本發(fā)明涉及一種光纖光柵的測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種光纖光柵水聽器的信號(hào)解調(diào)裝置及方法。

背景技術(shù)：

光纖水聽器是以光纖為傳感和信號(hào)傳輸媒介的水下聲壓傳感器，具有靈敏度高、抗電磁干擾強(qiáng)、全光傳輸、體積小、重量輕、易于組網(wǎng)等特點(diǎn)，已成為新一代水聲探測(cè)裝備發(fā)展的方向。目前較為成熟的光纖水聽器為干涉型，其原理是通過增加繞制光纖長度來獲得高靈敏度，從而限制了干涉型光纖水聽器的最小尺寸。

自從1989年mcltz成功地實(shí)現(xiàn)光纖光柵紫外光側(cè)面寫入技術(shù)以來，光纖光柵已被用來對(duì)諸多物理量進(jìn)行傳感檢測(cè)。光纖光柵水聽器以其體積小，復(fù)用能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，為解決陣列小尺寸和大規(guī)模復(fù)用等工程應(yīng)用問題提供了新的方案。溫度和應(yīng)力是直接影響光纖光柵布拉格波長的主要物理量，受這兩個(gè)物理量作用時(shí)，熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)將引起纖芯折射率變化，熱膨脹以及機(jī)械拉伸也將影響光柵常數(shù)，從而引起布拉格波長漂移。因此觀察光纖光柵的波長漂移量便可判斷待測(cè)量大小，如何檢測(cè)傳感光柵布拉格波長的微小偏移，是這類傳感器實(shí)用化面臨的關(guān)鍵技術(shù)，也是整個(gè)傳感系統(tǒng)的核心部分，很大程度上決定了解調(diào)系統(tǒng)的分辨率、可靠性和成本。為此，人們提出了許多檢測(cè)方案，諸如可調(diào)諧激光邊波法、鎖模調(diào)制法、非平衡m-z干涉法等。

其中非平衡m-z干涉法是一種參量轉(zhuǎn)化方法，將光纖光柵的波長轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮鎯x的相位變化。這種方法的檢測(cè)靈敏度高，但是很容易受到外界環(huán)境的干擾。目前報(bào)道的基于非平衡干涉儀的光纖光柵解調(diào)方案采用壓電陶瓷調(diào)制器或3×3耦合器，線性度和穩(wěn)定性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：相比于現(xiàn)有技術(shù)，提供了一種光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置及方法，使得光纖光柵水聽器具有較高靈敏度，并有效的提高了線性度和穩(wěn)定性。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置，包括：寬帶光源、第一耦合器、y波導(dǎo)、第一干涉儀光纖、第二干涉儀光纖、第二耦合器、光電探測(cè)器、a/d轉(zhuǎn)換電路、fpga和d/a轉(zhuǎn)換電路，其中，y波導(dǎo)、第一干涉儀光纖、第二干涉儀光纖和第二耦合器組成光纖m-z干涉儀；寬帶光源產(chǎn)生光信號(hào)，經(jīng)第一耦合器傳給光纖光柵水聽器，經(jīng)光纖光柵水聽器產(chǎn)生反射光再傳給第一耦合器，第一耦合器將反射光傳輸給y波導(dǎo)，在y波導(dǎo)分成兩束光，分別經(jīng)過第一干涉儀光纖和第二干涉儀光纖傳給第二耦合器，然后在第二耦合器內(nèi)干涉，光纖光柵水聽器探測(cè)到的水聲信號(hào)會(huì)引起光纖光柵水聽器的反射光中心波長的變化，光纖m-z干涉儀將反射光的中心波長變化轉(zhuǎn)換為干涉信號(hào)相位的變化，相位變化引起光纖m-z干涉儀透射強(qiáng)度變化，再由光電探測(cè)器將干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，fpga控制a/d轉(zhuǎn)換電路采集電流信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)傳給d/a轉(zhuǎn)換電路，通過d/a轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生一個(gè)方波調(diào)制信號(hào)和反饋信號(hào)并加載到y(tǒng)波導(dǎo)，通過y波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)相位偏置調(diào)制和閉環(huán)反饋控制。

