[发明专利]一种波长移相式光纤声传感阵列解调系统和方法

权利要求书

1.一种波长移相式光纤声传感阵列解调方法，其特征在于，采用一种波长移相式光纤声传感阵列解调系统的自校准五步相移算法，其中，该波长移相式光纤声传感阵列解调系统包括波长控制和同步采样模块(1)、快速宽可调谐激光器(2)、1*N光纤耦合器(3)、光纤环形器(4)、干涉式光纤声传感器阵列(5)、多通道光电探测器(6)和数据处理模块(7)；

所述的波长控制和同步采样模块(1)是计算机、单片机或FPGA核心板，内置控制激光波长对应的电流查找表；波长控制和同步采样模块(1)分别与快速宽可调谐激光器(2)、多通道光电探测器(6)和数据处理模块(7)相连接，波长控制和同步采样模块(1)实现快速宽可调谐激光器(2)的波长控制和输出，并通过时钟同步，同时进行多通道光电探测器(6)数据的采集、转换和传输至数据处理模块(7)中；

所述的光纤环形器(4)，分别与1*N光纤耦合器(3)、干涉式光纤声传感器阵列(5)和多通道光电探测器(6)相连接；光纤环形器(4)用于光信号的传输，将来自快速宽可调谐激光器(2)的光信号通过1*N光纤耦合器(3)引入干涉式光纤声传感器阵列(5)中的传感器，反射光信号再次经过光纤环形器(4)被多通道光电探测器(6)探测；

所述的多通道光电探测器(6)是具备光纤输入接口、直流耦合的多通道高速光电探测器，将探测到的每个通道的光强信号转换为模拟信号，经波长控制和同步采样模块(1)采集后传输给数据处理模(7)进行信号处理和反馈控制；所述的数据处理模块(7)实现多个移相波长对应的光强信号的分离和腔长解调，并根据解调的腔长实时校准每个传感通道对应的相移步长；

所述的自校准五步相移算法包括以下步骤：

1)波长控制和同步采样模块(1)控制快速宽可调谐激光器(2)进行线性波长扫描，通过多通道光电探测器(6)同步采集各个通道对应的强度数据，获取干涉式光纤声传感器阵列(5)的每一个传感器的干涉光谱；

2)根据干涉式光纤声传感器阵列(5)中每个传感器的干涉光谱计算出各自的初始腔长L_0m，m代表传感器序号；并基于传感器阵列的平均腔长L_avg确定具有正交相位差关系的五个波长λ₁,λ₂,λ₃,λ₄,λ₅，以产生五步相移信号用于计算实时相位；

波长选择的方式为：

对于FP干涉式光纤声传感器，五个波长对应的光强表达为：

其中，A为干涉光谱的直流分量，B为干涉光谱的对比度；为编号i的波长对应的相位角；是初相位，为常数；n为FP腔的折射率，在此处为1；L为腔长；为了满足正交相位关系，五个波长之间的相位差满足：

对应的相邻波长间隔换算为：

将λ₃设置为固定波长，其余四个波长通过波长间隔Δλ计算出来；对于传感器阵列来说，要产生其平均腔长的等效正交相移，相邻波长间隔Δλ的表达式为：

由于波长漂移给第m个传感器引入的真实相移步长θ_m计算为：

3)通过波长控制和同步采样模块(1)控制快速宽可调谐激光器(2)进行五个选定波长的连续快速切换；对于第m个传感器，5个波长对应的强度表示为：

其中，A为干涉光谱的直流分量，B为干涉光谱的对比度；为波长λ₃对应的相位角；为初相位，为常数；

4)计算干涉式光纤声传感器阵列(5)中每一个传感器的实时腔长，公式如下：

其中，Φ为包含初始相位的相位角；和ΔΦ为相位变化量，ΔL为对应的腔长变化量；n为FP腔的折射率，在此处为1；L_t为实时腔长；

5)实时腔长L_t的交流成分L_AC用以表征声信号；根据实时腔长L_t的直流成分L_DC实时校准θ_m：

2.根据权利要求1所述的一种波长移相式光纤声传感阵列解调方法，其特征在于，所述的波长控制和同步采样模块(1)，根据接收的用户指令选择进行全光谱扫描模式或五波长扫描模式。