基于七芯光纤干涉仪通信传感一体化装置及其应用方法

本发明涉及通信传感领域，更具体地，涉及基于七芯光纤干涉仪通信传感一体化装置及其应用方法。

背景技术：

1、近年来，人们对光纤网络的支持同时通信和感应能力的兴趣日益浓厚。如果能在光纤中同时加载传感技术，光纤网络可以监测大范围覆盖范围内的外部环境，有利于光纤通信故障的早期发现，以及公共安全和智慧城市的系统和发展。另外，光通信基础设施能为光纤传输提供便捷的电源以及快速数据传输。以往的方案主要关注瞬时和高频的振动检测，但是连续低频检测对各种应用也十分重要。在低频中通过光纤干涉法，激光相位噪声和缓慢而随机的相位扰动会转化为噪声，该噪声在进行对称光纤干涉测量时恶化，从而影响最终的通信传感效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于公开一种适用于连续低频检测检测且通信传感效果更好的基于七芯光纤干涉仪通信传感一体化装置及其应用方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供基于七芯光纤干涉仪通信传感一体化装置，包括：包括：窄线宽激光器、第一分束器、第一相干发射机、第二相干发射机、第一光放大器、第二光放大器、扇入端、扇出端、多芯光纤、第二分束器、第三分束器、第一相干接收机、第二相干接收机和锁相环；

3、所述锁相环包括声光调制器、压电陶瓷光纤拉伸器、低通滤波器、耦合器、平衡光电探测器、混频器和带通滤波器；

4、其中所述窄线宽激光器通过所述第一分束器分别与所述第一相干发射机以及所述第二相干发射机连接，所述第一相干发射机通过第一光放大器与扇入端连接，所述第一相干发射机通过第二光放大器与扇入端连接，所述扇入端通过所述多芯光纤与所述扇出端连接，所述扇出端通过所述第二分束器分别连接所述第一相干接收机与所述声光调制器，所述扇出端通过所述第三分束器分别连接所述第二相干接收机与所述压电陶瓷光纤拉伸器，所述声光调制器与所述压电陶瓷光纤拉伸器通过所述耦合器与所述平衡光电探测器连接，所述平衡光电探测器通过所述带通滤波器与所述混频器连接，所述压电陶瓷光纤拉伸器通过所述混频器与所述混频器连接，所述声光调制器与所述混频器连接。

5、此外本发明提供一种基于七芯光纤干涉仪通信传感一体化装置的应用方法，包括以下步骤：

6、s1:第一分束器将窄线宽激光器发出光源分束为参考光和信号光；

7、s2:参考光通过第一相干光发射机得到调制参考光，信号光通过第二相干发射机得到调制信号光；

8、s3:调制参考光经过第一放大器得到放大调制参考光，调制信号光经过第二放大器得到放大调制信号光，

9、s4:将放大调制参考光与放大调制信号光从扇入端通过多芯光纤，由扇出端输出，得到输出参考光以及输出信号光；

10、s5:输出参考光经过第二分束器得到第一输出参考光以及第二输出参考光、输出信号光经过第三分束器得到第一输出信号光以及第二输出信号光，

11、s6:将第一输出参考光经过第一相干接收机进行解调，得到初步解调参考光；将第一输出信号光经过第二相干接收机进行解调，得到初步解调信号光；

12、s7:将第二输出参考光以及第二输出信号光经过锁相环对初步解调参考光以及初步解调信号光进行干扰消除，得到最终解调参考光以及最终解调信号光。

13、进一步地，在步骤s2中，包括：将参考光通过第一相干光发射机进行双偏振qam信号调制得到调制参考光，信号光通过第二相干发射机进行双偏振qam信号调制得到调制信号光。

14、进一步地，在步骤s2中，包括：参考光通过第一相干光发射机时加入比参考光功率低34db的直流分量，信号光通过第二相干光发射机时加入比信号功率低34db的直流分量。

15、进一步地，在步骤s6中，包括：先通过频偏补偿和去直流算法将直流分量消除，然后将第一输出参考光经过第一相干接收机进行解调，得到初步解调参考光；将第一输出信号光经过第二相干接收机进行解调，得到初步解调信号光。

16、进一步地，在步骤s4中，包括将放大调制参考光从扇入端通过多芯光纤的1芯，由扇出端输出，得到输出参考光，将放大调制信号光从扇入端通过多芯光纤的除1芯外的任一芯，由扇出端输出，得到输出信号光。

17、进一步地，在步骤s7中，包括：将第二输出参考光经过40mhz的声光调制器进行频移再进入锁相环。

18、进一步地，在步骤s7中，锁相环由平衡光电探测器、环路滤波器、光纤拉伸器组成，平衡光电探测器将混合后的第二输出参考光与第二输出信号光进行相干探测，完成光信号到电信号的转换，消除共模噪声。

19、进一步地，在步骤s7中，包括：通过带通滤波器中滤出在40mhz的信号，40mhz电信号进入混频器后下变频为基频信号，从而检测出相位信息，通过环路滤波器和光纤拉伸器对扰动的相位信息进行实时补偿，基频电信号经过环路滤波器后形成误差信号后再反馈到控制链路中的光纤拉伸器，对相位信息进行补偿。

20、进一步地，包括：未进行相干探测光电流为：

21、

22、其中，r时bpd的响应度，ps和pr是信号光与参考光的载波功率，而ωif＝ωs-ωr为信号光与本振光的频率差，φe＝φs(t)-φr(t)为信号光和参考光的相位差，即需要解调的信号，φc是由于激光器相位噪声引起的拍频噪声以及在光纤传输过程中由于温度变化、振动等环境扰动变化引入的激光相对扰动噪声，这是干涉解调仪主要的噪声来源，该噪声主要在低频区域，会严重影响解调信号，φn(t)则是由调制的通信信号引入的相位噪声，由于通信信号带宽远高于振动信号，φn(t)也是一个宽带宽信号，在局部频率段的功率远低于载波信号；

23、通过混频器和低通滤波处理后，正弦信号中的相位项只留下后三项：φ＝φe(t)+φ′c(t)+φ′n(t)，当经过锁相环时，环路滤波的误差信号转换为强电压控制pzt，对φ′c(t)进行补偿，此时，ipd(t)改变为：

24、

25、φpzt(t)为pzt引入的相位变化，通过设置合适的滤波器参数，可将φpzt(t)快速追踪相位噪声φ′c(t)并且进行抑制，实现实时动态补偿，保证稳定的干涉和相干探测的进行。

26、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

27、本发明采用多芯光纤作为传输介质，一方面，利用空分复用特性，使得参考光和信号光在同一根光纤中同步传输，这种同步传输保证两束光在传输过程中经历基本相同的路径。因此，其由于环境扰动引入的噪声和抖动从原本的差模噪声转化为了共模噪声，对共模噪声的抑制较为容易实现，因此多芯光纤作为参考光和信号光的传输信道的同时，也起到对两束光的相对扰动噪声的初步抑制的作用。另一方面，利用多芯光纤能增加通信信道，由于弱耦合光纤的芯间串扰较低，光通信信息在不同芯间进行传输时几乎没有影响，从而提高传输容量。同时多芯光纤能与现有的单模光纤通信系统兼容，是下一代大容量空分复用光纤通信的解决方案之一。除此以外，本发明采用锁相环对参考光与信号光的扰动噪声进一步消除。从而在连续低频检测中实现排除噪声干扰，提高通信传感效果。