上述光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置中，所述寬帶光源為摻鉺光纖光源或超輻射發(fā)光二極管光源，所述寬帶光源的譜寬40nm～80nm。

上述光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置中，所述第一耦合器為2×2光纖耦合器，分光比為1：1。

上述光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置中，所述第二耦合器為2×2光纖耦合器，分光比為1：1。

上述光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置中，所述光纖m-z干涉儀的光程差小于0.481mm。

上述光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置中，所述的光電探測(cè)器為ingaaspin光電探測(cè)器，工作波長為1000nm～1650nm，在1550nm的響應(yīng)度為0.7～0.9a/w。

上述光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置中，所述方波調(diào)制信號(hào)的周期為2τ，τ為從寬帶光源發(fā)出的光信號(hào)到達(dá)y波導(dǎo)所需的時(shí)間。

上述光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置中，所述反饋信號(hào)通過y波導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)反饋相位差，與水聲信號(hào)引起的相位差大小相等，符號(hào)相反。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種光纖光柵水聽器的解調(diào)方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟一：構(gòu)建光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置，其中，光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置包括：寬帶光源、第一耦合器、y波導(dǎo)、第一干涉儀光纖、第二干涉儀光纖、第二耦合器、光電探測(cè)器、a/d轉(zhuǎn)換電路、fpga和d/a轉(zhuǎn)換電路，其中，y波導(dǎo)、第一干涉儀光纖、第二干涉儀光纖和第二耦合器組成光纖m-z干涉儀；

步驟二：寬帶光源產(chǎn)生光信號(hào)，經(jīng)第一耦合器傳給光纖光柵水聽器，經(jīng)光纖光柵水聽器產(chǎn)生反射光再傳給第一耦合器，第一耦合器將反射光傳輸給y波導(dǎo)，在y波導(dǎo)分成兩束光，分別經(jīng)過第一干涉儀光纖和第二干涉儀光纖傳給第二耦合器，然后在第二耦合器內(nèi)干涉；

步驟三：光纖光柵水聽器探測(cè)到的水聲信號(hào)會(huì)引起光纖光柵水聽器的反射光中心波長的變化，光纖m-z干涉儀將反射光的中心波長變化轉(zhuǎn)換為干涉信號(hào)相位的變化，相位變化引起光纖m-z干涉儀透射強(qiáng)度變化，再由光電探測(cè)器將透射強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，fpga控制a/d轉(zhuǎn)換電路采集電流信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后fpga產(chǎn)生一個(gè)方波調(diào)制信號(hào)和反饋信號(hào)，經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后加載到y(tǒng)波導(dǎo)，y波導(dǎo)對(duì)光纖m-z干涉儀的干涉信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)相位偏置調(diào)制和閉環(huán)反饋控制。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種光纖光柵水聽器數(shù)字閉環(huán)解調(diào)方法，采用基于fpga的數(shù)字閉環(huán)控制電路，產(chǎn)生一個(gè)方波調(diào)制信號(hào)和反饋控制信號(hào)，使得光纖光柵水聽器總是在靈敏度較大的工作點(diǎn)上；同時(shí)，反饋相位差與光纖光柵水聽器輸入信號(hào)引起的干涉信號(hào)相位差大小相等，方向相反，使得總相位差被伺服控制在0附近，而且不受光源光功率波動(dòng)影響。因此，光纖光柵水聽器可以獲得較好的線性度和穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明的光纖m-z干涉儀測(cè)量光纖光柵波長變化的原理圖；

圖3為本發(fā)明的光纖光柵水聽器解調(diào)方法的相位偏置調(diào)制原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

