水下声信号的激光干涉测量

为准确测量水下目标的发声频率,在光学暗室下建立了基于激光干涉法探测水下目标的实验系统。当水下声源引起水表面波动时,用激光照射水面,携带声波信息的水面散射光与参考光干涉,利用精密光学测量装置探测光程差的改变,通过数据采集和处理系统从干涉信号的频谱分析图中解调出水下声信号的频率信息。干涉信号的频谱分析图中存在以水下声信号频率为中心的频带,频带宽度与自然水表面波引起的多普勒频移有关。实验结果表明,水下发声目标引起水表面波动的振幅在纳米级,系统可以实时探测出4～15kHz的水下声信号,且测量标准偏差7Hz。该系统可满足水下目标识别技术的实时性、准确性等要求。     

空间差分干涉的光纤分布式水下声波测量

为了实现大范围的水下微弱声波探测,提出了一种基于后向瑞利散射空间差分干涉的光纤分布式声波检测(DAS)技术。声波振动引起单模传感光纤中后向瑞利散射光的变化,将含有声波信息的后向瑞利散射光注入到非平衡迈克尔逊干涉仪,调节干涉仪的臂长差实现不同长度的相邻空间段的后向瑞利散射光干涉,然后采用3×3耦合器解调技术解调出相位信息,实现声波信号的测量。实验搭建了一套基于DAS技术的水下声波测量系统,该系统不仅能够实时准确定位两个声波位置,还能还原声波的幅值、频率、相位等信息,并且实现了1kHz情况下的-148.8dB(re rad/μPa)水下声压相位灵敏度,100~1 500Hz频率的频响平坦度在1.2dB之内。实验结果证实DAS技术能够实时快速地实现多个声波信息的定量测量。     

基于LabVIEW的PGC零差检测技术研究

相位生成载波(PGC)调制和解调技术是干涉型光纤传感器领域非常重要的信号处理技术。简要说明了相位生成载波的调制和解调原理,结合具体的公式推导过程对PGC-DCM解调算法和PGC-Arctan解调算法进行了详细的理论分析。利用LabVIEW软件编写了两种PGC解调过程的仿真程序,实现了对被测信号的解调。对比分析了两种解调结果,对PGC解调中的一些关键参数进行了讨论。该研究结果对于光纤干涉传感器的相位解调技术的改进具有参考价值。     

基于 Lissajous 输出拟合的非平衡 M-Z 干涉仪相位解调

搭建基于3×3耦合器的非平衡马赫-曾德尔(M-Z)干涉系统,将3×3耦合器解调与相位载波结合,通过引入载波调节M-Z干涉仪的输出相位进行动态解调。载波信号为频率2 kHz,电压为0、2、6、10、16 V的余弦信号,通过Throlabs光学能量计测量干涉仪输出功率随时间变化曲线,针对3×3耦合器分光比不均等为1∶1∶1,即相位差不为120°,将输出干涉光采用经验模态分解并构建带通滤波器进行去噪,将处理后的信号用最小二乘法进行李萨如曲线拟合,求得椭圆具体参数,利用反正切函数求解相位差。得出电压相移系数以及电压波长偏移系数分别为0.757 7(°/V)、0.725 8×10^-3(nm/V),在MATLAB中拟合一阶线性曲线,拟合优度R²在0.98以上。最后将此解调系统应用于光纤光栅串(FBG)的应力负载试验并与微光光学解调仪(MOI)相对比,结果表明本系统准确度高,对1 560 nm的FBG解调效果较MOI更佳。     

FBG微应变测量系统的相位解调技术研究

针对布拉格光纤光栅(FBG)微应变测量系统,在对FBG传感原理的分析基础上,结合M-Z干涉的相位生成载波(PGC)解调法,提出了测量系统的总体设计方案。基于本设计方案,进行了详细的光路设计、电路设计和软件设计,并针对PGC算法进行了仿真;搭建了测量系统实物,对光路重要参数进行了标定。仿真结果显示调制度C取5.3rad时信号具有较大幅值,且对于大于100Hz的传感信号具有较好解调效果。     

