基于5G微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法

基于5g微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法
技术领域
1.本发明涉及海水的盐度检测领域，具体地说，是涉及一种基于5g微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法。


背景技术：

2.不同的区域海水盐度往往不相同，而海水盐度变化往往对海洋生态有重大影响，为此，需要对海水盐度进行监测，例如需要定期对一些特定区域的海水盐度进行检测。现有用于对海水盐度进行检测的系统(sds)往往设置有一个海水盐度检测的装置。
3.参见图1，现有的海水盐度检测装置包括掺铒光纤放大器11、电光调制器12、盐度传感器13、光环形器14、光电转换器15以及电子频谱分析仪16。掺铒光纤放大器11向电光调制器12输出光信号，电光调制器12还接收无线射频信号，例如连接至射频(rf)信号源并接收射频信号。可见，现有的海水盐度检测装置使用放大的自发辐射信号(ase)是由掺铒光纤放大器11发射，然后由电光调制器12利用射频信号源产生的电信号进行电光调制，调制后的光信号随后被送入光环行器14的第一端口141，并通过第二端口142进入到盐度传感器13。检测时，盐度传感器13的一部分浸泡在待检测的海水中，由于光信号经过具有不同盐度的海水后，光信号的频率将发生变化，这些发生变化的光信号由光环形器14的第二端口142传送至第三端口143，并经过第三端口143后入射到光电转换器15。
4.光电转换器15对经过盐度传感器13的光信号进行光电调制，将光信号转换成电信号，并且将获得的电信号输出至电子频谱分析仪16，由电子频谱分析仪对经过光电转换后的信号进行频谱分析，进而计算出海水的盐度。
5.然而，由于掺铒光纤放大器11价格昂贵，并且体积较大，现有的用于检测海水盐度的装置生产成本高，且由于体积大而不方便在户外进行海水盐度的检测，往往需要对待检测海域中获取一定数量的海水并在实验室内进行盐度检测，导致海水盐度检测的效率低下，无法实现在户外进行随时随地的检测，海水盐度检测的便利性不高。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种可以方便在户外进行海水盐度检测的基于5g微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法。
7.为实现上述目的，本发明提供的基于5g微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法包括：从空中获取无线信号，将无线信号进行电光调制后获得输入光信号，输入光信号输出至光环形器的第一端口，光环形器将输入光信号通过光环形器的第二端口输出至盐度传感器，盐度传感器的至少一部分浸泡于待检测海水中；经过盐度传感器输出的返回光信号从光环形器的第二端口输入后，经过光环形器的第三端口输出至光电探测器，光电探测器将返回光信号进行光电转换后获得测量电信号，将测量电信号输出至电子频谱分析仪，由电子频谱分析对测量电信号的频率进行分析，根据频谱的分析结果计算待检测海水的盐度。
8.由上述方案可见，本发明是从空中获取无线信号，将无线信号进行电光调制后获得输入光信号，例如使用一个无线信号收发模块从空中获取移动通信的无线信号作为电光调制的信号，由于现有的无线信号收发模块具有直接调制式的器件对光信号进行调制，这样，不需要使用掺铒光纤放大器提供光信号。由于无线信号收发模块的生产成本低，且体积小，能够大幅度降低海水盐度检测装置的生产成本，并且减少整个设备的体积，可以方便在户外进行海水盐度的检测，提高海水盐度检测的便利性。
9.一个优选的方案是，从空中获取无线信号包括：使用无线信号收发模块从空中获取无线信号。
10.进一步的方案是，无线信号收发模块所获取的无线信号为移动通信无线信号。
11.由于空中存在大量的移动通信的无线信号，例如人们使用手机进行通信时，空中存在大量的无线电信号，通过获取空中的无线电信号并作为基础的输入电信号，使用这些电信号对直接调制式的电光调制器进行调制，可以提高海水盐度检测的便利性。
12.更进一步的方案是，无线信号收发模块包括有一个带通滤波器，带通滤波器将预设频率的无线信号过滤并输出。
13.可见，根据空中无线信号的实际情况，从空中选择特定频率波段的无线信号作为输入的基础电信号，例如使用强度较高的特定频率波段的无线信号，可以提高海水盐度检测的准确性。
