专利名称：基于3×3耦合器两路输出的波长解调系统及方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于3x3耦合器两路输 出的波长解调系统及方法，主要应用于波长调制型传感器波长解调。
背景技术：
光纤传感技术是以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的新 型传感技术。利用外界物理量对光波不同参量的调制，光纤传感器可以分
为波长调制型、光强调制型、相位调制型和偏振态调制型等类型。波长 调制型光纤传感器有抗干扰能力强、传感探头结构简单、尺寸小和便于组 网复用等优点，因此波长调制型传感器在光纤传感中广泛应用于土木工 程，航空航天，石油工业，国防安全等诸多领域。
基于波长调制型光纤传感器的解调方法有很多，例如色散法、F-P滤 波器法、匹配光栅法、边缘滤波器法等，这些方法的最高波长分辨率约为
O.lpm。要达到更高的分辨率，必须采用干涉的方法，传感头波长的变化 经过非平衡干涉仪后转化为相位变化，然后通过相位解调技术还原波长的 变化，基于干涉式波长解调的方法主要包括相位跟踪法，相位载波法，3x3 耦合器方法等等。
相位跟踪法是在干涉仪的一个臂上引入相位调制器，干涉仪输出信号 经过相位补偿电路后对其进行反馈控制，产生相位补偿，使得干涉仪的两 臂的相位差为71/2，即干涉仪工作在正交状态下，此时传感器波长的变化 量与探测器输出的电压变化成正比。相位跟踪法的结构较简单，解调速度 快，其缺点是检测大信号时失真严重，解调结果与光强相关，且在组网复 用中，由于每一路传感器的干涉信号初始相位漂移不同，因此每一路传感 器需要单独的干涉仪和补偿电路，组网结构比较复杂。
相对于其它相位解调技术，基于3x3耦合器法实现的波长解调系统成 本低，算法简单，而且系统光路的实现相对容易，但是通常解调算法需要依赖于3W耦合器的三路输出，并且需要相位展开技术，这样不仅增加了 系统组网的难度而且加大了算法的难度。
发明内容
(一) 要解决的技术问题 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种基于
3x3耦合器两路输出的波长解调系统及方法，以降低算法复杂度，增大解 调动态范围，降低解调系统成本，便于实现组网。
(二) 技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下-
一种基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统，该系统包括
高通滤波模块IO，用于对接收自3x3耦合器的任意两路干涉条纹进行
高通滤波，滤去直流项后得到两路输出信号，输出给乘法交叉相减模块20;
乘法交叉相减模块20，用于对高通滤波模块10输入的两路信号进行 乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模 块30;
微分平方相加模块30，用于对乘法交叉相减模块20输入的信号进行 消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，输出给开方判断 正负模块40;
开方判断正负模块40，用于对微分平方相加模块30输入的信号微分 的平方项进行开根号运算，然后再对得到的结果进行正负的判断，得到信 号的微分项，输出给中值滤波积分模块50;
中值滤波积分模块50，用于对开方判断正负模块40输入的信号的微 分项进行中值滤波，滤去坏点后再经过积分器积分，得到最后的解调结果。
上述方案中，所述高通滤波模块10包含
第一高通滤波器101，用于对输入的干涉条纹al进行高通滤波得到信 号bl，输出给乘法交叉相减模块20;
第二高通滤波器102，用于对输入的干涉条纹a2进行高通滤波得到信 号b2，输出给乘法交叉相减模块20。
6上述方案中，所述乘法交叉相减模块20包含四个乘法器和两个减法
器，第一乘法器201和第二乘法器202分别将信号bl分别与(A/A)cos/ 2 和(A/^)sinj32相乘得到信号cl和c2，第三乘法器203和第四乘法器204 分别将信号b2分别与cos A和sin A相乘得到信号c3和C4，第一减法器205 将信号cl和c3相减得到信号dl ，第二减法器206将信号c2和c4相减得 到信号d2。
上述方案中，所述微分平方相加模块30包含两个微分器、两个平方 器和一个加法器，其中，第一微分器301对信号dl微分得到信号el，第 二微分器302对信号d2微分得到信号e2，第一平方器303对信号el平方 得到信号fl，第二平方器304对信号e2平方得到信号f2，加法器305将 信号fl和信号f2相加得到信号g。
