一种基于大幅值相位解调的光纤振动传感装置和方法

本发明涉及振动传感，特别是涉及一种基于大幅值相位解调的光纤振动传感装置和方法。

背景技术：

1、偏振敏感光纤传感器（polarization-sensitive optical fiber sensor，简写为pofs）利用外部扰动引起的传感光纤偏振态变化来推断振动信息，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、适用于远程和复用测量等优点，在周界安防、结构健康监测等领域具有广泛应用前景。在采用保偏光纤作为传感介质的无衰落偏振敏感光纤传感器中，通过将起偏轴与保偏光纤主轴呈45°对准，使两个偏振本征模等强度激发，可将偏振演化约束在确定性轨迹上，从而消除偏振诱导信号衰落。

2、然而，消除偏振衰落本身并不能在大的相位偏移下提供无歧义的测量。在传统的强度检测接收机中，检测强度是两个偏振本征模差分相位的正弦函数。在正交偏置点附近工作时，小幅度相位变化可给出近似线性响应；但当外部扰动产生的差分相位幅度较大时，信号会跨越正弦传递函数的极值点或穿越多个干涉条纹，导致相位映射非唯一、波形折叠和谐波失真。具体而言，差分相位幅度接近或超过约3.83rad（即贝塞尔函数j1的第一个零点）时，由高阶谐波占据主导，强度解调丧失原始波形的保真度。尤其是接近贝塞尔函数零点时，基波分量被抑制趋于零。

3、鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：传统强度检测接收机仅适用于检测弱振动的存在与频率，无法实现大幅值波形的定量测量。

2、本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，提供了一种基于大幅值相位解调的光纤振动传感装置，包括沿光路依次耦合的激光器、传感保偏光纤、偏振分束器、保偏3×3耦合器以及光电探测组件；还包括与所述光电探测组件连接的信号处理单元；

4、所述激光器用于发射偏振光，所述偏振光通过45°旋转熔接点耦合进入所述传感保偏光纤，以等强度激发所述传感保偏光纤的两个偏振本征模，所述两个偏振本征模在沿所述传感保偏光纤传播过程中累积由外部扰动调制的差分相位；

5、所述偏振分束器用于将所述传感保偏光纤输出的所述两个偏振本征模进行分离；

6、所述保偏3×3耦合器用于将所述两个偏振本征模重新组合以产生至少三路相位分集干涉信号，所述至少三路相位分集干涉信号之间具有标称120°的相互相位偏置；

7、所述光电探测组件包括至少三个光电探测器，所述至少三个光电探测器用于将所述三路相位分集干涉信号转换为对应的三路电信号；

8、所述信号处理单元用于对所述三路电信号执行奇异值分解投影以获得二维信号平面投影、对所述二维信号平面投影执行椭圆校正以获得校正后正交分量以及通过反正切运算和相位解缠从所述校正后正交分量恢复所述差分相位。

9、优选的，所述保偏3×3耦合器的两个输入尾纤的主轴分别与所述偏振分束器的两个输出端口所对应的偏振本征模轴对准。

10、优选的，所述信号处理单元还被配置为：在通过奇异值分解投影所述二维信号平面投影时，对所述用于奇异值分解的三路电信号执行均值中心化以去除直流分量。

11、优选的，所述信号处理单元执行的所述椭圆校正包括：

12、利用直接最小二乘法将所述二维信号平面投影拟合为二次曲线，以获得包括中心坐标、旋转角度和半轴长度的椭圆参数；以及基于所述椭圆参数执行平移、旋转和归一化，将所述二维信号平面投影映射至单位圆。

13、优选的，所述信号处理单元被配置为使用由单次标定记录获得的固定标定参数组，所述固定标定参数组在无需重新标定的条件下适用于差分相位幅度至少为0.52rad至15.21rad范围内的测量。

14、第二方面，提供了一种基于大幅值相位解调的光纤振动传感方法，应用于如第一方面所述的基于大幅值相位解调的光纤振动传感装置，所述方法包括：

15、通过45°旋转熔接点将偏振光耦合进入传感保偏光纤，以等强度激发所述传感保偏光纤的两个偏振本征模，所述两个偏振本征模在沿所述传感保偏光纤传播过程中累积由外部扰动调制的差分相位；

