一种光纤干涉仪光场的复数化重构方法及装置与流程

1.本发明涉及光学领域，涉及到光纤干涉仪信号解调、光场变换、信号串扰、偏振抑制等技术内容，具体为一种光纤干涉仪光场的复数化重构方法及装置。


背景技术：

2.光纤干涉仪在光纤陀螺、光纤水声探测、地震波检测等领域有重要的应用。由于采用光学相干检测方式，具有灵敏度高、动态范围大等突出优势，结合光纤传感系统自身体积小、重量轻、抗电磁干扰等固有优势优点，在民用和军用领域都得到了广泛应用。但是，由于光纤干涉仪灵敏度高，导致很多环境扰动、光路串扰等都会影响相位，通过各种信号处理手段去除扰动因素影响是基础技术之一，且信号处理技术一般较为复杂。
3.在很多干涉信号处理过程中，往往需要将多个干涉结果进行乘除法运算达到相位信息相消或相长的目的。文献“reduction of crosstalk in inline sensor arrays using inverse scattering”(proc.spie,2008,vol.704,paper 70044z)和专利“method and apparatus for suppression of crosstalk and noise in time
‑
division multiplexed interferometer sensor systems(专利号:us7466422b2)”报道了一种反转剥层算法，这种剥层算法需要将两个干涉信号进行减法运算来消除不同干涉通道之间的串扰。文献“low
‑
crosstalk and polarization
‑
independent inline interferometric fiber sensor array based on fiber bragg gratings.”(j.lightw.technol.34(2016)4232
‑
4239)报道了一种偏振合成算法，这种算法需要将四个干涉信号进行乘法和减法运算来消除不同干涉通道之间的偏振影响因素。在实际中，光纤干涉仪的干涉结果在采用光电探测器转换后获取的为实数表达结果，可写为(公式1)
[0004][0005]
i(t)表示干涉仪输出的光强度，a表示直流量，b表示交流量幅度，re表示取复数的实部运算，表示干涉仪的信号项，为干涉仪的噪声。当涉及到干涉光场的加减乘除运算时，直接采用(公式1)计算时会出现多余频率项。对于两个干涉信号i1(t)和i2(t)
[0006][0007][0008]
期望获得干涉信号的和频或差频项，即获得或但在实际运算中，直接将i1(t)和i2(t)进行加减乘除运算，无论哪种都会产生多余的相位项，也多与相位项与期望相位项无法分离。例如，进行混频相乘则获得：
[0009]
[0010]
很容易可以推出，进行加法、减法和除法，都会是多个频率项的耦合结果。一种简单的处理方法是，若能够获取干涉光场的复数表达形式，即
[0011][0012][0013]
将两个干涉光场的复数表达形式直接进行乘法和除法运算，即可获得和再取实部运算即可得到和可见干涉光场的复数表达形式在很多应用中是简化算法、提高计算效率的关键，在光纤干涉仪的复杂信号处理中往往起到化繁为简甚至成为确保算法正确性的基础。
[0014]
由于干涉光场的复杂性，信号往往加载在余弦函数的相位项中，直接通过数学变换由余弦项获得正弦项会带来频谱成分的移相，对干涉光场的复数化重构需要根据干涉光场的信号特征来进行特殊设计。


