3×3光纤耦合器解调方法

介绍了3×3光纤耦合器输出解调方法的原理,推导出了3×3光纤耦合器输出解调信号的数学表达式,给出了3×3光纤耦合器输出解调算法的解调频率范围,分析了外界干扰信号、耦合器的不对称性、以及信号中存在高次谐波对解调结果的影响。分析结果表明:该方法有比较宽的频率解调范围,能够克服温度变化等外界因素的干扰,能够消除3×3耦合器3个输出端存的偏差对解调结果的影响以及在信号中存在高次谐波的影响。该方法具有性能稳定、不需要载波、不需要稳定的工作点以及抗干扰能力强等优点,具有较强的实用性和可行性,对解调电路的数字化设计具有理论指导意义。     

基于压电陶瓷的光相位调制器的调制系数测量及验证

实现了一种快速简单有效的测量基于压电陶瓷(PZT)的光相位调制器相位调制系数的方法。利用光纤马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪输出光强度与两臂相位差的函数关系,通过3×3解调算法可以计算基于PZT的光相位调制器的相位调制系数。实验中在M-Z干涉仪另一臂加上一个基于PZT的相位调制器以减小系统噪声的影响,并在相位生成载波(PGC)解调实验中作为干扰源。最后通过PGC解调方案解调出了3×3耦合器的第一路输出信号中的干扰信号,实验验证了所测量的结果,表明该方法是行之有效的。     

用3×3耦合器的干涉仪直接解调光纤光栅传感器的信号

为了简单直接地解调出光纤光栅的波长移动 ,提出了另外一种非平衡马赫曾德尔干涉仪的直接解调技术。用一只 2× 2耦合器和一只 3× 3耦合器组成非平衡的马赫曾德尔光纤干涉仪 ,作为光纤光栅的波长移动解调器。解调器输出的 3路信号 ,互成 12 0°相位差。通过对 3路输出信号计算的方法 ,就可以直接解调出光纤光栅的波长移动。将 3路信号采集送入计算机 ,用软件实现了信号的解调。测量结果表明 ,在干涉仪两臂长度相关 5mm时 ,测量动态应变的分辨率达到了 0 5 1nε/Hz1/2 。还得到了输出信号的频谱和输入输出信号的关系。     

一种提高光纤水听器解调系统噪声传递系数稳定性的多相相位生成载波解调算法

相位生成载波（PGC）调制解调是干涉型光纤水听器常用的解调方法。首先,分析并建立了PGC解调系统的噪声传递模型,研究了光源强度噪声对PGC解调输出噪声的影响机理,分析了调制深度和工作点两个参数对PGC解调噪声稳定性的影响。然后,提出了一种基于3×3耦合器的多相PGC解调方案,即在传统PGC解调架构中引入3×3耦合器进行多相检测,利用3×3耦合器的相移特性对三路干涉信号进行融合处理。在不同的调制深度条件下,该方案可以降低水听器工作点变化所引起的光源强度噪声传递系数波动范围。实验结果显示,在常用的调制深度范围（1.7～3.4）内,工作点变化导致的噪声传递系数波动峰谷值小于0.5 dB,噪声稳定性相比传统PGC解调系统显著提升。     

一种确定光纤传感器中3×3耦合器输出信号相位差的新算法

本文提出了一种基于Bessel函数展开,在频域内精确确定光纤传感器3×3耦合器输出信号相位差的算法。在Mach-Zehnder干涉仪原理的基础上,通过建立3~3耦合器输出信号的数学模型和利用耦合器输出光功率的Bessel展开,完成了算法的理论推导,并且在实验室中进行了声学实验。数据处理结果表明,该算法能够较精确地确定3×3耦合器输出信号的相位差,且相位差与调制频率无关,与理论相符。     