基于正弦相位调制的光纤干涉位移测量系统研究

针对全光纤干涉仪工作距离短、测量范围小等问题,提出了一种基于正弦相位调制的全光纤干涉系统,在参考臂通过电光调制器引入的调制参考光,与探头接收到的目标反射光产生干涉。根据锁相放大原理从干涉信号中提取出正交分量后,首先建立由正交分量构成的观测模型,通过卡尔曼滤波对正交分量的幅值和偏置进行迭代估计和修正,降低由相位延迟、调制深度漂移、寄生干扰等导致的幅值漂移和附加偏置;然后利用反正切法对反射光与参考光之间的相位差进行解调。开展了模拟干涉信号的相位解算仿真模拟和位移测量实验。仿真和实验验证了该算法解算相位的有效性。结果表明,该位移测量系统的工作距离可达到20 cm,测量精度为10 nm。     

基于三波长强度解调的光纤EFPI解调系统

基于三波长正交的特性和强度解调的原理,设计搭建了一种针对EFPI(非本征型法布里-珀罗干涉型传感器)的解调系统。利用相位实时补偿的方式,该解调系统克服了传统强度解调中腔长解调范围受限的缺点,同时兼具解调速度快的优点。在瞬间释压实验中,结果表明该解调系统实现了腔长变化范围大于1μm的解调,且解调腔长精度达到0.01μm。在高频正弦电压驱动实验中,该系统可成功分辨频率为5 k Hz的信号,且解调精度为0.01μm。     

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。     

基于光纤移频延时环的Φ-OTDR信号衰落抑制方法

多频探测是相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)光纤传感系统中干涉衰落抑制的重要手段,但存在多频率生成造成结构复杂的问题。提出了一种基于光纤移频延时环的多频脉冲产生方法,设计了包含移频、放大、延时、滤波、隔离等环节的光纤环结构,使用简单结构实现了多频探测脉冲的产生与复用。并分别采用脉冲延时补偿算法与旋转矢量求和算法对瑞利后向散射拍频信号实现了数据对齐与数据聚合。实验结果表明,传感系统通过生成包含6个频率分量的多频探测脉冲,可在10.33 km的传感光纤上将衰落概率由26.43%优化至0.93%,并实现了信噪比为5.29 dB的振动信号准确定位,以及相关系数为0.997的振动信号线性解调,从而为Φ-OTDR系统在复杂环境下的振动信号抗衰落解调提供了新的解决方案。     

基于光纤-镜面干涉腔的光纤加速度计

设计、研制了一种基于光纤-镜面干涉腔的光纤加速度计.介绍了该加速度计的传感原理及弹性结构设计,并对其性能进行了实验测试.该加速度计用固定于圆网状弹性结构上的硅微反射镜与处理过的光纤端面构成光纤-镜面干涉腔来产生相位差随外界加速度改变的光干涉信号;采用相位生成载波技术通过对干涉信号的调制和解调实现对相位差的精确测定.应用...     

一种基于基波分离算法的变频介质损耗测量仪

基于市场上对全自动、数字式及有较强抗干扰能力为特征的介质损耗测量仪的迫切需要,在基波相位分离算法基础上,采用45 Hz和55 Hz两种频率的变频电源避开工频干扰,用这两种频率各测量5次,将所有测量值的平均值作为被测试品的介质损耗角正切值,并给出了以dsPIC30F4013为核心的该测量仪器的实现方案。试验结果表明,这种介质损耗测量仪具有运算速度快、测量精度高、抗干扰能力强等特点,具有广阔的应用前景。     

