一种基于光纤环干涉传感器的双参量幅相融合解调方法

本发明涉及光纤传感技术，特别涉及一种基于光纤环干涉传感器的双参量幅相融合解调方法。

背景技术：

1、随着工业生产规模的不断扩大、资源勘探技术的深入发展以及基础设施监测需求的日益增长，对高精度、高稳定性测量技术的需求愈发迫切。光纤干涉型传感器以其高灵敏度、大测量范围以及抗电磁干扰能力，在精密测量、环境监测和工业控制等多个关键领域展现出了巨大的应用潜力和广阔的市场前景。光纤环干涉传感器(fiber ringinterferometric sensor,fris)作为一种新型光纤干涉型传感器，凭借其独特的环腔衰荡结构和时域无限冲激响应的优异特性，在增强光与物质相互作用、提升传感灵敏度方面表现出色。然而，尽管fris在技术上取得了显著进步，但其传统的解调方法，如基于时域脉冲衰荡拟合或连续随机信号相关解调的技术方案，仍面临诸多挑战。这些方法在实际应用中易受光源波动影响，导致解调结果不稳定；同时，解调过程耗时较长，难以满足实时性要求；此外，其抗干扰能力有限，难以在复杂多变的环境条件下保持高性能运行。这些问题严重制约了fris在更广泛领域的应用与发展。

2、为突破上述技术瓶颈，射频辅助传感技术应运而生。该技术巧妙地融合了光纤光学与射频光子学的双重优势，通过将光波所承载的外部参量变化信息转换为射频信号进行处理，为光纤传感领域开辟了新的技术路径。射频辅助光纤传感技术通过将射频信号高效调制至光载波之上，利用光纤的低损耗、高带宽特性进行远距离、高保真度的信号传输；随后，通过光电转换技术将光信号精确还原为射频信号进行后续处理与分析，从而实现了对环境参数的快速、准确测量。将该射频辅助传感技术与fris相结合，不仅可以显著提升传感系统的解调速度与处理效率，还极大地增强了系统的抗干扰能力与稳定性，为复杂环境下的高精度测量提供了有力保障。

3、在该射频辅助fris中幅度解调与相位解调方法各具优势，其中幅度解调方法具有操作简便、响应迅速等优点。然而其解调精度易受光源功率波动、电学链路噪声等干扰因素影响导致寻峰难度增加且解调误差较大，此外其解调灵敏度与频率分辨率紧密相关，对系统性能要求较高。而相位解调方法则基于相位谱的细微变化通过相位移放大技术提升损耗传感灵敏度，能够从独特的相位视角捕捉到常规幅度谱中难以察觉的微弱信息进一步挖掘fris的传感潜力。尽管相位解调在设备性能有限的情况下仍能提供较高的解调灵敏度且特别适用于射频辅助光纤传感系统，但其解调过程相对复杂。此外，在fris的解调中多参量间的串扰也是限制其在复杂场景下实现多功能监测的重要因素。因此，亟需一种基于射频辅助fris的频率响应实现快速响应、高灵敏度、高精度的多参量无串扰解调方法。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种基于光纤环干涉传感器的双参量幅相融合解调方法，不仅可以单独基于幅度谱或相位谱实现射频辅助fris对温度和损耗的无串扰测量，还可将二者相融合以提高解调性能。

2、技术方案：本发明的一种基于光纤环干涉传感器的双参量幅相融合解调方法，包括：

3、通过矢量网络分析仪生成随时间啁啾变化的扫频射频信号，扫频射频信号经过电放大器进行功率放大后注入到电光调制器中，并调制加载在宽带光源输出的连续非相干光上，使光载波在强度上承载随时间变化的射频信号；

4、被射频调制的光载波在光纤耦合器的作用下部分交叉耦合进入光纤环干涉传感器中，剩余部分则直接自耦合输出；光纤环干涉传感器包括损耗传感光纤和温度传感光纤；

5、光载波在光纤环干涉传感器内循环传播，并在每次经过光纤耦合器时部分光波被交叉耦合至环外，与首次自耦合输出的光载波叠加；

6、在光纤环干涉传感器中，通过对温度传感光纤施加温度变化，或对损耗传感光纤施加损耗变化，使得在光纤环干涉传感器内循环传播的光载波产生固定的光程差和时延差；

7、叠加后的光载波被光电探测器接收并转换为携带待测参量信息的射频电信号，在电学频率域内发生干涉，通过矢量网络分析仪获取光纤环干涉传感器的频率响应，基于幅度谱和相移谱融合实现温度和损耗的双参量解调。

8、进一步地，基于幅度谱和相移谱融合实现温度和损耗的双参量解调包括：

9、获取幅度谱中干涉峰或干涉谷对应的频率，根据频率计算得到第一温度，利用第一温度确定解调温度的整数位；获取相移谱的零相移点对应的频率，根据频率计算得到第二温度，利用第二温度确定解调温度的小数位。

10、进一步地，基于幅度谱和相移谱融合实现温度和损耗的双参量解调还包括：

11、至少选取包含三个周期的幅度谱，提取谱线的极大值和极小值，计算得到干涉条纹对比度平均值，根据条纹对比度平均值确定解调损耗的百分位；

12、获取0～50mhz范围内的相移谱，根据相移谱的相移量进行损耗的解调，根据解调结果确定解调损耗的千分位。

13、进一步地，宽带光源的输出波长为1530nm～1565nm的宽谱光。

14、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

15、1、本发明利用频率响应中的干涉幅度谱频率漂移、条纹对比度变化，以及相移谱的频率漂移、相移量变化，实现对温度和损耗的双参量无串扰解调；

16、2、本发明将fris频率响应的幅度与相位信息相融合，兼具幅度解调的快速响应以及相位解调的高灵敏度、高精度的优点；

17、3、本发明极大提高了对频率响应的信息利用率，从幅度和相位两个维度相互补偿和修正提高了解调结果的准确度。

技术特征：

1.一种基于光纤环干涉传感器的双参量幅相融合解调方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤环干涉传感器的双参量幅相融合解调方法，其特征在于，基于幅度谱和相移谱融合实现温度和损耗的双参量解调包括：

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤环干涉传感器的双参量幅相融合解调方法，其特征在于，基于幅度谱和相移谱融合实现温度和损耗的双参量解调还包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤环干涉传感器的双参量幅相融合解调方法，其特征在于，宽带光源的输出波长为1530nm～1565nm的宽谱光。

技术总结本发明公开了一种基于光纤环干涉传感器的双参量幅相融合解调方法，采用矢量网络分析仪获取系统的频率响应，利用频率响应的干涉幅度谱的频率漂移和条纹对比度、以及不同调制频率下相位谱变化，从而基于幅度谱和相位谱两种信息相结合实现对温度和损耗的双参量无串扰幅相融合解调。本发明利用幅相融合解调方法兼具幅度谱解调的快速响应以及相位解调的高灵敏度和抗光源功率波动的特点，针对不同使用场景可以灵活调节解调模式，同时还可基于相位解调结果对幅度解调结果进行补偿和修正；利用了频率响应信息，不仅可以单独基于幅度谱或相位谱实现射频辅助FRIS对温度和损耗的无串扰测量，还可将二者相融合以提高解调性能。技术研发人员：蔡鹏,徐田田,魏航安,李治郅,邹衍华受保护的技术使用者：无锡学院技术研发日：技术公布日：2025/1/6