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CN114353836B - 光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法 - Google Patents

光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法 Download PDF

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CN114353836B CN202210050312.8A CN202210050312A CN114353836B CN 114353836 B CN114353836 B CN 114353836B CN 202210050312 A CN202210050312 A CN 202210050312A CN 114353836 B CN114353836 B CN 114353836B
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Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法。该方法利用3×3信号检测中当参与信号检测的两干涉光初相位分别为kπ+θ/2和kπ‑θ/2时附加乘性强度噪声影响为0的特性，将具有固定相位差的3×3干涉仪三路干涉输出合成两个初相位分别为kπ+θ/2和kπ‑θ/2的干涉信号，最后对合成两路的干涉信号进行3×3信号检测，系统本底相位噪声中的乘性强度噪声源贡献即可被有效抑制。

Description

光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法。
背景技术
干涉型光纤传感系统是一种灵敏度高、易于复用的传感系统，长期以来，为提升其传感性能，许多机构都投入大量的人力和物力对其进行研究。3×3信号检测方法是一种干涉型光纤传感系统中常用的信号检测技术，其利用3×3耦合器构成的干涉仪输出干涉光具有固定120°相位差的特点，可以不依赖调制载波而实现信号检测，因此具有系统结构简单、实现容易、动态范围大的优点。在干涉型光纤传感系统中，相位噪声本底是评价系统性能的一项关键技术指标，其关系到传感系统可以探测的最小信号。因此，抑制3×3信号检测方法引入的附加相位噪声，对于降低基于3×3信号检测方法的干涉型光纤传感系统的本底噪声、提升系统在微弱信号探测领域的应用能力具有重要意义。
多年来，一些研究者提出了多种方法来抑制干涉型光纤传感系统中的相位噪声。文献1(光纤水听器系统噪声分析及抑制技术研究，梁迅，国防科学技术大学博士论文，2008年)针对干涉型光纤传感系统中采用的环形腔光纤激光器的弛豫振荡进行了深入理论研究和试验测试，分析了弛豫振荡对涉型光纤传感系统相位噪声的影响，提出通过改变噪声峰的位置，降低噪声对系统噪声影响，该方法使弛豫振荡峰减小25dB以上，大幅降低了由激光器弛豫振荡导致产生的噪声。文献2(Acousto-optic modulation induced noises onheterodyne-interrogated interferometric fiber-optic sensors，Liu Fei等，Journalof Lightwave Technology，2018年36卷16期)深入研究了由声光调制器相对声光散射效率波动引起的光脉冲强度噪声，提出改变驱动功率至其饱和功率可以将该噪声降低约5dB。文献3(Theoretical and experimental study of suppressing stimulated Brillouinscattering and phase noise in interferometric fiber sensing systems withphase modulation，Xiaoyang Hu等，Applied Optics，2015年54卷8期)则提出使用相位调制法对远程传输干涉型光纤传感系统中非线性效应产生的相位噪声进行抑制。以上文献均是针对于相位噪声源本身进行抑制。