14.更进一步的方案是，从空中获取无线信号后，将无线信号进行放大处理后再进行电光调制；其中，对信号进行电光调制包括：使用放大后的信号直接对光源的电压或者电流进行调制，获得输入光信号。
15.由此可见，通过直接调制的方式能够避免采用掺铒光纤放大器产生光信号，可以大幅度降低海水盐度检测的成本，海水盐度检测的装置体积也相应减小，也能够实现在户外现场对海水盐度进行检测。
16.更进一步的方案是，盐度传感器为带有apc接头的盐度传感器。优选的，盐度传感器包括两段物理接触光纤以及一段单模光纤，apc接头与第一段物理接触光纤的第一端面之间布置具有预设盐度的基准溶液；述单模光纤位于第一段物理接触光纤以及第二段物理接触光纤之间，第二段物理接触光纤的第二端面浸泡于待检测海水中。
17.可见，当输入光信号经过apc接头后穿过基准溶液，并且在第一段物理接触光纤的第一端面上形成反射光信号，反射光信号经传输至光环形器的第二端口。另外，一部分光信号将经过第一段物理接触光纤的第一端面并沿单模光纤继续传输，在到达第二段物理接触光纤的第二端面时发生反射。这样，两束反射信号将先后经过光环形器的第二端口以及第三端口，并且在第三端口处由于干涉而形成微波光子滤波器，只有特定波长的光信号可以穿过第三端口进入光电转换器。这样，经过光电转换后的信号将在电子频谱分析仪上进行分析，电子频谱分析仪根据光环形器所输出的光信号的频率波段来确定待检测海水的盐度。
18.更进一步的方案是，单模光纤的长度大于第一段物理接触光纤的长度，并且，单模光纤的长度大于第二段物理接触光纤的长度。
19.可见，通过设置较长的单模光纤，使得两束光信号之间具有较大的时延，满足干涉的要求，提高海水盐度检测的准确性。
20.更进一步的方案是，由第一段物理接触光的第一端面反射的光信号与由第二段物理接触光的第二端面反射的光信号先后经过光环形器的第三端口。
21.由于在两段物理接触光的两个端面上反射的光信号是先后经过光环形器的第三端口，从而形成微波光子滤波器，使得只有特定波长的光信号可以穿过第三端口进入光电转换器，电子频谱分析仪所接收到的信号量有限，能够精确的计算海水的盐度。
22.更进一步的方案是，从空中获取无线信号后，判断所获取的无线信号的功率是否满足预设的要求，如不满足，则重新获取新的无线信号。
23.可见，如果获取的无线信号功率较低，则放弃该无线信号，并重新获取新的无线信号，以确保进行电光调制的无线信号的功率较高，从而确保对海水盐度检测的准确性。
附图说明
24.图1是现有的海水盐度检测装置的结构框图。
25.图2是本发明基于5g微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法实施例所使用的海水盐度检测装置的结构框图。
26.图3是本发明基于5g微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法实施例所使用的海水盐度检测装置中盐度传感器的结构框图。
27.图4是本发明基于5g微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法实施例的流程图。
28.图5是本发明基于5g微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法实施例中计算最终的海水盐度数值的流程图。
29.以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
30.本发明基于5g微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法是用于对海水盐度进行检测的方法，具体的，使用生产成本低、体积小的无线信号收发模块获取空中的无线信号，例如移动通信无线信号，利用这些无线信号对激光器的电压或者电流进行直接调制，避免使用掺饵光纤放大器以减小海水盐度检测装置的生产成本和体积，方便在户外进行海水盐度检测。
31.本实施例的方法应用如图2所示的海水盐度检测装置对海水盐度进行检测，该海水盐度检测装置包括无线信号收发模块20、盐度传感器23、光环形器24、光电转换器25以及电子频谱分析仪26。其中，无线信号收发模块20包括带通滤波器21、信号放大器22以及光电直调器28，优选的，带通滤波器21的数量可以是一个或者多个，如果设置多个带通滤波器21，则多个带通滤波器21输出的信号均被信号放大器22接收。