上述方案中，所述开方判断正负模块40包括一个开方器和一个判断 正负模块，开方器401将信号g开方得到信号h，判断正负模块402根据 信号dl和e2的值判断信号h的符号得到信号i。
上述方案中，所述中值滤波积分模块50包括一个中值滤波器和一个 积分器，中值滤波器501对信号i进行中值滤波得到信号j，积分器502 对信号j进行积分得到最后解调结果。
一种基于3x3耦合器两路输出的波长解调方法，应用于权利要求1所 述的系统，该方法具体包括
高通滤波模块10对接收自3x3耦合器的任意两路干涉条纹进行高通 滤波，滤去直流项后得到两路输出信号，输出给乘法交叉相减模块20;
乘法交叉相减模块20对高通滤波模块10输入的两路信号进行乘法交 叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模块30;
微分平方相加模块30对乘法交叉相减模块20输入的信号进行消去包 含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，输出给开方判断正负模
块40;
开方判断正负模块40对微分平方相加模块30输入的信号微分的平方 项迸行开方判断正负处理，得到信号的微分项，输出给中值滤波积分模块
50;
中值滤波积分模块50对开方判断正负模块40输入的信号的微分项进行中值滤波积分，得到最后的解调结果。
上述方案中，所述乘法交叉相减模块20对高通滤波模块10输入的两 路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分 平方相加模块30的步骤，具体包括
高通滤波模块10输入的第一路信号首先乘以一比值，该比值是由3x3 耦合器输出的干涉条纹第二路中光强和条纹可见度的乘积项除以3x3耦合
器输出的干涉条纹第一路中光强和条纹可见度的乘积项得到的，然后再乘
以3x3耦合器引入的第二路相位差的余弦值；高通滤波模块10输入的第 一路信号接着再乘以一比值，该比值是由3x3耦合器输出的干涉条纹第二 路中光强和条纹可见度的乘积项除以3x3耦合器输出的干涉条纹第一路中 光强和条纹可见度的乘积项得到的，然后再乘以3x3耦合器引入的第二路 相位差的正弦值；
高通滤波模块10输入的第二路信号首先乘以3x3耦合器引入的第一 路相位差的余弦值；高通滤波模块10输入的第二路信号然后乘以3x3耦 合器引入的第一路相位差的正弦值，得到四路信号通过两个减法器交叉相 减得到的两路分别包含所求信号正弦和余弦的输出。
(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、 本发明提供的这种基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统及方 法，由于是基于干涉式的解调原理，将波长变化转变为相位的变化再进行 检测，具有高精度，动态范围大的特点。
2、 本发明提供的这种基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统及方 法，由于该解调方法基于3x3耦合器进行波长解调，其算法简单，而且不
需要有源器件，使解调系统成本降低。
3、 本发明提供的这种基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统及方 法，由于该解调方法基于3x3耦合器的两路输出，较利用3x3耦合器三路 输出的算法更方便实现组网。
图1是本发明提供的基于3"耦合器两路输出的波长解调系统的结构 示意图2为本发明提供的基于3x3耦合器两路输出的波长解调的方法流程
具体实施例方式
通过结合附图对根据本发明的最佳实施例进行详细描述，本发明的和
/或其它方面和优点将会变得清楚和更容易理解。
基于3x3耦合器两路输出的解调算法原理如下
经过3x3耦合器干涉后的干涉条纹可以写成如下公式
/" ^+5"cos(S + P") (1)
其中，4 (" = 1,2，3)为干涉后的平均光强，A (" = 1,2，3)与光强和干涉条
纹可见度有关，&(" = 1，2，3)为3><3耦合器三路输出引起的相位差，S为待
测信号，可以表示为^Dcos(纽)，"为待测信号的幅度，《为待测信号的
由于3x3耦合器三路输出任意两路作图可以得到利萨如图形，通过对 其进行曲线拟合可以最后得到3x3耦合器参数的值，包括 dj3" (" = 1,2,3)。
将(1)式进行贝塞尔函数展开可以得到
J。(Z)) + 2l;(-l)'^(")cos2tof t(-l):混(,。s(2"1—.
