1 北京交通大学 电子信息工程学院，北京00044
2 河北大学 物理科学与技术学院 光信息技术创新中心，河北保定07100
提出了一种基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪和相位信号解调的激光器线宽测量系统，基于相位信号解调的微分交叉相乘算法，可对所采信号进行高速实时处理，快速给出待测激光器的频率噪声信息和线宽值。该系统光路结构简单，无须主动控制，测量结果重复性高。考虑采样信号是否同时包含源信号的最大值和最小值这一重要问题，在仿真和实验两种情况下着重讨论了对源信号进行采样窗口为0.5，0.4，0.1，0.05和0.01 s的采样对所测试激光器频率噪声功率谱密度的影响。仿真和实验均表明，使用采样窗口为0.1，0.05和0.01 s未同时包含源信号的最大值和最小值的采样信号计算获得的激光频率噪声功率谱密度幅值偏高。进一步使用β-分割线法对1.5 μm波段商用激光器和实验室自制的2 μm波段激光器进行线宽测量验证，结果表明，使用同时包含源信号最大值和最小值的采样信号处理得到1.5 μm波段商用激光器的线宽值在测量时间为2 ms时为5 kHz，同时本结论可拓展至全波段适用。
单频窄线宽激光器 线宽测量 频率噪声 相位信号解调 single-frequency narrow linewidth laser line width measurement frequency noise phase signal demodulation
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
2 重庆大学光电工程学院，重庆 400044
以光纤光栅为传感元件的测量系统在航空航天、石油化工、****等领域得到了越来越多的应用，在需要对振动冲击、动态应变等进行测量的场景中，对光纤光栅特征信号进行高速高精度解调是保障光纤光栅传感技术有效应用的关键。本文对光纤光栅高速动态信号解调方法的国内外研究现状进行了综述，按照光谱、光强、相位、微波频谱等对光纤光栅解调方法进行分类，介绍了各解调方法的原理与典型应用，对现阶段各解调方法所能实现的主要技术指标进行了分类整理。最后，对各方法的优缺点进行了对比分析，对一些涉及高速动态测量的场景以及对应可能采用的高速解调方法进行了梳理，并对高速光纤光栅解调方法的未来发展方向进行了展望。
光栅 信号解调 光纤传感 高速动态测量 中国激光
2023, 50(10): 1000001
针对采用马赫-曾德尔(M-Z)干涉结构在低频信号解调时存在静态工作点不稳定和信号失真等问题, 提出了一种基于M-Z干涉结构的低频信号解调方法。对干涉型检波系统相位调制的同时进行相位补偿, 并对通过引入直流滤波器对传统相位生成载波方法进行了改进, 应用软件仿真确定了最佳调制深度, 搭建解调系统进行了低频声波信号的频率与幅度测试实验。实验结果表明: 该方法可以成功解调出幅度为2.5 rad、频率为0.1 Hz的低频信号, 20 Hz的信号频率的线性度高达0.9995。
干涉型光纤检波器 相位生成载波 低频信号解调 外调制 interferometric fiber detector, phase generated ca
1 北京交通大学 光波技术研究所 全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京 100044
2 中国北方工业有限公司, 北京 100053
3 中国科学院 声学研究所 声场声信息国家重点实验室, 北京 100190
为了解决传统的相位生成载波解调算法中由调制深度漂移引起的解调结果失真现象, 采用微分交叉相除的信号解调方法进行了相关的理论分析及仿真验证, 得到了一种不受调制深度限制的高性能相位生成载波解调方案。结果表明, 在采用不同幅值和频率的待测信号进行仿真时, 改进算法的解调性能始终十分优异; 且当调制深度的值为典型值2.63rad和2.37rad以及非典型值1.5rad和3.0rad时, 使用该算法得到的解调信号都没有发生失真; 同时, 当调制深度在0.5rad~3.5rad范围内变化时, 与传统解调算法相比, 改进算法中解调信号的幅值始终与待测信号保持一致,且高次谐波分量始终非常小。该研究解决了传统解调算法中调制深度变化带来的失真现象, 为光纤干涉型传感系统的解调方案提供了参考。
传感器技术 信号解调 微分交叉相除 调制深度 sensor technique signal demodulation differential cross division modulation depth
1 海军工程大学兵器工程学院，湖北 武汉 430033
2 海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430033
弱反射光纤光栅（WFBG）阵列由于具有单纤抗拉强度、大规模复用等特性，近年来得到广泛关注，其在大规模结构健康监测和甚低频水声信号探测等领域具有潜在的应用价值。系统地综述了WFBG阵列的制备、解调与应用进展。在WFBG阵列制备方面，刻栅装置主要以拉丝塔Talbot和相位掩模板技术为主，在光纤选型上则相继出现了紫外透明涂覆层光纤、掺铈光纤等。在信号解调方面，大致有时域波长、频域、微波光子和匹配干涉等四种解调技术。在应用方面，WFBG阵列可以作为制备激光器的器件和传感器应用于监测领域。