在光纤传感系统中，有些噪声很难从噪声源予以抑制或消除，比如光缆传输噪声、偏振噪声、声光调制器相位噪声等。然而，当在系统中引入一个与传感干涉仪光学结构完全相同的声不敏感参考干涉仪，并予以完全相同的信号检测后，上述的噪声对于传感干涉仪和参考干涉仪而言即属于共模噪声，当选用合适的抵消方法后，便可有效地抑制此类共模噪声对系统相位噪声的影响。文献4(光纤矢量水听器系统本底噪声的自适应抵消，吴艳群等，中国激光，2011年38卷3期)提出使用自适应抵消的方法抑制共模的相位噪声。文献5(Common-Mode Noise Suppression Technique in Interferometric Fiber-OpticSensors，Liu Fei等，Journal of Lightwave Technology，2019年37卷21期)提出使用一个3×2干涉仪作为参考干涉仪，使用3×2干涉仪3路输出具有固定120度相位差的特性，利用三路输出合成出与传感干涉仪同相位的干涉信号，将两者解调输出直接相减从而抑制共模噪声源对系统相位噪声的影响，该方法中并未考虑由信号检测方法自身所产生的附加噪声抑制问题。
可以看出，以上噪声抑制方法均是从噪声源角度(该噪声源为系统本身就存在的、与信号检测方法无关的噪声成分)对光纤传感系统中的输出相位噪声进行抑制。然而，在实际情况中，不仅噪声源会引入系统相位噪声，信号检测方法自身也会通过信号解调过程引入附加的相位噪声，该附加相位噪声独立于各类噪声源的影响之外，同样对系统噪声本底产生影响，因此也需要进行针对性的抑制。具体地，在3×3信号检测中，干涉信号中的强度噪声也会通过信号检测过程转化成相位噪声输出，该部分相位噪声叠加在相位噪声本征谱上，共同构成系统输出的本底相位噪声。目前，针对光纤传感系统中3×3检测的乘性强度噪声影响的抑制技术鲜见报道。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法。该方法利用3×3信号检测中当参与信号检测的两干涉光初相位分别为kπ+θ/2和kπ-θ/2(k为整数，θ为3×3干涉仪的固定相位差)时附加乘性强度噪声影响为0的特性，将具有固定相位差的3×3干涉仪三路干涉输出合成两个初相位分别为kπ+θ/2和kπ-θ/2的干涉信号，最后对合成两路的干涉信号进行3×3信号检测，即可得到无附加乘性强度噪声影响的相位噪声输出。
为实现上述的技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法，包括以下步骤：
S1：获取第1路干涉信号、第2路干涉信号、第3路干涉信号，任意使用其中两路干涉信号分别作为第1干涉信号V1和第2干涉信号V2，剩余一路干涉信号作为备选合成信号Vbackup；
所述第1干涉信号V1可表示为：V1＝A1+B1cos(φ+φ0)
所述第2干涉信号V2可表示为：V2＝A2+B2cos(φ+φ0-θ1)
所述备选合成信号Vbackup可表示为：Vbackup＝A3+B3cos(φ+φ0+θ2)
其中，A1、A2、A3为干涉信号直流光强经光电转换而成的数字直流量，B1、B2、B3为干涉信号交流幅度经光电转换而成的数字交流量，φ为信号和噪声引入的相位项，φ0为干涉信号初相位，干涉信号初相位随时间慢漂，短时间干涉信号初相位可认为为恒定量，φ0亦即第1干涉信号初相位，θ1为第1干涉信号与第2干涉信号之间的相位差，φ0-θ1为第2干涉信号初相位，θ2为备选合成信号与第1干涉信号之间的相位差，φ0+θ2为备选合成信号初相位。对于理想3×2干涉仪，固定相位差θ1和θ2为120°，但实际的3×2干涉仪由于3×3耦合器分光比不均匀性等原因，θ1和θ2通常稍偏离120°。
S2：采用标定方法，获得干涉信号非对称参数A1、A2、A3、B1、B2、B3、θ1和θ2。
S3：对第1干涉信号V1使用信号检测方法，解调出所述干涉信号初相位φ0；
S4：对第1干涉信号V1使用去除直流交流方法获得第1归一化干涉信号Vac1，对第2干涉信号V2使用去除直流交流方法获得第2归一化干涉信号Vac2，对备选合成信号Vbackup使用去除直流交流方法获得归一化备选合成信号Vbackup1；
所述第1归一化干涉信号Vac1可表示为：Vac1＝cos(φ+φ0)；
所述第2归一化干涉信号Vac2可表示为：Vac2＝cos(φ+φ0-θ1)；
所述归一化备选合成信号Vbackup1可表示为：Vbackup1＝cos(φ+φ0+θ2)；
S5：对第1归一化干涉信号Vac1和第2干涉信号Vac2进行线性叠加方法得到初相位为kπ+θ1/2的第1合成干涉信号Vs1以及初相位为kπ-θ1/2的第2合成干涉信号Vs2，具体如下：
S5.1：计算出第1对线性叠加系数
Figure GDA0003737581550000031
和
Figure GDA0003737581550000032
第2对线性叠加系数
Figure GDA0003737581550000033
和
Figure GDA0003737581550000034
