一種改進的生成載波相位pgc解調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)干涉儀測量領(lǐng)域，具體涉及到一種干涉儀的改進的生成載波相位 PGC解調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感器被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域因為他的靈敏度高，線性度高，體積尺寸小，抗 電磁干擾，動態(tài)范圍大等特點。光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)是利用干涉儀內(nèi)部參數(shù)的變化來測 量其他物理量，其中精度比較高是相位型干涉儀。最典型的應(yīng)用是光纖水聽器與光纖地震 計。上世紀(jì)70年代美國海軍實驗室開始致力于光纖水聽器的研究，其中1982年提出的相 位生成載波（PGC)算法與基于3X3耦合器的固定相移法（FPS)都是比較經(jīng)典的水聽器解 調(diào)方法。隨著光纖制備技術(shù)提高與光器件生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，這兩種算法目前也在民用領(lǐng)域 內(nèi)推行，主要依托產(chǎn)品為光纖地震計，光纖地震計相比于傳統(tǒng)地震計在測量靈敏度與動態(tài) 范圍上都有明顯優(yōu)勢，尤其對于高頻大幅度信號，如動態(tài)范圍在180dB@lkHz左右的核爆信 號。
[0003] 傳統(tǒng)的PGC解調(diào)算法需要進行混頻、濾波等操作，還需要使用微分、積分等運算， 在許多步驟上對信號的帶寬做出了限制，這就保證了其優(yōu)越的噪聲抑制特性，清華大學(xué)張 敏等人基于PGC原理的光纖水聽器在降噪方面對此作了深入的研究，包括獨立水聽器（CN 201110191719. 4)與復(fù)用水聽器陣列（CN201210143601.9)的噪聲抑制。另一個研究比較 深入的方向是水聽器列陣，中船重工715研究所謝勇等人發(fā)明了如何進行大規(guī)模陣列解調(diào) 的方法（CN200910100600. 4)，美國NorthropGrumman公司DavidB.Hall等人對陣列解調(diào) 也有相關(guān)專利發(fā)表（US7038784B2)。上述算法由于在計算中限制了帶寬，降低了系統(tǒng)的解 調(diào)范圍，在大信號解調(diào)過程中容易出現(xiàn)諧波失真。中國科學(xué)院研究生院的倪明博士學(xué)位論 文中也討論過PGC動態(tài)范圍的問題，結(jié)論是增加系統(tǒng)的動態(tài)范圍必須要增加調(diào)制頻率和數(shù) 據(jù)采樣率，這樣做無疑會極大增加硬件復(fù)雜程度和傳感器成本（需要高頻光學(xué)調(diào)制器）。對 于單個傳感單元而言，如何能在盡量不增加硬件開銷的基礎(chǔ)上實現(xiàn)動態(tài)范圍拓展，具有非 常重要的實用意義和價值。PGC解調(diào)算法的穩(wěn)定性在使用過程中也是性能劣化的一個重要 影響因素，因為整個傳感器系統(tǒng)包括光源，光路，換能器等部件，這些部件隨著溫度或應(yīng)力 釋放的變化會導(dǎo)致傳感器的狀態(tài)發(fā)生變化，如載波信號的頻率與幅度，如果這個問題不被 及時校正就會導(dǎo)致系統(tǒng)的諧波失真或者直流漂移。基于3X3耦合器的固定相移法（FPS) 其優(yōu)點在于解調(diào)動態(tài)范圍大，但缺點是其沒有對測量帶寬進行必要的限制，導(dǎo)致更多的白 噪聲直接進入解調(diào)結(jié)果，此外耦合器光學(xué)性能的畸變也會對解調(diào)產(chǎn)生較大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種改進的生成載波相位PGC解調(diào)方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0006] -種改進的生成載波相位PGC解調(diào)方法，包括信號調(diào)制模塊，采集預(yù)處理模塊， PGC解算與失真分析模塊，F(xiàn)PS解算模塊，PGC與FPS算法融合模塊，光纖干涉測量系統(tǒng)的工 作步驟如下：
