤传感器3×3耦合器输出信号相位差的算法。在Mach-Zehnder干涉仪原理的基础上，通过建立3×3耦合器输出信号的数学模型和利用耦合器输出光功率的Bessel展开，完成了算法的理论推导，并且在实验室中进行了声学实验。数据处理结果表明，该算法能够较精确地确定3×3耦合器输出信号的相位差，且相位差与调制频率无关，与理论相符。

针对3×3耦合器幅相非对称的光纤水听器解调方法

基于3×3耦合器法的光纤水听器解调容易受耦合器分光比非理想对称特性影响,导致水听器解调结果及测量信号不准确。为解决实际中3×3耦合器普遍存在的幅度、相位非对称引入的解调偏差问题,提出基于微分交叉相乘的干涉信号幅度和相位修正解调方法。通过对三路非对称干涉信号进行两两最小二乘椭圆拟合,得到干涉信号的实际幅度和相位参数,经去直流、归一化消除幅度不对称,并将所得包含非对称相位信息的信号两两微分交叉相乘,经三角函数变换解算信号相位及其修正系数,从而实现对光纤水听器输出信号的准确解调。仿真对比了本文方法和仅考虑幅度非对称情况的解调结果,并分析比较了两种处理方法随声信号频率、幅值变化的解调误差,前者得到接近理想信号波形的解调结果和更小的解调误差。依托消声水池开展了光纤水听器解调实验,在5~30 kHz频率范围对解调方法进行了对比验证,证明了本文解调方法的有效性和稳定性。

干涉型光纤传感器中非理想3×3耦合器对相位解调的影响分析

深入研究了非理想3×3耦合器对相位解调结果的影响,理论分析了非理想相位条件下的解调结果。仿真计算了相位偏差在±1~5°均匀分布时解调结果与原始结果的相关系数,分析了干涉信号存在幅度噪声时对解调结果的影响。对于特定的系统,相位偏差在解调结果中引入了一个常数系数,相位偏差在±1~5°均匀分布时常数系数的均值分别为0.9999、0.9996、0.9991、0.9984和0.9975。干涉信号的幅度噪声会明显恶化解调算法的性能,为保证解调信号与原始信号相关系数在0.99以上,需要控制干涉信号的幅度噪声水平在6.4%以内。

基于非对称3×3耦合器的光纤相位解调研究

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。

基于3×3耦合器的信号幅值系数调整研究

为充分发挥3×3耦合器物理优势,使其更广泛地应用于相关领域,总结了现有基于3×3耦合器的系数调整算法,详细分析了不同调整方式的原理,实验验证了不同幅值系数调整方式的解调过程并将其解调效果进行对比,实验发现在相同条件下两种方式的解调效果相差甚微,但其解调复杂程度、受外界因素干扰影响能力以及适用平台存在一定差异,并总结了不同方案的优缺点以及适用领域。

非对称3×3干涉型传感器解调系统设计

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10～1000Hz,相位测量范围为-10～10rad,相位灵敏度为0.5V/rad。

光纤耦合器的激光多普勒信号相位解调

在实际工程应用中,激光多普勒测速系统的定位精度受到信号初始相位偏移的影响。针对低信噪比和低对比度的激光多普勒信号速度解算,提出了一种基于3×3光纤耦合器的激光多普勒信号相位解调算法。在信号解调之前,该算法必须满足3路多普勒信号相位差为(2π)/3、直流量相等和交流量相等这3个条件。利用参考光和信号光相位差与光电探测器输出电流之间的关系,推导出了拍频信号相位求解公式。分别利用传统希尔伯特变换和3×3光纤耦合器相位解调算法,针对不同信噪比的激光多普勒信号,进行了仿真对比试验。试验表明,当信号存在偏移或在低信噪比的情况下,该算法精度高于希尔伯特变换算法;当信噪比小于-5 d B时,该算法误差小于1°。

Φ-OTDR系统非对称光纤耦合器相位解调方法研究

针对3×3光纤耦合器三路输出信号非旋转对称易导致相位解调产生误差的问题,提出了基于3×3光纤耦合器两路输出信号的非对称光纤耦合器相位解调系统理论,通过软件仿真分析验证了系统对单频周期信号与三次谐波信号的相位解调能力,并在相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)上开展了光纤振动传感系统相位解调性能测试。实验结果表明,系统能够实现200~4000 Hz频率范围内的相位解调,振动定位绝对误差在±10 m以内,系统空间分辨率为21 m。本方法在减少系统硬件成本的基础上,为Φ-OTDR系统光纤耦合器分光比与相位差不恒定问题提供了新的解决思路与参考方案,可在交通安全监测等领域进行应用推广。

光纤水听器时分复用系统通过3×3耦合器信号解调的一种新算法

提出了在光纤水听器时分复用系统中采用3×3耦合器解调信号的一种新算法。在该方案中,光纤水听器仍为2×2耦合器结构,3×3耦合器作为匹配干涉仪,利用其三路输出的线性组合和数字反正切技术实现信号解调,解调中使用的参数通过奇异值分解和椭圆拟合得到。该方案不需要载波调制,可实现光纤水听器近似等臂干涉,有利于抑制系统相位噪声。算法的运算量小且适用于一般的非对称3×3耦合器,解调的动态范围很大。最终利用该方案实现了两路光纤水听器时分复用的实验系统,在1 kHz时,系统的噪声本底为31μrad/Hz,动态范围超过125 dB,串扰小于64 dB。

光纤振动传感器相位解调算法研究综述

介绍了光纤振动传感器的定义及其类别。对相位生成载波(PGC)技术、3×3耦合器解调算法和数字正交解调算法3种光纤振动传感器相位解调算法进行了对比和分析,指出后期相位解调算法仍然有很多改进的方面。最后介绍了未来在实际中有望得到更广泛的应用的情况。

基于3×3耦合器的马赫-曾德尔干涉仪的光纤光栅波长解调技术

介绍了一种基于3×3和2×2光纤耦合器构成的非平衡马赫-曾德尔干涉仪的波长解调方案。理论分析和数据对比表明,相对于由两个2×2光纤耦合器构成的马赫-曾德尔干涉仪,本干涉仪具有宽谱的灵敏度、能跟踪波长的变化方向和相位展开的优点。实验方案用于测量固定在悬臂梁上的传感光纤布拉格光栅(FBG)的峰值波长变化,获得了±1 pm的静态波长解调精度,在10 Hz处的动态分辨率为27 n/εHz。相位展开算法使得应变测量范围达到了2014με,对应的相位变化为3.22π。