一種基于鈮酸鋰相位調制器的相位生成載波解調裝置的制作方法

本實用新型屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種基于鈮酸鋰相位調制器的相位生成載波解調裝置。

背景技術：

相位生成載波(PGC)解調技術具有解調信號動態范圍大、靈敏度高、線性度好、測相精度高等優點，是目前光纖傳感相位干涉領域工程上較為實用的信號解調方法。PGC解調就是在干涉相差中產生一個解調信號帶寬外的大幅度的確定的周期信號，以克服由于環境中諸如振動、溫度等帶來的低頻慢漂信號所致的信號衰落；其始終保持傳感器高靈敏度，通頻帶靈敏度一致性好等優點。PGC解調技術需要對干涉儀輸出信號相位進行調制，通常的調制方法是在兩臂等長的干涉儀的一臂用數匝光纖纏繞壓電陶瓷(PZT)元件，把載波信號加到PZT上，利用其在載波信號的驅動下產生的電致伸縮效應，引起干涉儀一臂光纖長度、折射率發生變化，導致最后輸出光波相位隨載波信號有規律地變化，從而實現相位調制。然而PZT元件尺寸較大，纏繞光纖的制作工藝十分復雜，且采用PZT構造的干涉儀穩定性不高，不利于解調系統的模塊化和集成化。

技術實現要素：

本實用新型為解決背景技術中存在的上述技術問題，而提供一種基于鈮酸鋰相位調制器的相位生成載波解調裝置，可以對需要探測聲音、溫度、應變等參數的光纖傳感系統進行解調，同時提高系統的集成度和模塊化水平。

本實用新型的技術解決方案是：本實用新型提供一種基于鈮酸鋰相位調制器的相位生成載波解調裝置，其特殊之處在于：該裝置包括光纖傳感器探頭、第一3dB耦合器、鈮酸鋰相位調制器、第二3dB耦合器、數據采集卡和計算機，光纖傳感器探頭接入第一3dB耦合器，第一3dB耦合器將光信號分為兩路，一路通過鈮酸鋰相位調制器接入第二3dB耦合器，另一路直接接入第二3dB耦合器，第二3dB耦合器與數據采集卡相連，數據采集卡與計算機相連。

上述鈮酸鋰相位調制器外接信號發生器。

上述鈮酸鋰相位調制器通過兩根BNC線外接信號發生器。

上述光纖傳感器探頭通過傳輸光纖接入第一3dB耦合器。

上述數據采集卡通過PCI總線與計算機相連。

一種基于上述的鈮酸鋰相位調制器的相位生成載波解調裝置的解調方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

1)由光纖傳感器探頭傳回的攜帶聲音信息的光信號進入第一3dB耦合器后將被分為兩路，一路進入鈮酸鋰相位調制器，一路繼續在光纖中傳輸；

2)上述兩路光在第二3dB耦合器合束，并發生干涉，形成了一個邁克爾遜光纖干涉儀；信號發生器發出余弦波，鈮酸鋰調制器所夾的調制電壓V以余弦波形式變化，導致鈮酸鋰調制器中折射率隨著載波頻率的變化而變化，繼而引起晶體中傳輸光波的額外相位變化，由鈮酸鋰調制器帶來的相位變化為：

其中，c為光速，G為鈮酸鋰調制器電極間隙寬度，Γ為重疊積分因子，V為外接信號發生器的調制電壓，l為波導長度，Δυ為由聲信號作用引起的激光頻率變化大小；干涉儀的輸出為：

其中，A為與光功率成正比的常數項，B為與光源功率和干涉儀可見度相關的系數，為噪聲相位。

3)輸出光功率為I的干涉光信號傳輸到數據采集卡上，數據采集卡記錄下輸出光功率為I；

4)數據采集卡將輸出光功率為I傳輸到計算機上，通過PGC算法進行解調，得到最終結果。

上述步驟2)中假設調制電壓V可以表示為：

V＝V_DC+V_m cos(ω_mt) (3)

