一种灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统及方法

本发明涉及一种灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统及方法，属于光纤传感。

背景技术：

1、弱光栅阵列传感系统因具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、适于远距离传输以及适合精密检测等优点，被广泛应用于振动检测、应变测量、声学探测和精密传感等领域。该类系统通常通过对干涉信号进行相位解调来获得待测对象的物理量信息，因此相位信号的稳定性直接影响系统的测量性能。

2、在实际应用中，弱光栅阵列传感系统输出的干涉信号除包含待测对象引起的有效相位信息外，激光器、调制器、掺铒光纤放大器等发射端器件的固有不稳定性会引入相位噪声，造成系统灵敏度和测量精度的下降。

3、现有针对发射端器件噪声的抑制手段主要包括稳频光源、辅助mzi干涉仪、频谱分析算法等。上述方案虽然能够在一定程度上改善系统性能，但普遍存在两个问题：

4、①难以同步抑制发射端多器件耦合产生的全部噪声；

5、②参数设计仅适用于单一光栅间距，无法复用于不同光栅间距的传感系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统及方法，可有效抑制弱光栅阵列传感系统中的发射端噪声，提高相位解调精度和微弱信号检测能力；且无需改变系统结构，即可灵活适配不同光栅间距的传感系统。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、一方面，本发明提供一种灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统，包括窄线宽激光器、主干涉单元和双脉冲辅助干涉单元；

4、所述窄线宽激光器用于输出连续光，所述连续光经第一耦合器分光为两路，其中一路连续光经主干涉单元再次分光为两路并分别调制为第一脉冲光和第二脉冲光，第一脉冲光和第二脉冲光合束为双脉冲光，经功率放大后输出部分双脉冲光至双脉冲辅助干涉单元，剩余双脉冲光形成主干涉信号传输至光电探测器一；

5、另一路连续光通过双脉冲辅助干涉单元延迟后与所述部分双脉冲光合束干涉形成用于表征系统发射端噪声的双脉冲辅助干涉信号并传输至光电探测器二。

6、进一步的，所述主干涉单元包括第二耦合器、声光调制器、脉冲信号发生器、第三耦合器、掺铒光纤放大器、环形器和弱光栅阵列传感光纤；

7、所述第二耦合器的输出端与两个声光调制器连接，所述脉冲信号发生器用于向两个声光调制器提供调制信号，两个所述声光调制器能够利用调制信号将连续光分别调制为第一脉冲光、第二脉冲光；

8、第一脉冲光和第二脉冲光经第三耦合器合束为双脉冲光后经掺铒光纤放大器放大后输出部分双脉冲光至双脉冲辅助干涉单元；

9、剩余双脉冲光经环形器传输至弱光栅阵列传感光纤并沿弱光栅阵列传感光纤向前传播，并经弱光栅阵列反射后沿传播路径返回，其中，相邻弱光栅阵列对应的反射光在返回过程中在时间上叠加干涉形成主干涉信号，所述主干涉信号经所述环形器导出后传输至光电探测器一。

10、进一步的，所述调制信号为调节第一脉冲光和第二脉冲光的脉冲间隔均等于脉冲光往返弱光栅阵列传感光纤中对应光栅间距所需时间。

11、进一步的，所述双脉冲辅助干涉单元包括延迟光纤和第四耦合器，所述连续光经延迟光纤延迟后与掺铒光纤放大器放大后输出的部分双脉冲光在第四耦合器处合束干涉形成用于表征系统发射端噪声的双脉冲辅助干涉信号并传输至光电探测器二。

12、进一步的，所述双脉冲辅助干涉信号的数量为两个，两个所述双脉冲辅助干涉信号均具有系统发射端噪声。

13、进一步的，当弱光栅阵列的光栅间距的取值范围为时，所述延迟光纤的长度的取值范围为。

14、进一步的，当弱光栅阵列的光栅间距的取值范围为时，所述延迟光纤的长度的最优取值为。

15、进一步的，所述光电探测器一和光电探测器二的型号相同。

16、另一方面，本发明还提供一种灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿方法，通过如上述任一项所述的灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统实现，其包括：

17、s1、对主干涉信号进行相位解调得到主相位信号，所述主相位信号的表达式为：

18、；

19、其中，表示主相位信号在时间时的相位，表示时间时的激光瞬时频率，表示时间时的激光瞬时频率，表示脉冲光往返光栅间距所需时间，表示时间时的有效相位信号；

20、s2、对双脉冲辅助干涉信号进行相位解调得到两个辅助相位信号，两个所述辅助相位信号的表达式分别为：

21、；

22、；

23、其中，表示一辅助相位信号在时间时的相位，表示另一辅助相位信号在时间时的相位，表示连续光通过延迟光纤所需时间，表示时间时的激光瞬时频率，表示时间时的激光瞬时频率；

24、s3、基于辅助相位信号求解发射端噪声补偿量其求解表达式为：

25、；

26、其中，表示发射端噪声补偿量；

27、s4：基于发射端噪声补偿量构建补偿后的有效相位信号，其表达式为：

28、；

29、其中，表示时间时的补偿后的有效相位信号。

30、进一步的，所述主干涉信号中包含的系统发射端噪声为时间范围内累积形成，所述双脉冲辅助干涉信号中包含的系统发射端噪声为时间范围内累积形成。

31、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

32、本发明通过设置双脉冲辅助干涉单元，并利用延迟光纤引入固定时延，对发射端噪声信息进行表征，再利用辅助干涉信号对主干涉信号中的发射端噪声进行补偿，可以有效抑制主相位信号中的发射端噪声，提高相位解调精度和测量稳定性；

33、本发明无需更改系统结构即可适配不同光栅间距传感系统，适用范围和灵活性得到提升。

1.一种灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统，其特征在于，包括窄线宽激光器、主干涉单元和双脉冲辅助干涉单元；

2.根据权利要求1所述的灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统，其特征在于，所述主干涉单元包括第二耦合器、声光调制器、脉冲信号发生器、第三耦合器、掺铒光纤放大器、环形器和弱光栅阵列传感光纤；

3.根据权利要求2所述的灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统，其特征在于，所述调制信号为调节第一脉冲光和第二脉冲光的脉冲间隔均等于脉冲光往返弱光栅阵列传感光纤中对应光栅间距所需时间。

4.根据权利要求2所述的灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统，其特征在于，所述双脉冲辅助干涉单元包括延迟光纤和第四耦合器，所述连续光经延迟光纤延迟后与掺铒光纤放大器放大后输出的部分双脉冲光在第四耦合器处合束干涉形成用于表征系统发射端噪声的双脉冲辅助干涉信号并传输至光电探测器二。

5.根据权利要求4所述的灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统，其特征在于，所述双脉冲辅助干涉信号的数量为两个，两个所述双脉冲辅助干涉信号均具有系统发射端噪声。

6.根据权利要求5所述的灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统，其特征在于，当弱光栅阵列的光栅间距的取值范围为时，所述延迟光纤的长度的取值范围为。

7.根据权利要求6所述的灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统，其特征在于，当弱光栅阵列的光栅间距的取值范围为时，所述延迟光纤的长度的最优取值为。

8.根据权利要求1所述的灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统，其特征在于，所述光电探测器一和光电探测器二的型号相同。

9.一种灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿方法，其特征在于，通过如权利要求1~8任一项所述的灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿系统实现，其包括：

10.根据权利要求9所述的灵活的弱光栅阵列传感系统发射端噪声补偿方法，其特征在于，所述主干涉信号中包含的系统发射端噪声为时间范围内累积形成，所述双脉冲辅助干涉信号中包含的系统发射端噪声为时间范围内累积形成。