32.无线信号收发模块20可以从空中获取无线信号，例如从空中获取特定频率波段的无线信号。具体的，带通滤波器21只允许特定频率波段的无线信号通过，因此，通过采样特定频率的带通滤波器21可以从空中获取特定频率波段的无线信号。信号放大器22对带通滤波器21获取的无线信号进行放大，放大后的信号将输出至光电直调器28。
33.优选的，带通滤波器21获取的无线信号后，无线信号收发模块20还对所获取的无线信号的功率进行检测，判断该无线信号的功率是否满足预设的要求，例如无线信号的功
率是否高于预设的功率，如果不满足要求，则放弃该无线信号，并且重新获取新的无线信号。这样，可以确保输入到信号放大器22的无线信号的功率具有较高的功率，从而确保电光调制的质量，进而确保对海水盐度检测的准确性。
34.光电直调器28接收经过放大后的无线信号，且光电直调器28内设置有一个光源以产生光信号，例如，该光源可以是发光二极管或者激光器，通过发光二极管或者激光器产生光信号。并且，光电直调器28使用放大后的无线信号对光源的电压或者电流进行直接调制，由于带通滤波器21从空中接收的无线信号是无线射频信号，通过无线射频信号可以直接对光源的电压或者电流进行调制以改变输出光信号的频率，因此采用光电直接调制的方式可以降低电光调制的难度。此外，由于通过光电直接调制的方式对光信号进行调制，因此不需要设置掺铒光纤放大器。
35.优选的，无线信号收发模块20可以采用移动通信无线信号收发模块，例如采用5g信号收发模块实现。例如，5g信号收发模块可以是一个5g基站，这样，无线信号收发模块20体积可以做到很小，并且生产成本很低，相比起采用掺铒光纤放大器，本实施例能够大幅度降低海水盐度检测装置的生产成本，并且能够减小海水盐度检测装置的体积。此外，由于5g信号收发模块通常能够适应恶劣的环境，因此，可以将无线信号收发模块20安装在靠近海边的位置，并且能够保持长时间使用。
36.光环形器24具有三个端口，分别是第一端口241、第二端口242以及第三端口243，光信号从第一端口241入射到光环形器24后，只能够从第二端口242出射，从第二端口242入射到光环形器24的光信号只能够从第三端口243出射，不能够逆向传输。
37.光电直调器28使用无线射频信号对光信号进行调制后获得输入光信号，光电直调器28的输出端与光环形器24的第一端口241连接，因此，输入光信号从第一端口241入射后从第二端口242出射。盐度传感器23连接到光环形器24的第二端口242，因此，输入光信号从第二端口242入射到盐度传感器23。
38.参见图3，盐度传感器23内设置有光纤231、apc接头232、第一段物理接触光纤235、单模光纤236、第二段物理接触光纤237，其中，光纤231的第一端连接至光环行器24的第二端口242，apc接头232设置在光纤23的第二端。其中，apc接头232外侧端面形成8
°
的倾斜面，即apc接头的外端面与轴线之间的夹角为8
°
。第一段物理接触光纤235的第一端面234为普通的pc接头，即打磨成微球面的端面，因此，第一端面234将形成第一反射面。第一段物理接触光纤235的第二端为apc接头，并且与单模光纤236连接。第二段物理接触光纤237具有第二端面239，第二端面239为第二段物理接触光纤237的自由端，第二端面239也是普通的pc接头，即打磨成微球面的端面，因此，第二端面239将形成第二反射面。第二段物理接触光纤237的另一端设置有apc接头，该apc接头与单模光纤236连接。另外，第二段物理接触光纤237的第二端面239伸入到容纳腔238内，容纳腔238内装有待检测海水，优选的，第二端面239完全浸泡于待检测海水中。
39.另外，在apc接头232与第一段物理接触光纤231的第一端面234之间设置有容纳腔233，容纳腔233内装有预设盐度的基准溶液，例如已知盐度的海水。输入光信号经过光纤231后从apc接头232出射并穿透基准溶液，一部分光信号在第一端面234上发生反射并入射到光纤231，形成第一反射信号。输入光信号的另一部分将穿过第一端面234并入射到第一段物理接触光纤235，然后经过单模光纤236传送到第二段物理接触光纤237，并且在第二端
面239上发生反射形成第二反射信号，第二反射信号依次经过第二段物理接触光纤237、单模光纤236、第一段物理接触光纤235并入射到光纤231，再入射到光环形器24的第二端口242。因此，第一反射信号和第二反射信号实际上是先后经过光环形器24，第一反射信号和第二反射信号经过光环形器24的第三端口243时存在时间差异。这样，在光环形器24的第三端口243处构成微波光子滤波器。