cos /
sin Aj
(2)
其中人(")为第k阶贝塞尔函数，可以利用3x3耦合器的任意两路输 出进行，这里选J'和A进行解调，将其通过高通滤波器滤除直流项以后， 可以得到如下结果<formula>formula see original document page 10</formula>
为了得到含有sinS和cosS的表达式，对(3)式和(4)式作如下处理:
<formula>formula see original document page 10</formula>
对(5)式和(6)式进行微分得到
<formula>formula see original document page 10</formula>
为了消掉S，将(7)式和(8)式进行平方相加得到
[《(,)丫 + [《(,)丫 = [52 sin(A - W 丫 =(敏)2
其中// = 52^()81-&)为常数。
由(7)式和(8)式，可以得到如下结果
<formula>formula see original document page 10</formula>
所以根据《W和& W的值，可以判断出间s'的符号。通过中值滤波器可以滤去I巧S'的坏点，通过对I巧S'积分可以得到
|丰=一" (11)由(11)式可以看到最终将信号信号还原出来，其中l巧为常数。
图1是本发明提供的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统的结构示意图，该系统包括高通滤波模块10、乘法交叉相减模块20、微分平方相加模块30、开方判断正负模块40和中值滤波积分模块50。
其中，高通滤波模块10用于对接收自3x3耦合器的任意两路干涉条纹进行高通滤波，滤去直流项后得到两路输出信号，输出给乘法交叉相减模块20。乘法交叉相减模块20用于对高通滤波模块10输入的两路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模块30。微分平方相加模块30用于对乘法交叉相减模块20输入的信号进行消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，输出给开方判断正负模块40。开方判断正负模块40，用于对微分平方相加模块30输入
的信号微分的平方项进行开根号运算，然后再对得到的结果进行正负的判断，得到信号的微分项，输出给中值滤波积分模块50。中值滤波积分模块50，用于对开方判断正负模块40输入的信号的微分项进行中值滤波，滤去坏点后再经过积分器积分，得到最后的解调结果。
高通滤波模块10包含第一高通滤波器101和第二高通滤波器102，其中，第一高通滤波器101用于对输入的干涉条纹al进行高通滤波得到信号bl，输出给乘法交叉相减模块20;第二高通滤波器102用于对输入的干涉条纹a2进行高通滤波得到信号b2，输出给乘法交叉相减模块20。
乘法交叉相减模块20包含四个乘法器和两个减法器，第一乘法器201和第二乘法器202分别将信号bl分别与(A / A)cos&和(A / A)sin足相乘得到信号cl和c2，第三乘法器203和第四乘法器204分别将信号b2分别与cosA和sinft相乘得到信号c3和c4，第一减法器205将信号cl和c3相减得到信号dl，第二减法器206将信号c2和c4相减得到信号d2。
微分平方相加模块30包含两个微分器、两个平方器和一个加法器，其中，第一微分器301对信号dl微分得到信号el，第二微分器302对信号d2微分得到信号e2，第一平方器303对信号el平方得到信号fl，第二
ii平方器304对信号e2平方得到信号f2，加法器305将信号fl和信号f2相加得到信号g。
开方判断正负模块40包括一个开方器和一个判断正负模块，开方器401将信号g开方得到信号h，判断正负模块402根据信号dl和e2的值判断信号h的符号得到信号i。
中值滤波积分模块50包括一个中值滤波器和一个积分器，中值滤波器501对信号i进行中值滤波得到信号j，积分器502对信号j进行积分得到最后解调结果。
基于图1所示的本发明提供的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统的结构示意图，图2示出了本发明提供的基于3x3耦合器两路输出的波长解调的方法流程图，该方法具体包括以下步骤
步骤201:高通滤波模块10对接收自3x3耦合器的任意两路干涉条纹
进行高通滤波，滤去直流项后得到两路输出信号，输出给乘法交叉相减模
块20;