圖1為本發(fā)明的光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置的示意圖。如圖1所示，該光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置包括：寬帶光源1、第一耦合器2、y波導(dǎo)3、第一干涉儀光纖10、第二干涉儀光纖11、第二耦合器4、光電探測(cè)器5、a/d轉(zhuǎn)換電路6、fpga7和d/a轉(zhuǎn)換電路8，其中，y波導(dǎo)3、第一干涉儀光纖10、第二干涉儀光纖11和第二耦合器4組成光纖m-z干涉儀。具體的，寬帶光源1為摻鉺光纖光源或超輻射發(fā)光二極管光源，所述寬帶光源1的譜寬40nm～80nm。第一耦合器2和第二耦合器4均為2×2光纖耦合器，分光比為1：1，可將入射光信號(hào)等分成兩束光信號(hào)，光功率分別為入射光的50％。y波導(dǎo)3是y波導(dǎo)集成光學(xué)器件的簡稱，該器件同時(shí)具有分束器、偏振器和相位調(diào)制器功能，可根據(jù)控制電壓的大小產(chǎn)生相應(yīng)的相位調(diào)制信號(hào)。光電探測(cè)器5為ingaaspin光電探測(cè)器，工作波長1000nm～1650nm，在1550nm的響應(yīng)度為0.7～0.9a/w。光纖m-z干涉儀的光程差小于0.481mm。其中，

寬帶光源1、第一耦合器2與光纖光柵水聽器9依次相連接，y波導(dǎo)3、光纖m-z干涉儀10、第二耦合器4、光電探測(cè)器5、a/d轉(zhuǎn)換電路6、fpga7和d/a轉(zhuǎn)換電路8形成一閉環(huán)回路，控制方法采用階梯波閉環(huán)控制方案。

具體的，寬譜光源1產(chǎn)生光信號(hào)，經(jīng)第一耦合器2傳給光纖光柵水聽器，其反射光再經(jīng)y波導(dǎo)3、第一干涉儀光纖10、第二干涉儀光纖11、第二耦合器4組成的光纖m-z干涉儀，光纖光柵水聽器9探測(cè)到的水聲信號(hào)會(huì)引起光纖光柵水聽器9的反射光中心波長的變化，光纖m-z干涉儀將光纖光柵水聽器反射光的波長變化轉(zhuǎn)換為干涉信號(hào)相位的變化，相位變化引起光纖m-z干涉儀透射強(qiáng)度變化，再由光電探測(cè)器5轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，fpga7控制a/d轉(zhuǎn)換電路6將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并在fpga7中完成數(shù)字差分解調(diào)，獲得閉環(huán)補(bǔ)償后的相位誤差數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)在fpga7中經(jīng)過數(shù)字積分后即作為光纖光柵水聽器的輸出信號(hào)，又作為閉環(huán)反饋的輸入信號(hào)，經(jīng)過第二次數(shù)字積分產(chǎn)生階梯波，其臺(tái)階寬度為光源發(fā)出的光信號(hào)到達(dá)y波導(dǎo)所需的時(shí)間τ，臺(tái)階高度等于水聽器的輸出，并且其臺(tái)階的變化與偏置調(diào)制信號(hào)同步。該階梯波信號(hào)再與偏置調(diào)制信號(hào)相疊加送入d/a轉(zhuǎn)換電路8，階梯波會(huì)使y波導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)相位差，大小等于臺(tái)階高度，與光纖光柵水聽器輸入引起的m-z干涉儀相位差大小相等、符號(hào)相反。從而使m-z干涉儀始終在零相位差附近工作，完成階梯波閉環(huán)控制。

如圖2所示為本發(fā)明的光纖m-z干涉儀測(cè)量光纖光柵波長變化的原理圖。如圖所示，光纖m-z干涉儀由y波導(dǎo)3、第一干涉儀光纖10、第二干涉儀光纖11和第二耦合器4組成，第一干涉儀光纖10與第二干涉儀光纖11即為光纖m-z干涉儀的兩臂，當(dāng)光纖m-z干涉儀的兩臂存在光程差nl時(shí)，干涉儀透射率隨波長的變化如下：

相位信息為將光纖光柵的反射光注入光纖m-z干涉儀，當(dāng)光纖光柵的波長發(fā)生改變時(shí)，干涉儀輸出干涉信號(hào)發(fā)生變化，其相位差變化量與波長變化量δλ的關(guān)系為：