其中V_DC為直流偏置電壓，ω_m為外接余弦波的頻率，則輸出光功率可以改寫為：

其中，是相位中直流項與噪聲項之和，是一個隨時間緩慢變化的量，

上述步驟4)中PGC算法的詳細步驟如下：

4.1)將干涉光進行貝塞爾函數展開，得：

4.2)將干涉光信號一路乘以一倍頻Gcosω₀t，一路乘以二倍頻Hcos2ω₀t，得

4.3)將經過乘法器的兩路信號分別進行低通濾波，將所有含ω₀及其倍頻項均濾去，即

4.4)將經過低通濾波器的兩路信號經過微分，得

4.5)分別將(8)式與(11)式相乘，(9)式與(10)式相乘，得

4.6)將(13)式減去(12)式，得

4.7)對(14)式積分，得

4.8)對(15)式進行高通濾波并消除系數GHB²J₁(C)J₂(C)，可將被測信號解調出來。

本實用新型具有以下優點：

1、本實用新型采用的鈮酸鋰調制器，制作其的鈮酸鋰晶體具有較大的電光系數，對調制信號響應延遲小，可以對激光的相位進行高精度、大幅度的相位調制，提高解調效果。

2、本實用新型采用的鈮酸鋰調制器采用新型波導技術，有效降低了光傳輸長度，可以在較短的長度內實現大范圍的相位調制；

3、本實用新型易于集成，使用方便：國內外對于鈮酸鋰調制器的研究起步較早，商業產品豐富，且期間尺寸多控制在厘米級別，便于與其他器件集成。

附圖說明

圖1為本實用新型的系統結構圖；

圖2為本實用新型方法中PGC算法的原理圖。

附圖標號如下：

1-光纖傳感器探頭、2-傳輸光纖、3-第一3dB光纖耦合器、4-鈮酸鋰相位調制器、5-BNC線、6-信號發生器、7-第二3dB光纖耦合器、8-數據采集卡、9-PCI總線、10-計算機。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步描述，在本實施例中模擬對帶有聲音信息的輸入光信號進行解調的過程。

如圖1所示，本實用新型的裝置包括光纖傳感器探頭1、第一3dB耦合器3、鈮酸鋰相位調制器4、第二3dB耦合器7、數據采集卡8和計算機10，所述光纖傳感器探頭1接入第一3dB耦合器3，第一3dB耦合器3將光信號分為兩路，一路通過鈮酸鋰相位調制器4接入第二3dB耦合器7，另一路直接接入第二3dB耦合器7，第二3dB耦合器7與數據采集卡8相連，數據采集卡8與計算機10相連。鈮酸鋰相位調制器4外接信號發生器6。鈮酸鋰相位調制器4通過兩根BNC線5外接信號發生器6。光纖傳感器探頭1通過傳輸光纖2接入第一3dB耦合器。數據采集卡8通過PCI總線9與計算機10相連。

本實用新型的方法如下：

1)由光纖傳感器探頭1傳回的攜帶聲音信息的光信號進入3dB耦合器2后將被分為兩路，一路進入鈮酸鋰相位調制器，一路繼續在光纖中傳輸。

2)兩路光在3dB耦合器6合束，并發生干涉，形成了一個邁克爾遜光纖干涉儀；鈮酸鋰相位調制器采用兩根BNC線4外接信號發生器5，信號發生器5發出載波頻率為30kHz的余弦波，鈮酸鋰調制器所夾的調制電壓V以30kHz的余弦波形式變化，導致鈮酸鋰調制器中折射率隨著載波頻率的變化而變化，繼而引起晶體中傳輸光波的額外相位變化，由鈮酸鋰調制器帶來的相位變化為：

其中，c為光速，G為鈮酸鋰調制器電極間隙寬度，Γ為重疊積分因子，V為外接信號發生器的調制電壓，l為波導長度，Δυ為由聲信號作用引起的激光頻率變化大小；干涉儀的輸出為：

其中，A為與光功率成正比的常數項，B為與光源功率和干涉儀可見度相關的系數，為噪聲相位；

假設調制電壓V可以表示為：

V＝V_DC+V_m cos(ω_mt) (3)

其中V_DC為直流偏置電壓，ω_m為外接余弦波的頻率，則輸出光功率可以改寫為：

其中，是相位中直流項與噪聲項之和，是一個隨時間緩慢變化的量，

3)3dB耦合器6通過光纖與帶有光電探測器的數據采集卡7相連，輸出光功率為I的干涉光信號通過光纖傳輸到數據采集卡7上，數據采集卡7記錄下輸出光功率I；

4)數據采集卡7通過PCI總線8與計算機9相連，數據采集卡7將光強信息輸出光功率I通過PCI總線8傳輸到計算機9上，通過PGC算法進行解調，得到最終結果。

參見圖2，PGC算法的詳細步驟如下：

1)將干涉光進行貝塞爾函數展開，得：

2)將干涉光信號一路乘以一倍頻Gcosω₀t，一路乘以二倍頻Hcos2ω₀t，可得到

3)將經過乘法器的兩路信號分別進行低通濾波，將所有含ω₀及其倍頻項均濾去，即

4)將經過低通濾波器的兩路信號經過微分，得

5)分別將(8)式與(11)式相乘，(9)式與(10)式相乘，得

6)將(13)式減去(12)式，得

7)對(14)式積分，得

8)對(15)式進行高通濾波并消除系數GHB²J₁(C)J₂(C)，可將被測信號解調出來。