S5.2：按照Vs1＝K1Vac1+K2Vac2和Vs2＝K′1Vac1+K′2Vac2计算出Vs1和Vs2：
所述第1合成干涉信号Vs1可表示为：Vs1＝cos(φ+kπ+θ1/2)；
所述第2合成干涉信号Vs2可表示为：Vs2＝cos(φ+kπ-θ1/2)；
S6：对第1合成干涉信号Vs1和第2合成干涉信号Vs2采用3×3信号检测，检测出相位信号。
优选地，步骤S2中，所述标定方法为椭圆拟合标定方法(具体参见一种基于光频调制的3×3耦合器光电检测方法与装置，公开日：2020-12-18)。
优选地，步骤S3中，也可以对第2干涉信号V2或备选合成信号Vref使用信号检测方法，解调出所述干涉信号初相位φ0。
优选地，步骤S3中，信号检测方法包括PGC信号检测方法或3×3信号检测方法。
优选地，步骤S4中所述去除直流交流方法具体为：使用所述第1干涉信号V1减去A1后除以B1获得所述第1归一化干涉信号Vac1，使用所述第2干涉信号V2减去A2后除以B2获得所述第2归一化干涉信号Vac2，使用所述备选合成信号Vbackup减去A3后除以B3获得所述归一化备选合成信号Vbackup1。
优选地，步骤S5中，线性叠加方法也可以为：使用第1归一化干涉信号Vac1和归一化备选合成信号Vbackup1进行线性叠加，或者第2归一化干涉信号Vac2和归一化备选合成信号Vbackup1进行线性叠加。
优选地，本发明所述方法可用于基于利用光纤3×2迈克尔逊干涉仪进行3×3信号检测的装置。
优选地，本发明所述方法也可用于基于利用光纤3×2马赫曾德尔干涉仪系统进行3×3信号检测的装置。
本发明可以达到以下技术效果：
本发明提供的一种抑制光纤传感系统3×3检测中乘性强度噪声影响的方法，能够把参与3×3信号检测的两干涉光初相位分别锁定在kπ+θ1/2和kπ-θ1/2处，此时由3×3信号检测中由检测方法引入的乘性强度噪声影响为0，从而达到抑制3×3信号检测中附加乘性强度噪声影响的目的。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为本发明所依托的装置示意图；
图3为3×3信号检测输出本底相位噪声随初相位φ0变化曲线；
图4为本发明提供的方法合成出的干涉信号与期望获得的干涉信号对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术在干涉型光纤传感技术中的缺陷和需求，本发明提出一种抑制光纤传感系统3×3检测中乘性强度噪声影响的方法，按照如图1所示的流程将参与信号检测的两路干涉信号初相位分别锁定在kπ+θ1/2和kπ-θ1/2附近，使3×3信号检测中由检测方法引入的乘性强度噪声影响为0，从而达到抑制该部分附加相位噪声的目的。
本发明的一个实施方式依托图2示出的3×2迈克尔逊干涉仪装置进行信号检测，含有噪声的三路干涉信号表达式为：
Figure GDA0003737581550000051
式中，V1作为第1干涉信号，V2作为第2干涉信号，Vbackup作为备选合成信号，A1、A2、A3为干涉信号的直流幅度，υ为干涉条纹可见度，则三个干涉信号的交流幅度分别为B1＝A1υ、B2＝A2υ、B3＝A3υ；φ0为干涉信号初相位亦即第1干涉信号初相位，θ1为第1干涉信号与第2干涉信号之间的相位差，φ0-θ1即第2干涉信号初相位，θ2为备选合成信号与第1干涉信号之间的相位差，φ0+θ2即备选合成信号初相位；nM(t)为乘性强度源时域表达式，nP(t)为相位噪声源时域表达式，nA(t)为第1干涉信号的加性强度噪声源时域表达式，n′A(t)为第2干涉信号的加性强度噪声源时域表达式，n″A(t)为备选合成信号的加性强度噪声源时域表达式，由于第1干涉信号、第2干涉信号和备选合成信号由不同探测通道探测，因此加性噪声不同源。使用椭圆拟合方法可以标定出3个干涉信号中的八项非对称参数A1、A2、A3、B1、B2、B3、θ1和θ2。对V1、V2分别去除直流交流后可以得到第1归一化干涉信号Vac1、第2归一化干涉信号Vac2，其可以用以下表达式表示
Figure GDA0003737581550000052
对第1归一化干涉信号Vac1、第2归一化干涉信号Vac2进行3×3信号检测，即
Figure GDA0003737581550000053
减去干涉信号初相位φ0后，系统输出本底相位噪声的功率谱密度可以用公式(4)来表达：
Figure GDA0003737581550000054