技术实现要素：

[0015]
本发明的目的是提供一种光纤干涉仪光场的复数化重构方法及装置，在实际中，光纤干涉仪的干涉结果在采用光电探测器转换后获取的为实数表达结果，本发明通过将根据实际检测的干涉光场实数表达形式重构为复数表达形式，为光纤干涉仪传感系统的串扰抑制、偏振抑制等提供可快速处理的信号基础。
[0016]
为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
[0017]
一种光纤干涉仪光场的复数化重构方法，包括以下步骤：
[0018]
s1：判定问询脉冲信号形式：若是问询脉冲信号为一对含有固定频差f
m
的脉冲，则判定为外差调制信号；若是问询脉冲为三个相邻相位差为120度的脉冲对，则判定为3
×
3调制信号；
[0019]
s2：根据问询脉冲信号形式确认干涉信号采样方式：当问询脉冲信号为外差调制信号时，采集一组干涉结果，定义为i
h
(t)；当问询脉冲信号为3
×
3调制信号时，采集三组干涉结果，分别记为i1(t)、i2(t)和i3(t)；
[0020]
s3:干涉光场复数化重构：
[0021]
s3.1针对s2采集的一组干涉结果i
h
(t)，采取以下步骤：
[0022]
s3.1.1将i
h
(t)分别与cos(2πf
m
t)、sin(2πf
m
t)混频，获得两个表达式i
c
和i
s
，即：
[0023][0024]
s3.1.2将i
c
和i
s
分别进行低通滤波，保留小于f
m
的频谱成分，获得表达式i
c_low
和i
s_low
：
[0025][0026][0027]
其中，b表示交流量幅度，表示干涉仪的信号项，为干涉仪的噪声；
[0028]
s3.1.3生成相位项复光场表达形式i
com
：
[0029][0030]
s3.2针对s2采集的三组干涉结果i1(t)、i2(t)和i3(t)采取以下步骤：
[0031]
s3.2.1将i1(t)、i2(t)和i3(t)相加后取平均，获取直流项：
[0032]
a＝{i1(t) i2(t) i3(t)}/3
[0033]
s3.2.2将i1(t)、i2(t)和i3(t)分别减去直流项，获取三个交流项，即：
[0034][0035][0036][0037]
s3.2.3将减去获得正弦项：
[0038][0039]
s3.2.4合成含有干涉仪相位项的干涉结果复数表达形式i
com
：
[0040][0041]
优选的，对于含有外差调制信号的问询脉冲信号，通过光学移频方式产生。
[0042]
优选的，对于含有外差调制信号的问询脉冲信号，通过采用三角波调制光源频率产生。
[0043]
优选的，对于含有3
×
3调制信号的问询脉冲信号，通过三组相差分别为0和的脉冲对产生。
[0044]
优选的，对于含有3
×
3调制信号的问询脉冲信号，通过3
×
3耦合器产生。
[0045]
本发明还提供一种基于上述方法的光纤干涉仪光场的复数化重构装置,包括调制信号加载模块1和信号处理模块2；
[0046]
所述调制信号加载模块1用于产生问询干涉仪的脉冲序列，并将脉冲序列注入到光纤干涉仪中，包括问询脉冲模块101和光纤干涉仪102，所述问询脉冲模块101用于产生问询干涉仪的脉冲序列，并将脉冲序列注入到光纤干涉仪102中，所述光纤干涉仪102用于产生干涉光场，包括耦合器102a、法拉第旋镜102b和102c，所述问询脉冲模块101通过光纤连接至光纤干涉仪102的输入端口102a1；
[0047]
所述信号处理模块2用于将光纤干涉仪102产生的干涉光场进行光电转换后进行复数化重构处理，包括光电转换模块201、采集模块202和pc机203；所述光电转换模块201用于光电转换，所述采集模块202用于对光电转换后的电信号进行采样，所述pc机203用于将采样信号存储、显示和复数化重构；所述光电转换模块201通过电缆连接到采集模块202，所述采集模块202通过信号线连接到所述pc机203。
[0048]
所述制信号加载模块1和所述信号处理模块2之间采用光纤连接，连接方式为所述光纤干涉仪102的输出端口102a2连接到所述光电转换模块201。
[0049]
本发明具有以下有益效果：本发明可将光电探测器实际采集的光纤光干涉仪干涉信号准确重构出复数表达形式，这种干涉信号复数表达形式可更加便捷高效地应用于信号基本运算过程，是偏振合成、串扰抑制等技术实现必须的信号处理环节。
附图说明
[0050]
图1为本发明中光纤干涉仪光场的复数化重构方法流程图；
[0051]
图2为本发明中光纤干涉仪光场的复数化重构装置的组成结构图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图对本发明作进一步说明，如附图1所示，本发明所述中光纤干涉仪光场的复数化重构方法针对两种不同调制手段的光纤干涉仪光场进行不同的处理包含如下步骤：
[0053]
s1：判定问询脉冲信号形式
[0054]
若是问询脉冲信号为一对含有固定频差f
m
的脉冲，则判定为外差调制信号；若是问询脉冲为三个相邻相位差为120度的脉冲，则判定为3
×
3调制信号；
[0055]
s2：根据问询脉冲信号形式确认干涉信号采样方式：当问询脉冲信号为外差调制信号时，采集一组干涉结果，定义为i
h
(t)，可表达为
[0056][0057]
i
h
(t)表示经过外差调制后干涉仪输出的光强度，a表示直流量，b表示交流量幅度，re表示取复数的实部运算，2πf
m
t为外差调制项，其中f
m
为调制频率，表示干涉仪的信号项，为干涉仪的噪声。
[0058]
当问询脉冲信号为3
×
3调制信号时，采集三组干涉结果，分别记为i1(t)、i2(t)和i3(t)，可表达为
[0059][0060][0061][0062]
i1(t)、i2(t)和i3(t)表示经过3
×
3调制干涉仪输出的光强度，a表示直流量，b表示交流量幅度，re表示取复数的实部运算，表示干涉仪的信号项，为干涉仪的噪声。是干涉仪本身的相位，i1(t)、i2(t)和i3(t)之间由于有3
×
3调制分别叠加了0和相位。
[0063]
s3:干涉光场复数化重构：
[0064]
s3.1针对s2采集的一组干涉结果i
h
(t)，采取以下步骤：
[0065]
s3.1.1由于外差调制项2πf
m
t为人为引入项，将i
h
(t)分别与cos(2πf
m
t)、sin(2πf
m
t)混频，获得两个表达式i
c
和i
s
，其中：
[0066][0067]
s3.2.2将i
c
和i
s
分别进行低通滤波，保留小于f
m
的频谱成分，获得：
[0068][0069][0070]
s3.3.3合成干涉结果的复数表达形式
[0071][0072]
s3.2针对s2采集的三组干涉结果i1(t)、i2(t)和i3(t)采取以下步骤：
[0073]
s3.2.1将i1(t)、i2(t)和i3(t)相加，获取直流项
[0074][0075]
因此有
[0076]
a＝{i1(t) i2(t) i3(t)}/3
[0077]
s3.2.2将i1(t)、i2(t)和i3(t)分别减去直流项，获取三个交流项，即：
[0078][0079][0080][0081]
s3.2.3将减去获得正弦项：
[0082]
[0083]
s3.2.4合成干涉结果复数表达形式i
com
[0084][0085]
可以看出，采用本发明所述的干涉光复光场合成方法，可以获得干涉信号光场的复数表达形式，也即干涉信号的复光场，为偏振控制和抑制多通道串扰等提供信号基础。