光纤光栅微弱信号检测的解调电路

为了在光纤光栅匹配解调系统中实现对光纤光栅微弱信号的检测与处理,在应用微弱光电信号检测原理的基础上设计一种高信噪比、高检测精度的解调电路,该解调电路采用低噪声电路元件参数选取原则和前置放大器设计的一般方法,在雪崩光电二极管与信号数模转换之间采用互阻放大器、巴特沃斯滤波电路和多级放大电路,实现了电路的最佳噪声匹配,有效地抑制了电路的噪声和干扰。该解调电路在光纤光栅匹配解调系统中具有很高的信噪比和测量精度,且具有很好的灵敏度,在测量低频率振动信号试验中具有优异的性能。实验表明:该电路解调系统在25～200 Hz正弦激励振动信号下具有很好的低噪声性能,精确的测试出振动信号,同时该电路所采用的方法与措施对其他测量系统也有借鉴意义。     

光纤Bragg光栅传声器设计

在详细分析光纤Bragg光栅(FBG)振动传感原理的基础上,设计了基于悬臂梁结构的光纤光栅传声器.系统采用结构简单、解调速度快的线性斜边滤波解调方法,选用1 531 nm/1 551 nm的CWDM作为滤波器件,其边带斜率为13 dB/nm.分别进行了单频信号(300 Hz和4 kHz)测试实验及声音信号测试实验,表明该传声器具有良好的频率检测性能和较高的信噪比,可以无失真地传递人的声音.而且,该系统可以实现光源复用,降低系统成本.     

用于OFDR振动传感的改进型相位生成载波算法研究

基于光频域反射（optical frequency domain reflectometry,OFDR）的振动传感技术由于其抗电磁干扰、抗腐蚀、安装方便,且具有精准的定位能力等,引起了许多的关注。而相位解调算法是OFDR振动传感的关键技术。应用于OFDR振动传感的相位解调算法有很多种,但都或多或少受调制深度或者光强大小的影响。为了同时减少这两种因素对解调结果的影响,提出了一种改进的相位生成载波算法,通过数学计算消除解调信号中的光强项和调制深度项等非线性项。分别从理论和仿真两方面与传统算法作对比,验证了改进型算法的性能,证实其可以同时减少上述两种因素对解调结果的影响。该算法可用于提高振动传感系统的稳定性。     

干涉型光纤水听器PGC零差解调技术研究与实现

通过严密的数学推导,对直接调制光源产生相位载波的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型光纤水听器调制解调技术进行了研究。在这一思想的指导下完成了相位载波(PGC)检测电路的硬件设计,给出了实验结果。     

Near-infrared spectroscopy using digital phase-sensitive detection

Scanning near-infrared (NIR) spectrometers commonly employ analog lock-in amplifiers for demodulation that require complex circuitry and are sensitive to electromagnetic interference. Here, a new sampling system based on digital phase-sensitive detection is reported that used a quadrature sampling algorithm to establish the sampling frequency as an integral multiple of four times the optical signal frequency. A complex programmable logic device was used to control the analog-to-digital converter. A digital signal processor was used to receive data, complete the quadrature calculations, and transfer the results to a computer. Consequently, the circuitry was simplified with reduced electromagnetic interference. Spectra were obtained using instrumentation based on analog and digital sensitive detection that showed the latter provided more accurate results. The optimum signal-to-noise ratio of 66.34 dB was higher than the value obtained by the analog system.     

基于渐开线原理的快速光学延迟线装置

为了提高光学延迟线装置的性能,基于渐开线原理设计了快速光学延迟线(FODL)装置。分析了渐开线的基本原理并建立了数学模型,推导了光学延迟线装置的延迟距离公式。对光束通过延迟线装置后的光斑畸变进行了理论与实验分析。最后,搭建迈克尔逊干涉系统,对延迟线装置的延迟线性度、延迟平稳性、延迟距离和扫描频率进行了实验验证。结果表明:对于快速光学延迟线装置,入射光斑的半径越小,旋转平面反射镜的旋转角度间隔越小,出射光束的光斑畸变越小。该装置的延迟距离为40.036mm,延迟时间为133.453ps,线性度误差为0.419%,平稳性误差为0.806%,扫描频率为20Hz。与常用光学延迟线装置相比,该装置能够提供较大的延迟距离和较高的扫描频率,同时具有线性度好、平稳性好等优点,满足快速光学延迟线的使用要求。