步骤202:乘法交叉相减模块20对高通滤波模块10输入的两路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模块30;
步骤203:微分平方相加模块30对乘法交叉相减模块20输入的信号
进行消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，输出给开方判断正负模块40;
步骤204:开方判断正负模块40对微分平方相加模块30输入的信号微分的平方项进行开方判断正负处理，得到信号的微分项，输出给中值滤波积分模块50;
步骤205:中值滤波积分模块50对开方判断正负模块40输入的信号的微分项进行中值滤波积分，得到最后的解调结果。
上述步骤202中，所述乘法交叉相减模块20对高通滤波模块10输入
的两路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模块30的步骤，具体包括高通滤波模块10输入的第一路信号首先乘以一比值，该比值是由3x3耦合器输出的干涉条纹第二路中光
12强和条纹可见度的乘积项除以3x3耦合器输出的干涉条纹第一路中光强和条纹可见度的乘积项得到的，然后再乘以3x3耦合器引入的第二路相位差的余弦值；高通滤波模块10输入的第一路信号接着再乘以一比值，该比值是由3x3耦合器输出的干涉条纹第二路中光强和条纹可见度的乘积项除以3x3耦合器输出的干涉条纹第一路中光强和条纹可见度的乘积项得到的，然后再乘以3"耦合器引入的第二路相位差的正弦值；高通滤波模块10输入的第二路信号首先乘以3x3耦合器引入的第一路相位差的余弦值；高通滤波模块10输入的第二路信号然后乘以3x3耦合器引入的第一路相位差的正弦值，得到四路信号通过两个减法器交叉相减得到的两路分别包含所求信号正弦和余弦的输出。
本发明提供的基于3x3耦合器两路输出的波长解调的方法，3x3耦合器输出的其中两路干涉条纹首先进入高通滤波模块10，经过高通滤波器滤去直流项后得到两路输出进入乘法交叉相减模块20，得到包含信号的正弦项和余弦项，然后进入微分平方相加模块30，消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，进入开方判断正负模块40项得到信号的微分项，最后通过中值滤波积分模块50可以得到最后的解调结果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而己，并不用于限制本发明，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。
权利要求
1、一种基于3×3耦合器两路输出的波长解调系统，其特征在于，该系统包括高通滤波模块(10)，用于对接收自3×3耦合器的任意两路干涉条纹进行高通滤波，滤去直流项后得到两路输出信号，输出给乘法交叉相减模块(20)；乘法交叉相减模块(20)，用于对高通滤波模块(10)输入的两路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模块(30)；微分平方相加模块(30)，用于对乘法交叉相减模块(20)输入的信号进行消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，输出给开方判断正负模块(40)；开方判断正负模块(40)，用于对微分平方相加模块(30)输入的信号微分的平方项进行开根号运算，然后再对得到的结果进行正负的判断，得到信号的微分项，输出给中值滤波积分模块(50)；中值滤波积分模块(50)，用于对开方判断正负模块(40)输入的信号的微分项进行中值滤波，滤去坏点后再经过积分器积分，得到最后的解调结果。
2、 根据权利要求1所述的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统， 其特征在于，所述高通滤波模块(10)包含第一高通滤波器(101)，用于对输入的干涉条纹al进行高通滤波得 到信号bl，输出给乘法交叉相减模块(20);第二高通滤波器(102)，用于对输入的干涉条纹a2进行高通滤波得 到信号b2，输出给乘法交叉相减模块(20)。
3、 根据权利要求2所述的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统， 其特征在于，所述乘法交叉相减模块(20)包含四个乘法器和两个减法器， 第一乘法器(201)和第二乘法器(202)分别将信号M分别与(尾/A)cosA 和(A/A)sinA相乘得到信号cl和c2，第三乘法器(203)和第四乘法器(204)分别将信号b2分别与cosA和sinA相乘得到信号c3和c4，第一减法器(205)将信号cl和c3相减得到信号dl，第二减法器(206)将信号 c2和c4相减得到信号d2。
