[发明专利]一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法

说明书

本发明公开了一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，包括激光光源、隔离器、相位调制器、环形器、2×2耦合器、参考臂、信号臂、法拉第旋光镜、两个光电转换器、数据采集模块、数据处理模块和微振动台。该方法通过对激光光源进行矩形脉冲二元相位调制，利用环形器和2×2耦合器的特性，在光纤传感器的输出端产生多路移相信号，对其中两路输出信号进行互相关运算判断相位延时量，根据结果自动调整相位调制驱动电压使移相量为π/2，消除调制误差，然后根据多步移相算法，实现光纤传感器的相位解调。该方法可有效实现调制误差的自消除提高解调精度，对噪声及系统误差抑制能力强，光路相对简单，硬件系统要求低，解算速度快。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法。

背景技术

随着光纤技术和光纤通信技术的提高，以光纤作为传光介质或者传感介质的光纤传感技术得到了蓬勃发展，在军事、国防、民用等多个领域得到了广泛的应用，为国家的安全稳定和经济发展提供了保障。光纤传感器的测量范围广泛，可用于压力、温度、振动、位移等物理量的测量。与传统电磁传感器相比，光纤传感器具有重量轻，抗电磁干扰能力强，灵敏度高，安全可靠，耐腐蚀，可进行分布式测量，易于组网等诸多优点。其中，基于相位调制原理的干涉型光纤传感器几何结构灵活多样且灵敏度、分辨率等关键性能指标非常高，被广泛地应用于石油探测、周界安防、航空航天等领域。

对于干涉型光纤传感器而言，相位检测技术是其关键技术之一。相位检测技术是指如何从干涉光强信号中获取相位信息，从而得到外界环境参量的相关信息。目前检测方案主要有3×3耦合器多相检测法、PGC法、外差法以及矩形脉冲二元相位调制法。其中矩形脉冲二元相位调制法对激光光源进行高速矩形脉冲二元调制，利用非平衡干涉仪的特点，在干涉输出端产生三步移相干涉光强信号，后根据三步移相算法实现相位解调。该方法具有光路简单，硬件系统要求低，解算速度快的特点，广泛适用于各种实际应用系统。但是该方法采用三步移相算法对噪声及系统误差的抗干扰能力相对较差，此外，相位调制幅度的误差会极大影响该测量方法的精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，通过实现调制误差自消除，解决传统矩形脉冲二元相位调制法易受调制幅度影响的缺点，同时通过采用多步移相算法提高对噪声及系统误差的抵抗能力。

为解决上述问题，本发明提供了一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，一种具有调制误差自消除功能的多步移相相位检测方法，应用于多步移相相位检测装置，其特征在于，所述多步移相相位检测装置包括激光光源(1)、隔离器(2)、相位调制器(3)、环形器(4)、2×2耦合器(5)、参考臂(6)、信号臂(7)、法拉第旋光镜(8)、第一光电转换器(9-1)、第二光电转换器(9-2)、数据采集模块(10)、数据处理模块(11)和微振动台(12)，其中激光光源(1)、隔离器(2)、相位调制器(3)、环形器(4)和2×2耦合器(5)通过光纤依次连接，所述参考臂(6)的长度l₁小于所述信号臂(7)的长度l₂，所述参考臂(6)和所述信号臂(7)均放置在微振动台(12)上，且末端均连接有法拉第旋光镜(8)，数据处理模块(11)与相位调制器(3)连接，所述环形器(4)的端口(4-3)通过光纤与所述第一光电转换器(9-1)连接，所述2×2耦合器(5)的端口(5-4)通过光纤与第二光电转换器(9-2)连接，数据采集模块(10)分别与第一光电转换器(9-1)、第二光电转换器(9-2)和数据处理模块(11)连接，所述方法包括如下步骤：

步骤1.打开所述激光光源(1)和微振动台(12)，激光光源(1)发出的光依次经过隔离器(2)和相位调制器(3)，形成经相位调制的激光光束，所述经相位调制的激光光束的激光复振幅E(t)为：

其中，A₀为幅度，v表示光源中心频率，为相位调制器(3)的矩形脉冲二元相位调制信号，