传感器 弱反射光纤光栅 拉丝塔光栅 信号解调 激光器制备 结构健康监测 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1700005
红外与激光工程
2021, 50(6): 20200329
1 海军工程大学兵器工程学院, 湖北 武汉 430033
2 海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉 430033
为解决零差对称(NPS)系统中三路输出信号交流分量系数实时偏差对解调的影响,提出一种实时修正NPS的方法,并应用于分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的解调中。把NPS解调系统里干涉仪单臂缠绕在压电陶瓷(PZT)上,施加振幅大于π rad的正弦信号,使三路输出信号满幅。获取当前PZT振动周期内三路输出信号的最大值、最小值,计算各路直流分量系数的特征值,获得当前特征值与前面所有PZT振动周期的直流分量系数和的平均值,作为当前周期的直流分量系数;计算各路交流分量系数特征值,获得当前特征值与前面所有PZT振动周期的交流分量系数和的平均值,作为当前周期的交流分量系数。各周期的三路输出信号减去各自周期的直流分量系数,交流分量除以各自的交流分量系数,从而实时获得归一化的三路交流分量信号,并进行NPS后续运算。采用该方法解调DFB光纤激光水听器,测试200 Hz~4 kHz振动信号,系统连续运行15 h后,解调结果均能真实地还原振动信号。理论和实验表明,这种实时修正NPS的方法能够提高DFB光纤激光水听器的解调精度,并且增加的硬件成本和计算量不大。
光纤光学 3×3耦合器; 实时修正 光纤激光水听器 信号解调 中国激光
2021, 48(13): 1306001
湖北工业大学机械工程学院, 湖北省现代制造质量工程重点实验室, 湖北 武汉430068
为了能够实现高精度的距离测量, 本文提出了一种利用AOM声光调制器线性扫频的测距方法。基于干涉理论, 建立了测距距离与位相、频率之间的数学理论模型。测距实验中, 采用AOM声光调制器双通扫频的方案, 搭建了测距光路实验系统, 产生双频成分的光。通过光电探测器, 把实验中的光信号转换成电信号。由于产生的为非光学干涉信号, 实验中加相关的电子学器件, 进行了信号解调处理。最后, 实验数据经过FFT变换处理, 结果表明测距距离为24.17 m, 测距波动范围为±0.22 m。
线性扫频 干涉理论 测距光路 信号解调 FFT变换 Linear sweep interference theory ranging optical path signal demodulation FFT transform
1 海军工程大学 电子工程学院, 武汉 430033
2 海军工程大学 兵器工程学院, 武汉 430033
提出了一种采用双方波信号和B-样条小波解调弱反射光纤布拉格光栅（WFBG）的方法，并进行了实验验证.单个方波周期设置为相邻WFBG间光纤中激光往返传输的时间，对单个方波进行猝发操作形成双方波，则前WFBG反射的后方波与后WFBG反射的前方波重叠干涉.采用B-样条小波变换降低干涉信号的噪声，利用Hilbert变换对干涉信号进行π/2相移，对原干涉信号和相移后干涉信号比值进行反正切运算，得到干涉信号的相位信息.将间隔为50 m的5-WFBG阵列置于木地板上，分别接收不同振幅和频率的正弦声波，采用上述方法解调的干涉相位信号能较好地反映声波信息.该解调方法解调光路简单，数据处理简单.
光纤布拉格光栅 信号解调 小波变换 B-样条 Fiber Bragg grating Signal demodulation Wavelet transform B-spline
1 武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室, 武汉 430070
2 武汉理工大学 信息工程学院, 武汉 430070
为了提高光纤法布里珀罗传感器的解调精度和效率, 利用干涉光谱中的波峰计算出一系列光程差, 根据最小二乘法求出该组光程差中方差最小的解作为粗略解调结果, 并计算出光谱附加相位; 在光谱附加相位基础上进行校正, 得到补偿光程差, 两者之和为最终解调结果.仿真结果表明, 该算法的解调误差在±2.5 nm内.光纤法布里珀罗蓝宝石高温传感实验表明, 从室温升到1 000℃时, 该算法解调光程差精度为5.4 nm, 对应温度的精度为±0.36‰F.S., 同等条件下计算速度比FFTMMSE快400倍, 具有计算精度高, 计算速度快的优点.
光纤法布里珀罗传感器 信号解调 最小二乘法 相位校正 高温传感器 Fiberoptic FabryPerot sensor Signal demodulation Least square estimation Phase correction High temperature sensor