可以看出，当cosφ0＝cos(θ1-φ0)即φ0＝kπ+θ1/2时，由乘性强度噪声源通过3×3信号检测引入到本底相位噪声中的影响为0，此时系统中乘性强度噪声源的影响完全被抑制。图3示出了根据式(4)得出的不同初相位φ0情况下输出相位噪声变化仿真曲线，仿真参数参数如下：PP(ω)＝-120dB，PM(ω)＝-100dB，P′A(ω)＝P′A(ω)＝-140dB，θ1＝124°，υ＝0.98，A1＝A2＝3。仿真中设置乘性强度噪声值比其他两种噪声高20dB以上来凸显本发明提供方法的效果。从仿真结果可以看出，当初相位φ0为φ0＝kπ+θ1/2时，输出相位噪声达到最低，并趋近于相位噪声源噪声值(-120dB)，此时乘性强度噪声源噪声值。由此可得，只需将两个参与3×3信号检测的干涉信号初相位分别锁定为φ0＝kπ+θ1/2和φ0-θ1＝kπ-θ1/2，即可在3×3信号检测中抑制乘性强度噪声源的影响。
基于以上理论基础，在本实施例中，本发明通过以下步骤实现将两个参与3×3信号检测的干涉信号初相位锁定为φ0＝kπ+θ1/2和φ0-θ1＝kπ-θ1/2：
S1：获取第1路干涉信号、第2路干涉信号、第3路干涉信号，任意使用其中两路干涉信号分别作为第1干涉信号V1和第2干涉信号V2，剩余一路干涉信号作为备选合成信号Vbackup。
所述第1干涉信号V1可表示为：V1＝A1+B1cos(φ+φ0)
所述第2干涉信号V2可表示为：V2＝A2+B2cos(φ+φ0-θ1)
所述备选合成信号Vbackup可表示为：Vbackup＝A3+B3cos(φ+φ0+θ2)
其中，A1、A2、A3为干涉信号直流光强经光电转换而成的数字直流量，B1、B2、B3为干涉信号交流幅度经光电转换而成的数字交流量，C为相位载波调制深度，ω0为相位载波调制频率，φ为信号和噪声引入的相位项，φ0为干涉信号初相位，干涉信号初相位随时间慢漂，短时间干涉信号初相位可认为为恒定量，φ0亦即第1干涉信号初相位，θ1为第1干涉信号与第2干涉信号之间的相位差，φ0-θ1即第2干涉信号初相位，θ2为备选合成信号与第1干涉信号之间的相位差，φ0+θ2即备选合成信号初相位。对于理想3×2干涉仪，固定相位差θ1和θ2为120°，但实际的3×2干涉仪由于3×3耦合器分光比不均匀性等原因，θ1和θ2通常稍偏离120°。
S2：采用椭圆拟合标定方法，获得干A1、A2、A3、B1、B2、B3、θ1和θ2八项非对称参数。
S3：对第1干涉信号V1使用信号检测方法，解调出所述干涉信号初相位φ0；
S4：对第1干涉信号V1使用去除直流交流方法获得第1归一化干涉信号Vac1，对第2干涉信号V2使用去除直流交流方法获得第2归一化干涉信号Vac2，对备选合成信号Vbackup使用去除直流交流方法获得归一化备选合成信号Vbackup1；
所述第1归一化干涉信号Vac1可表示为：Vac1＝cos(φ+φ0)；
所述第2归一化干涉信号Vac2可表示为：Vac2＝cos(φ+φ0-θ1)；
所述归一化备选合成信号Vbackup1可表示为：Vbackup1＝cos(φ+φ0+θ2)；
S5：计算出第1对线性叠加系数
Figure GDA0003737581550000071
和
Figure GDA0003737581550000072
第2对线性叠加系数
Figure GDA0003737581550000073
和
Figure GDA0003737581550000074
按照Vs1＝K1Vac1+K2Vac2和Vs2＝K′1Vac1+K′2Vac2计算出Vs1和Vs2。
所述第1合成干涉信号Vs1可表示为：Vs1＝cos(φ+kπ+θ1/2)；
所述第2合成干涉信号Vs2可表示为：Vs2＝cos(φ+kπ-θ1/2)；
由此可得所需特定的一对初相位分别为φ0＝kπ+θ1/2和φ0-θ1＝kπ-θ1/2的干涉信号，对这一对干涉信号使用3×3信号检测，即可得到乘性强度噪声被抑制的本底相位噪声。图4示出了使用本发明提供的方法合成所需第1和第2合成干涉信号的仿真图，仿真中设置相位信号为φ＝cos(2π×250t)，θ1＝124°，k＝1，φ0＝12°。可以发现，本发明所提供的方法可以有效地将参与3×3信号检测的两路干涉信号分别锁定到所需的φ0＝kπ+θ1/2和φ0-θ1＝kπ-θ1/2初相位处，此时对该两路干涉信号进行3×3信号检测时，系统本底相位噪声中的乘性强度噪声源贡献即可被有效抑制。
S6：对第1合成干涉信号Vs1和第2合成干涉信号Vs2采用3×3信号检测，检测出相位信号。

Claims (8)

1.一种光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：获取第1路干涉信号、第2路干涉信号、第3路干涉信号，任意使用其中两路干涉信号分别作为第1干涉信号V1和第2干涉信号V2，剩余一路干涉信号作为备选合成信号Vbackup；
所述第1干涉信号V1可表示为：V1＝A1+B1cos(φ+φ0)；