温度和振动对光纤马赫-曾德干涉仪的影响与动态补偿研究

环境温度变化和振动会引起光纤马赫-曾德干涉仪两臂相差随机性变化,致使干涉仪输出不稳定.本文研究了自然条件下外界温度和振动对基于3×3耦合器干涉仪的影响,分析结果表明,温度和振动所引起的干扰主要集中于100Hz以下的低频成分中.为了消除这些干扰,设计了单臂补偿的反馈回路以稳定输出信号,并提出了一种利用象限判决方法来区分反馈正负性的动态补偿方法.实验中利用3×3耦合器3个输出端中其中2个进行光电变换、差分放大等反馈电路后驱动管状压电陶瓷,使缠绕在其上的光纤伸缩,动态补偿干涉仪相差的漂移,稳定干涉仪输出即3×3耦合器第三输出端口的信号.针对自然环境下温度和振动引起的干扰,本文研制了一种稳定的动态补偿装置,能有效抑制160Hz以下的低频干扰,实时补偿干涉仪两臂的相差漂移,干涉仪输出稳定的干涉信号,波动幅度小于5.64%.     

基于3×3耦合器的迈克耳孙干涉仪相位特性分析

研究了基于3×3耦合器的非平衡迈克耳孙干涉仪的相位特性.由光纤耦合器的散射矩阵理论,推导出了当3×3耦合器分光比不均匀时,干涉仪三路输出信号相位差的表达式.根据实际使用的3×3耦合器各通道的插入损耗,经计算与修正得到其散射矩阵,并求出干涉仪三路输出信号的相位差分别为120.21°、120.77°和119.02°,与理想值120°的偏差在1°以内.实验测得的干涉仪三路输出信号的相位差随时间随机变化,经分析是由光偏振态随机变化引起的.相位差与理想值120°的偏离均在1°以内,符合理论分析得到的结论.     

干涉型光纤传感器中非理想3×3耦合器对相位解调的影响分析

深入研究了非理想3×3耦合器对相位解调结果的影响,理论分析了非理想相位条件下的解调结果。仿真计算了相位偏差在±1～5°均匀分布时解调结果与原始结果的相关系数,分析了干涉信号存在幅度噪声时对解调结果的影响。对于特定的系统,相位偏差在解调结果中引入了一个常数系数,相位偏差在±1～5°均匀分布时常数系数的均值分别为0.9999、0.9996、0.9991、0.9984和0.9975。干涉信号的幅度噪声会明显恶化解调算法的性能,为保证解调信号与原始信号相关系数在0.99以上,需要控制干涉信号的幅度噪声水平在6.4%以内。     

3×3耦合器解调过程中的偏振分析与处理

针对马赫曾德光纤干涉结构的信号解调,理论分析了偏振衰落对3×3耦合器解调的影响,发现椭圆拟合估计法解调的关键是准确获取信号李萨如图形的椭圆表达式,从而提出了基于形态学滤波的偏振处理方法,即利用腐蚀和膨胀滤除椭圆图形中的噪声点,然后用边缘检测方法提取椭圆外轮廓,再用最小二乘数值估计方法求解椭圆参数,最后利用微分交叉相乘方法完成扰动信号的相位还原.仿真结果和现场实验数据证明该方法切实有效,与传统偏振处理方法相比,节省了硬件开支,有效提高了信号解调的稳定性和精确度.     

双光束干涉仪中椭圆拟合估算的参数精度研究

双光束干涉仪的相位调制解调通常会用到椭圆拟合的方法来计算相应的解调参数,提出了一种用于评价这类参数的计算精度的方法。根据自适应的蒙特卡罗法,计算不同噪声水平下椭圆拟合估算的参数的最大偏差;根据实验测得的干涉信号噪声本底的大小,判断拟合的参数的精度。以基于3×3耦合器的光纤水听器的两路输出方案为例,该方案为提高水听器的解调性能,需研究参数的数值随器件性能的变化规律,因此首先要判定实验中通过椭圆拟合所求得的参数的准确性。将该精度评定方法运用在水听器测量实验中,测量的干涉信号在20 Hz~4 k Hz处的噪声本底接近-70 d B·V2/Hz,根据自适应的蒙特卡罗法,得到参数的偏差不超过0.06%和0.08°。     