4、 根据权利要求3所述的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统， 其特征在于，所述微分平方相加模块(30)包含两个微分器、两个平方器 和一个加法器，其中，第一微分器(301)对信号dl微分得到信号el，第 二微分器(302)对信号d2微分得到信号e2，第一平方器(303)对信号 el平方得到信号fl，第二平方器(304)对信号e2平方得到信号f2，加法 器(305)将信号fl和信号￡2相加得到信号g。
5、 根据权利要求4所述的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统， 其特征在于，所述开方判断正负模块(40)包括一个开方器和一个判断正 负模块，开方器(401)将信号g开方得到信号h，判断正负模块(402) 根据信号dl和e2的值判断信号h的符号得到信号i。
6、 根据权利要求5所述的基于3x3耦合器两路输出的波长解调系统， 其特征在于，所述中值滤波积分模块(50)包括一个中值滤波器和一个积 分器，中值滤波器(501)对信号i进行中值滤波得到信号j，积分器(502) 对信号j进行积分得到最后解调结果。
7、 一种基于3x3耦合器两路输出的波长解调方法，应用于权利要求1 所述的系统，其特征在于，该方法具体包括-高通滤波模块(10)对接收自3x3耦合器的任意两路干涉条纹进行高 通滤波，滤去直流项后得到两路输出信号，输出给乘法交叉相减模块(20);乘法交叉相减模块(20)对高通滤波模块(10)输入的两路信号进行 乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模 块(30);微分平方相加模块(30)对乘法交叉相减模块(20)输入的信号进行 消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项，输出给开方判断 正负模块(40);幵方判断正负模块(40)对微分平方相加模块(30)输入的信号微分 的平方项进行幵方判断正负处理，得到信号的微分项，输出给中值滤波积 分模块(50);中值滤波积分模块(50)对开方判断正负模块(40)输入的信号的微分项进行中值滤波积分，得到最后的解调结果。
8、根据权利要求7所述的基于3x3耦合器两路输出的波长解调方法，其特征在于，所述乘法交叉相减模块(20)对高通滤波模块(10)输入的两路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项，输出给微分平方相加模块(30)的步骤，具体包括高通滤波模块(io)输入的第一路信号首先乘以一比值，该比值是由3x3耦合器输出的干涉条纹第二路中光强和条纹可见度的乘积项除以3x3耦合器输出的干涉条纹第一路中光强和条纹可见度的乘积项得到的，然后再乘以3x3耦合器引入的第二路相位差的余弦值；高通滤波模块(10)输入的第一路信号接着再乘以一比值，该比值是由3x3耦合器输出的干涉条纹第二路中光强和条纹可见度的乘积项除以3x3耦合器输出的干涉条纹第一路中光强和条纹可见度的乘积项得到的，然后再乘以3x3耦合器引入的第二路相位差的正弦值；高通滤波模块(10)输入的第二路信号首先乘以3x3耦合器引入的第一路相位差的余弦值；高通滤波模块(10)输入的第二路信号然后乘以3x3耦合器引入的第一路相位差的正弦值，得到四路信号通过两个减法器交叉相减得到的两路分别包含所求信号正弦和余弦的输出。 '
全文摘要
本发明公开了一种基于3×3耦合器两路输出的波长解调系统及方法，系统包括高通滤波模块，对接收自3×3耦合器的任意两路干涉条纹进行高通滤波，滤去直流项后得到两路输出信号；乘法交叉相减模块，对两路信号进行乘法交叉相减，得到包含信号的正弦项和余弦项；微分平方相加模块，对信号进行消去包含信号的正弦和余弦项，得到信号微分的平方项；开方判断正负模块，对信号微分的平方项进行开根号运算，然后再对得到的结果进行正负的判断，得到信号的微分项；中值滤波积分模块，对信号的微分项进行中值滤波，滤去坏点后再经过积分器积分，得到最后的解调结果。本发明具有精度高，动态范围大，成本低，算法简单，容易实现组网的优点。
文档编号H04B10/20GK101686087SQ200810223610
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者磊 冯, 刘育梁, 芳 李 申请人:中国科学院半导体研究所