所述第2干涉信号V2可表示为：V2＝A2+B2cos(φ+φ0-θ1)；
所述备选合成信号Vbackup可表示为：Vbackup＝A3+B3cos(φ+φ0+θ2)；
其中，A1、A2、A3为干涉信号直流光强经光电转换而成的数字直流量，B1、B2、B3为干涉信号交流幅度经光电转换而成的数字交流量，φ为信号和噪声引入的相位项，φ0为干涉信号初相位，θ1为第1干涉信号与第2干涉信号之间的相位差，φ0-θ1为第2干涉信号初相位，θ2为备选合成信号与第1干涉信号之间的相位差，φ0+θ2为备选合成信号初相位；
S2：采用标定方法，获得干涉信号非对称参数A1、A2、A3、B1、B2、B3、θ1和θ2；
S3：对第1干涉信号V1使用信号检测方法，解调出所述干涉信号初相位φ0；
S4：对第1干涉信号V1使用去除直流交流方法获得第1归一化干涉信号Vac1，对第2干涉信号V2使用去除直流交流方法获得第2归一化干涉信号Vac2，对备选合成信号Vbackup使用去除直流交流方法获得归一化备选合成信号Vbackup1；
所述第1归一化干涉信号Vac1可表示为：Vac1＝cos(φ+φ0)；
所述第2归一化干涉信号Vac2可表示为：Vac2＝cos(φ+φ0-θ1)；
所述归一化备选合成信号Vbackup1可表示为：Vbackup1＝cos(φ+φ0+θ2)；
S5：对第1归一化干涉信号Vac1和第2干涉信号Vac2使用线性叠加方法得到初相位为kπ+θ1/2的第1合成干涉信号Vs1以及初相位为kπ-θ1/2的第2合成干涉信号Vs2，具体如下：
S5.1：计算出第1对线性叠加系数
Figure FDA0003767376210000011
和
Figure FDA0003767376210000012
第2对线性叠加系数
Figure FDA0003767376210000013
和
Figure FDA0003767376210000014
S5.2：按照Vs1＝K1Vac1+K2Vac2和Vs2＝K′1Vac1+K′2Vac2计算出Vs1和Vs2：
所述第1合成干涉信号Vs1可表示为：Vs1＝cos(φ+kπ+θ1/2)；
所述第2合成干涉信号Vs2可表示为：Vs2＝cos(φ+kπ-θ1/2)；
S6：对第1合成干涉信号Vs1和第2合成干涉信号Vs2采用3×3信号检测，检测出相位信号。
2.一种根据权利要求1所述光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法，其特征在于：步骤S2中，所述标定方法为椭圆拟合标定方法。
3.一种根据权利要求1所述光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法，其特征在于：步骤S3中，也可以对第2干涉信号V2或备选合成信号Vref使用信号检测方法，解调出所述干涉信号初相位φ0。
4.一种根据权利要求1或3所述光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法，其特征在于：步骤S3中，信号检测方法包括PGC信号检测方法或3×3信号检测方法。
5.一种根据权利要求1所述光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法，其特征在于：步骤S4中所述去除直流交流方法具体为：使用所述第1干涉信号V1减去A1后除以B1获得所述第1归一化干涉信号Vac1，使用所述第2干涉信号V2减去A2后除以B2获得所述第2归一化干涉信号Vac2，使用所述备选合成信号Vbackup减去A3后除以B3获得所述归一化备选合成信号Vbackup1。
6.一种根据权利要求1所述光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法，其特征在于：步骤S5中，线性叠加方法也可以为使用第1归一化干涉信号Vac1和归一化备选合成信号Vbackup1进行线性叠加，或者使用第2归一化干涉信号Vac2和归一化备选合成信号Vbackup1进行线性叠加。
7.一种根据权利要求1所述光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法，其特征在于：所述方法可用于基于利用光纤3×2迈克尔逊干涉仪进行3×3信号检测的装置。
8.一种根据权利要求1所述光纤传感系统3×3信号检测中乘性强度噪声的抑制方法，其特征在于：所述方法也可用于基于利用光纤3×2马赫曾德尔干涉仪系统进行3×3信号检测的装置。
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