16、通过偏振分束器将所述传感保偏光纤输出的所述两个偏振本征模进行分离；

17、通过保偏3×3耦合器将分离后的所述两个偏振本征模重新组合，以产生至少三路相位分集干涉信号，所述三路相位分集干涉信号之间具有标称120°的相互相位偏置；

18、通过至少三个光电探测器将所述三路相位分集干涉信号转换为对应的三路电信号；

19、对所述三路电信号执行奇异值分解投影以获得二维信号平面投影，对所述二维信号平面投影执行椭圆校正以获得校正后正交分量，通过反正切运算和相位解缠从所述校正后正交分量恢复所述差分相位。

20、优选的，所述对所述三路电信号执行奇异值分解投影以获得二维信号平面投影，具体包括：

21、将所述三路电信号排列为信号矩阵x∈r^(n×3)，其中n为采样点数，x的第k列为第k路电信号的n个采样值；

22、对所述信号矩阵x执行均值中心化以获得均值中心化矩阵，包括将每一个采样值减去对应通道的时间均值，得到零均值信号，均值中心化矩阵表示为：

23、；

24、其中，为各列均值构成的矩阵，为左奇异向量矩阵，为奇异值对角矩阵，为右奇异向量矩阵；

25、对所述均值中心化矩阵执行奇异值分解以获得分解结果，所述分解结果包括所述左奇异向量矩阵、所述奇异值对角矩阵和所述右奇异向量矩阵；

26、将所述三路电信号投影至由所述分解结果的前两个右奇异向量所定义的二维信号平面，以获得所述二维信号平面投影，二维信号平面投影表示为：

27、；

28、其中，为所述右奇异向量矩阵v的前两列构成的信号平面基，所述二维信号平面投影为n×2矩阵p，其两列分别记为和。

29、优选的，所述对所述二维信号平面投影执行椭圆校正以获得校正后正交分量，具体包括：

30、利用直接最小二乘法将所述二维信号平面投影拟合为一般二次曲线，以获得包括中心坐标、旋转角度和半轴长度的椭圆参数；所述一般二次曲线方程为：

31、；

32、其中，a、b、c、d和e为参数项，f为常数项，且满足椭圆约束b²-4ac<0，从所述一般二次曲线的拟合系数中解析计算椭圆中心坐标(x0，y0)、主轴旋转角度θ以及半长轴长度a和半短轴长度b；

33、基于所述椭圆参数执行平移、旋转和归一化，将所述二维信号平面投影映射至单位圆，从而获得所述单位圆上的坐标作为所述校正后正交分量，所述平移、旋转和归一化依次执行，包括先通过平移变换消除中心偏移，再通过旋转变换消除轴倾斜，最后沿两轴分别除以对应的半轴长度实现归一化，由此获得满足²+²≈1关系的校正后正交分量(，)，其中和分别对应差分相位的余弦分量和正弦分量。

34、优选的，所述通过反正切运算和相位解缠从所述校正后正交分量恢复所述差分相位，具体包括：

35、利用二参数反正切函数对所述校正后正交分量计算反正切值，以获得缠绕相位：

36、；

37、其中，和为所述校正后正交分量，缠绕相位的值域为(-π，π]；

38、对所述缠绕相位执行相位解缠，以获得恢复的所述差分相位，所述相位解缠通过逐点检测相邻采样点之间的相位跳变实现：当相邻两点的缠绕相位差超过π时判定发生2π跳变，对随后采样点的缠绕相位累加或累减2π进行校正，由此将所述缠绕相位展开为连续的时间序列，获得恢复的所述差分相位δφ(t)。

39、优选的，在对所述三路电信号执行奇异值分解投影之前，所述方法还包括：

40、对所述传感保偏光纤施加宽弧扰动，以生成跨越多个干涉条纹的标定记录；

41、从所述标定记录中推导固定标定参数组，所述固定标定参数组在无需重新标定的条件下适用于后续差分相位幅度至少为0.52rad至15.21rad范围内的测量。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

43、本发明通过偏振分束器将传感保偏光纤输出的两个偏振本征模分离后，由保偏3×3耦合器重新组合产生至少三路具有标称120°相互相位偏置的相位分集干涉信号，经光电探测组件转换为三路电信号后，信号处理单元依次执行奇异值分解投影获得二维信号平面投影、椭圆校正获得校正后正交分量、反正切运算和相位解缠恢复差分相位。通过将差分相位的读出从正弦强度传递函数的单值映射转变为基于相位分集的直接相位提取，使得当差分相位幅度超过正弦传递函数的局部线性区域乃至跨越多个干涉条纹时，仍能获得唯一确定的相位值，从而解决了传统强度检测接收机在大幅值相位偏移下因映射非唯一、波形折叠和基波抑制而无法实现定量测量的技术问题。