光纖光柵的波長變化范圍約4nm，為了避免干涉信號(hào)跨條紋的影

響，使干涉條紋的周期大于4nm；取一定的裕量，將條紋周期選擇為≥5nm(自由光譜范圍fsr)，則光纖m-z干涉儀的光程差：

對(duì)于波長λ＝1550nm、fsr＝5nm，光程差nl≤0.481mm；對(duì)于光纖，n＝1.4682，要求臂長差l≤0.328mm。

如圖3所示為本發(fā)明的光纖光柵水聽器數(shù)字閉環(huán)解調(diào)方法的相位偏置調(diào)制原理。如圖所示該解調(diào)方法采用方波信號(hào)進(jìn)行偏置調(diào)制，采用16位的a/d轉(zhuǎn)換器，對(duì)應(yīng)的2π相位電壓的數(shù)字量為2¹⁶-1，利用fpga7產(chǎn)生0和2¹⁴-1的數(shù)字量送給a/d轉(zhuǎn)換電路8，然后轉(zhuǎn)換為模擬電壓施加到y(tǒng)波導(dǎo)3上，即可實(shí)現(xiàn)±π/2相位交替變化的方波調(diào)制信號(hào)，取信號(hào)周期為2τ。當(dāng)光纖光柵水聽器輸入為零時(shí)，偏置調(diào)制后的探測(cè)器信號(hào)中偶次輸出與奇次輸出的值相同，差值為：

其中i0是無相位偏置時(shí)探測(cè)器的輸入光強(qiáng)，是光纖光柵水聽器輸入信號(hào)引起的干涉信號(hào)相位變化，是偏置相位。

當(dāng)光纖光柵水聽器輸入不為零時(shí)，對(duì)應(yīng)的探測(cè)器信號(hào)中偶次輸出與奇次輸出之差為：

由公式5可得采用π/2的偏置相位調(diào)制可使光纖光柵水聽器的靈敏度最大。

本發(fā)明還提供了一種光纖光柵水聽器的解調(diào)方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：構(gòu)建光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置，其中，光纖光柵水聽器的解調(diào)裝置包括：寬帶光源1、第一耦合器2、、y波導(dǎo)3、第一干涉儀光纖10、第二干涉儀光纖11、第二耦合器4、光電探測(cè)器5、a/d轉(zhuǎn)換電路6、fpga7和d/a轉(zhuǎn)換電路8。其中，y波導(dǎo)(3)、第一干涉儀光纖10、第二干涉儀光纖11和第二耦合器4組成光纖m-z干涉儀；

步驟二：寬帶光源1產(chǎn)生光信號(hào)，經(jīng)第一耦合器2傳給光纖光柵水聽器9，經(jīng)光纖光柵水聽器9產(chǎn)生反射光再傳給第一耦合器2，第一耦合器2將反射光傳輸給y波導(dǎo)3，在y波導(dǎo)3分成兩束光，分別經(jīng)過第一干涉儀光纖10和第二干涉儀光纖11傳給第二耦合器4，然后在第二耦合器4內(nèi)干涉；

步驟三：光纖光柵水聽器9探測(cè)到的水聲信號(hào)會(huì)引起光纖光柵水聽器9的反射光中心波長的變化，光纖m-z干涉儀將反射光的中心波長變化轉(zhuǎn)換為干涉信號(hào)相位的變化，相位變化引起光纖m-z干涉儀透射強(qiáng)度變化，再由光電探測(cè)器5將透射強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，fpga7控制a/d轉(zhuǎn)換電路6采集電流信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后fpga7產(chǎn)生一個(gè)方波調(diào)制信號(hào)和反饋信號(hào)，經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換電路8進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后加載到y(tǒng)波導(dǎo)3，y波導(dǎo)3對(duì)光纖m-z干涉儀的干涉信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)相位偏置調(diào)制和閉環(huán)反饋控制。

本發(fā)明采用基于fpga的數(shù)字閉環(huán)控制電路，產(chǎn)生一個(gè)方波調(diào)制信號(hào)和反饋控制信號(hào)，使得光纖光柵水聽器總是在靈敏度較大的工作點(diǎn)上；同時(shí)，反饋相位差與光纖光柵水聽器輸入信號(hào)引起的干涉信號(hào)相位差大小相等，方向相反，使得總相位差被伺服控制在0附近，而且不受光源光功率波動(dòng)影響。因此，光纖光柵水聽器可以獲得較好的線性度和穩(wěn)定性。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。