分布式光纤声波振动传感系统研发及应用

针对油气田勘探开发需获取微声波信号完整波形的问题，开展了基于双脉冲外差调制与反正切外差解调方案的分布式光纤声波传感（DAS）技术研究与配套系统研发。通过特征参数室内振动模拟实验，新型DAS系统的响应频率范围20 Hz～25 kHz、最大动态范围60 dB、信噪比49 dB，满足微声波信号幅度、频率、相位等信息的探测需求。同时，该系统在新疆油田稠油热采井下蒸汽腔探测方面成功开展了现场应用，实测有效声压强度?195 dB，验证了系统的可靠性，具有良好的应用前景。     

10～500 kHz水听器的激光外差干涉法原级校准

阐述了水听器在10~500 kHz频率范围的激光外差干涉法原级校准的原理和测量装置。利用激光外差干涉系统非接触测量水中反光薄膜在声波调制下引起的多普勒频移,经过零点信号解调算法得到水质点振速,准确复现水下声压量值,之后将水听器置于水中测量点完成对其自由场电压灵敏度的原级校准。对各误差因素进行了分析,详细给出了系统测量不确定度的评定方法,在所测频段的不确定度为0.6 dB (k=2)。将激光外差干涉法水听器校准结果与自由场互易法结果进行了对比,在整个测量频率范围内结果等效,且前者不确定度更小。为建立新的水声计量基准和实现水声量值的扁平化传递奠定了基础。      

一种光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究

为了校准光纤光栅水听器的灵敏度,开展了光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究.本文首先介绍了光纤光栅水听器的工作原理;其次,采用可调谐激光器和带工作点控制的强度调制法,实现了光纤光栅水听器的信号解调和稳态测量;在此基础上,利用比较法建立了一种光纤光栅水听器校准系统,校准频率范围为20 Hz～10 kHz;最后,在该频率范围内对采用等效相移布喇格光栅研制的一只光纤光栅水听器的灵敏度进行了校准,对系统的测量不确定度进行了估算.结果表明,该系统可准确校准光纤光栅水听器的灵敏度,扩展不确定度为0.9 dB(k＝2).     

20 Hz~10 kHz光纤水听器相移灵敏度校准

利用相位生成载波解调技术精确测量光纤水听器的光相移量,在20 Hz~10 kHz频率范围实现了光纤水听器探头相移灵敏度的校准.20 Hz~1.25 kHz频段采用驻波管比较法进行校准,1.25 kHz~10 kHz频段采用自由场脉冲比较法进行校准.利用本文建立的校准系统,对TMD 35#光纤水听器的相移灵敏度进行校准,校准结果表明,两种方法测得的相移灵敏度具有很好的一致性,在1.25 kHz频率点的相移灵敏度值偏差为0.8 dB.不确定度分析表明,该校准系统的扩展不确定度(k=2)为0.9 dB.     

一种光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究

为了校准光纤光栅水听器的灵敏度,开展了光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究.本文首先介绍了光纤光栅水听器的工作原理;其次,采用可调谐激光器和带工作点控制的强度调制法,实现了光纤光栅水听器的信号解调和稳态测量;在此基础上,利用比较法建立了一种光纤光栅水听器校准系统,校准频率范围为20 Hz~10 kHz;最后,在该频率范围内对采用等效相移布喇格光栅研制的一只光纤光栅水听器的灵敏度进行了校准,对系统的测量不确定度进行了估算.结果表明,该系统可准确校准光纤光栅水听器的灵敏度,扩展不确定度为0.9 dB(k=2).     