40.本实施例中，单模光纤236的长度在1.5千米到2.5千米之间，优选的，单模光纤236的长度为2千米，而第一段物理接触光纤235、第二段物理接触光纤237的长度相等，并且都不超过5米，优选的，第一段物理接触光纤235、第二段物理接触光纤237的长度均是2米到3米之间。可见，单模光纤236的长度远大于第一段物理接触光纤235、第二段物理接触光纤237的长度。
41.这样，在盐度传感器23内，由于第二段物理接触光纤237第二端面239完全浸泡于待检测海水中，在第一端面234与apc接头232之间具有已知盐度的海水，这样，第一反射信号与第二反射信号在在光环形器24的第三端口243处形成微波干涉。根据微波干涉原理，只有特定波长的光信号才能够通过微波干涉仪，因此，第一反射信号与第二反射信号形成的干涉信号中，只有特定波长的光信号从光环形器24的第三端口243输出，输出的光信号被光电转换器25接收，光电转换器25对所接收到的光信号进行光电转换，将光信号转换成电信号从而形成测量电信号。光电转换器25将测量电信号输出至电子频谱分析仪26，由电子频谱分析仪26对经过光电转换后的测量电信号进行频谱分析，进而计算出待检测海水的盐度。
42.具体的，电子频谱分析仪26所分析的光环形器24的第三端口243处光信号对应的电子频谱p(2πfm)满足下面的公式：
[0043][0044]
式1中，fm是微波频率，r1为光信号经过第一端面234与apc接头232之间的已知盐度的海水后在第一端面234处的反射系数，由于基准溶液的盐度是已知的，因此该反射系数r1也是一个已知的系数。r2是光信号在第二段物理接触光纤237的第二端面239处的反射系数，该反射系数与待检测海水的盐度有关。而a(λ)表示经过光电直调器28后的输出光谱，因此r1a(λ)是第一端面234上反射的光谱，a(λ)(1-r1)α2r2是通过第一端面234后并透射然后被第二端面239反射的光谱，α是光纤中光功率的传输损耗，k是与光电转换器25的光子到电子转换效率相关的常数。τ(λ)是第一反射信号与第二反射信号之间的时延，即第一反射信号到达光环形器24的第三端口234处的时间与第二反射信号到达光环形器24的第三端口234处的时间之间的差值。具体的，τ(λ)可以采用下面的公式表示：
[0045]
τ(λ)＝ng(λ)2l/c
ꢀꢀ
(式2)
[0046]
其中，ng(λ)是频谱范围[λ1，λ2]内的群速度分布，l是第一端面234和第二端面239之间的光纤长度，c是真空中的光速。根据积分的均值定理，在[λ1，λ2]的频谱范围内，可以将公式1的第二项可简化为以下等式：
[0047][0048]
其中，λ0是频谱范围[λ1，λ2]的中间值。
[0049]
由于公式1的第一项与微波频率fm无关，因此在微波频率f
mr
处，如果满足2πf
mr
τ(λ0)＝(2n-1)π的条件时，则可以获得电子频谱p(2πfm)的最小值，其中，n是整数。结合公式1至公式3，电子频谱p(2πfm)的最小值可以表示如下：
[0050][0051]
由于反射系数r2是与待检测海水盐度相关的系数，根据菲涅耳反射定律可以表示为以下公式：
[0052]
r2(s)＝(n
silica-n
water
(s))2/(n
silica
n
water
(s))2ꢀꢀ
(式5)
[0053]
其中n
silica
和n
water
分别是光束在光纤和海水中传输的折射率，而光束在光纤中传输的折射率n
silica
与盐度s的关系可表示为：
[0054]nwater
(s)＝n
water0
k2s
ꢀꢀ
(式6)
[0055]
其中，k2是一个预先设定的常数，例如取值可以是1.779
×
10-4
，n
water0
是光束在纯水中传输的折射率。因此，结合公式4到公式6，可以推导出在微波频率f
mr
处的最小rf功率如下：
[0056][0057]
其中，
[0058][0059][0060][0061]
当待检测海水的盐度发生变化时，反射系数r2也会发生相应的变化，进而改变电子频谱的值。因此，可以通过测量微波频率f
mr
处的最小功率rf的功率差来检测海水盐度的变化。根据上述的公式7至公式10，海水盐度数值随微波频率的变化理论上不是线性的，其关键指标为传感灵敏度q1和二阶非线性项q1，可拟合为原始数据在实验中加入噪声后的测量结果。为了评估盐度检测装置的线性度，理论上可以计算参数|q2/q1|：
[0062]
|q2/q1|＝k2/(2(n
silica-n
water0
))
ꢀꢀ
(式11)
[0063]
可见，对于不同盐度的待检测海水，电子频谱分析仪26所检测到的电子频谱p(2πfm)的数值也就不同，因此根据电子频谱分析仪26所获得的电子频谱的数值可以计算出待检测海水的盐度。
[0064]