Investigation on the maximum signal handling capability of fiber optic interferometric sensor based on the digital heterodyne demodulation scheme

The maximum signal handling capability (MSHC) is an important parameter for the fiber optic interferometric sensor (FOIS) system. It is restricted by the heterodyne frequency (HF) and the digital quadrature demodulation algorithm (DQDA) in the digital heterodyne demodulation scheme. In this paper we systematically investigate the MSHC of the FOIS based on the digital heterodyne demodulation scheme through comparison of the HF-determined MSHC and DQDA-determined MSHC. When discussing the DQDA-determined MSHC, two widely used methods are included, which are arctangent and differential-cross multiply (DCM). The comparison results reveal that the arctangent-determined MSHC is 12 dB larger than the DCM-determined MSHC. The HF-determined MSHC is between the two types of DQDA-determined MSHC. If the DQDA is arctangent, the MSHC of the system is the HF-determined MSHC. If the DQDA is DCM, the MSHC of the system is the DCM-determined MSHC. Experiments are carried out and the results are consistent with the theoretical analysis. The conclusion in this paper can help us to estimate the MSHC of the FOIS system based on the digital heterodyne demodulation scheme more accurately and provide a useful guideline for the design of the FOIS system with large demodulation dynamic scale.     

低噪声环形腔掺铒光纤激光器的研究

分析了环形腔掺铒光纤激光器的输出特性,给出了稳态下的激光器输出功率、阈值泵浦功率和斜率效率的解析表达式,为激光器结构的优化提供了依据。搭建了全保偏环形腔掺铒光纤激光器,利用未泵浦铒纤中由驻波干涉和饱和吸收诱发的自写入光纤光栅的窄带滤波特性及反射波长的自适应特性,有效地解决了激光器的跳模问题。通过测量得到激光器系统的泵浦阈值为15.3mW,斜率效率为2.8%,输出偏振度为32dB。利用非平衡光纤干涉仪系统和相位产生载波(PGC)调制解调技术测得激光器的相位噪声为3×10-5rad/Hz~1/2(1kHz)。     

干涉型光纤水听器数字化外差检测方法动态范围上限研究

阐述了干涉型光纤水听器外差检测的基本原理,对干涉型光纤水听器数字化外差检测方法动态范围上限进行了研究.理论分析了由外差频率决定的动态范围上限以及反正切、微分-交叉相乘(DCM)两种正交解调算法决定的动态范围上限,并进行了综合对比.分析结果表明,不同的外差频率所能达到的动态范围上限不同;相同的外差频率结合不同的正交解调算...     

Frequency noise reduction in erbium-doped fiber distributed-feedback lasers by electronic feedback

A novel technique for suppressing frequency noise in an erbium-doped fiber distributed-feedback laser incorporated into a master-oscillator-power-amplifier configuration by an electronic feedback technique is presented. The frequency noise is suppressed by locking of the laser emission to a fiber interferometer. The frequency noise spectral density of the laser is reduced by as much as 20 dB over the frequency range 1 Hz-10 kHz to 1.5 Hz/Hz(1/2) +/-25% at 1 kHz with a relative intensity noise spectral density below -120 dB/Hz over the frequency range 10 Hz-1 kHz. These lasers will have applications as sources for fiber-optic interferometry, high-resolution spectroscopy, and high-bandwidth communications.     

基于噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术实现光纤激光器到1530.58 nmNH_3亚多普勒饱和光谱的频率锁定

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)由于结合了频率调制光谱与腔增强光谱两种技术,不仅可以将激光耦合到高精细度谐振腔大幅提高腔内功率,还可以实现低气压样品气体的高灵敏测量,因此基于该技术可以实现分子吸收线的饱和,获得亚多普勒光谱,从而能作为激光频率锁定的参考.本文基于光纤激光器的NICE-OHMS技术,将光纤激光器频率锁定到NH3的亚多普勒吸收线上.首先分析了基于Pound-Drever-Hall和DeVoe-Brewer技术实现激光到腔模和调制频率到腔自由光谱区频率锁定的性能,之后在腔内气压为70 mTorr条件下,测量了半高全宽为2.05 MHz的NH3亚多普勒信号,最后将1.53μm的光纤激光器频率锁定到该亚多普勒吸收线上,相对频率偏差为16.3 kHz,阿伦方差结果显示,136 s积分时间下频率稳定度达到1.6×10~(-12).