下面结合图4介绍基于5g微波光子信号的双光纤端面干涉盐度检测方法的具体步骤。首先，执行步骤s1，利用无线信号收发模块从空中获取无线信号，例如获取移动通信的无线信号，具体的，可以是4g信号或者5g信号等。然后，执行步骤s2，判断所获取的无线信号的功率是否满足预设要求，例如无线信号的功率是否大于预设的功率值，如是，则执行步骤s3，否则，执行步骤s8，放弃当前获得的无线信号，并重新获取新的无线信号，即通过带通滤波器重新获取无线信号，并再次执行步骤s2。
[0065]
步骤s3中，将获取的无线信号进行放大处理，例如使用信号放大器对所接收到的无线信号进行放大，并且将放大后的信号进行直接电光调制。优选的，无线信号收发模块设置有光电直调器，光电直调器设置有光源，例如发光二极管或者激光器，利用放大后的无线射频信号对光源的电压或者电流进行直接调制，从而改变光信号的频率，光电直调器输出的光信号就是本实施例的输入光信号。
[0066]
接着，执行步骤s4，将经过电光调制获得的输入光信号发送至光环形器的第一端口，输入光信号从第一端口传送至第二端口，然后，执行步骤s5，输入光信号从第二端口入射到盐度传感器。输入光信号在盐度传感器的第一段物理接触光纤的第一端面上形成第一反射信号，并且在第二段物理接触光纤的第二端面上形成第二反射信号，由于第二反射信号需要经过较长的单模光纤，因此第一反射信号先经过光环形器的第二端口并从第三端口出射，而第二反射信号晚于第一反射信号从光环形器的第二端口、第三端口出射，因此，在光环形器的第三端口处形成微波干涉，相当于构成一个微波光子干涉仪。
[0067]
然后，执行步骤s6，从光环形器第三端口出射的返回光信号被光电转换器接收，光电转换器对返回光信号进行光电转换，获得测量电信号。最后，执行步骤s7，将测量电信号发送至电子频谱分析仪，由电子频谱分析仪计算电信号的频谱信息，从而计算得到待测量海水的盐度值。
[0068]
实际应用时，设定好电子频谱分析仪的分辨率，将频率扫描范围设定为3.48ghz至3.52ghz。另外，设置在第一端面234与apc接头232之间的基准溶液的盐度为基准值，以形成微波光子滤波器的深陷滤波器。优选的，深陷滤波器的深度大于10db。微波光子滤波器的深度定义为射频响应曲线最大值和最小值之间的差值。
[0069]
优选的，对于每一种待测量海水，可以采集在多个不同频率波段下的海水盐度数值，例如采集5个不同频率波段下的盐度值，并计算多个盐度值的平均值作为最终的计算结果，以提高检测的准确性。
[0070]
又或者，针对同一频率波段的无线信号，可以采用短时间内多次测量的方式来提高海水盐度检测的准确性。参见图5，首先执行步骤s11，获取时间上离散的多个无线信号，例如在短时间内以预设的间隔获取多个无线信号，相邻的两个无线信号的获取时间大约是1秒，并且将所获取的无线信号进行光电调制以获得输入光信号，将输入光信号输入至光环形器，并通过盐度传感器后进行光电转换，并使用测量电信号计算每一无线信号对应的海水盐度数值，即执行步骤s12。
[0071]
然后，执行步骤s13，判断多个海水盐度数值中，是否存在明显异常的数据，例如，是否存在某一个海水盐度数值明显高于其他的海水盐度数值，或者明显低于其他的海水盐度数值，如果是，执行步骤s14，剔除明显异常的海水盐度数值，然后执行步骤s15。如果不存在明显异常的海水盐度数值，则执行步骤s15。在步骤s15中，将没有剔除的海水盐度数值进行求平均值的计算，并且将计算获得的平均值作为最终的海水盐度数值。这样，通过将明显异常的海水盐度数值剔除后再计算平均值，可以提高海水盐度计算的准确性。
[0072]
由于盐度传感器的两段物理接触光纤的端面处形成的第一反射信号、第二反射信号构成了微波光子干涉，实际上是一种双端面的光信号干涉检测方法。与传统的基于光谱测量的海水盐度测量方法相比，本实施例通过提前微波光子干涉的射频响应曲线的最小值，可以测量海水的盐度值。通过实验可知，当海水的盐度在30.0
‰
～35.5
‰
范围内时，盐
度检测的敏感度较高，具有良好的线性和稳定性。
[0073]
另外，由于本实施例从空中获取无线信号，使用无线信号对光源的电压或者电流进行直接调制来改变光信号的频率，这样，不需要使用掺铒光纤放大器产生光信号。由于无线信号收发模块的生产成本低，且体积小，能够大幅度降低海水盐度检测装置的生产成本，并且减少整个设备的体积，可以方便在户外进行海水盐度的检测，提高海水盐度检测的便利性。
[0074]
最后需要强调的是，以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。