[0007] (1. 1)首先啟動信號調(diào)制模塊，信號調(diào)制模塊中的開始采集子模塊用于采集放大 電路的輸出結(jié)果；調(diào)制輸出子模塊輸出的正弦波用于調(diào)制光源，經(jīng)過調(diào)制后的光注入到干 涉儀中，其中調(diào)制頻率為2kHz~50MHz，調(diào)制幅度在1~6rad范圍內(nèi)保證干涉條紋穩(wěn)定；
[0008] (1. 2)運行采集預(yù)處理模塊，采樣率根據(jù)調(diào)制頻率選擇在2Mbps~100Mbps，光電 探測模塊接收到光信號同時完成光電轉(zhuǎn)換，輸出第一路干涉信號、第二路干涉信號和第三 路干涉信號；這三路信號輸入到放大電路中，經(jīng)過開始采集子模塊，輸出第一路采集數(shù)據(jù)、 第二路采集數(shù)據(jù)和第三路采集數(shù)據(jù)；
[0009] (1. 3)采集預(yù)處理模塊的輸出結(jié)果，同時送入PGC解算與失真分析模塊和FPS解算 模塊中，并完成PGC解算與FPS解算；
[0010] (I. 4)FPS解算模塊使用增益調(diào)節(jié)子模塊的輸出結(jié)果完成解算，F(xiàn)PS解算模塊輸出 FPS解調(diào)結(jié)果與校正參數(shù)；
[0011] (I. 5)PGC解算與失真分析模塊使用第一路采集數(shù)據(jù)與校正參數(shù)完成PGC解算，輸 出解算結(jié)果；
[0012] (I. 6)PGC與FPS算法融合模塊根據(jù)失真分析子模塊的輸出結(jié)果，選擇PGC解調(diào)結(jié) 果或者FPS解調(diào)結(jié)果作為解調(diào)結(jié)果；
[0013] 所述的PGC解算與失真分析模塊，包括基本PGC模塊，諧波失真值分析模塊，結(jié)果 輸出模塊，PGC解算的過程包括：
[0014] (1. 2. 1)采集預(yù)處理模塊中的第一路采集數(shù)據(jù)形式為PGC干涉信號，分別與基頻 信號倍頻信號同時送入第一乘法器、第二乘法器，第一乘法器、第二乘法器的輸出結(jié)果送入 第一低通濾波器、第二低通濾波器，截止頻率根據(jù)載波信號頻率選擇在IkHz~25MHz之間， 衰減速度至少為_80dB至-120dB;
[0015] (1. 2. 2)基頻信號濾波結(jié)果送入諧波失真值分析模塊，第一低通濾波器輸出結(jié) 果送入傅里葉變換子模塊，傅里葉變換子模塊輸出結(jié)果為一組頻域數(shù)據(jù)，對這組數(shù)據(jù)進 行兩次積分，第一積分區(qū)間為（〇,《<：/2-A?)，輸出有效信號頻率成分，第二積分區(qū)間為 (A?，《。/2)，輸出失真信號頻率成分，其中近似區(qū)間A?大小根據(jù)調(diào)制頻率《。范圍在 IHz~IkHz之間，兩個積分值經(jīng)過第一除法器作相除運算后得到PGC諧波失真值；
[0016] (1. 2. 3)第一低通濾波器、第二低通濾波器輸出結(jié)果經(jīng)過第二除法器，得到未修正 PGC正切值；
[0017] 所述的FPS解算模塊，利用三路固定相移信號完成FPS解算，具體過程為：
[0018] (1.3. 1)基本FPS子模塊利用增益調(diào)節(jié)子模塊輸出的三路固定相移信號進行解 調(diào)，得到的解調(diào)結(jié)果包含載波信號與被測信號；
[0019] (1. 3. 2)基本FPS子模塊輸出結(jié)果經(jīng)過FPS高通濾波器得到載波信號，載波信號通 過峰值探測子模塊得到載波信號的幅度值，再通過狀態(tài)求解子模塊輸出調(diào)制幅度；
[0020] (1. 3. 3)未修正PGC正切值與狀態(tài)求解子模塊的輸出結(jié)果同時送入狀態(tài)修正子模 塊，得到修正后的反正切值，該值送入反正切子模塊；
[0021] 所述的PGC與FPS算法融合模塊，根據(jù)PGC諧波失真值大小進行算法融合，具體過 程為：
[0022] (I. 4. 1)基本FPS子模塊輸出結(jié)果經(jīng)過FPS低通濾波器，其截止頻率根據(jù)載波信號 頻率選擇在IkHz~25MHz之間，衰減至少速度為-80dB至-120dB，得到FPS解調(diào)結(jié)果并送 入輸出判定子模塊；
[0023] (1. 4. 2)狀態(tài)修正子模塊輸出結(jié)果經(jīng)過反正切子模塊得到修正后的PGC解調(diào)結(jié)果 并送入輸出判定子模塊；
[0024] (1. 4. 3)諧波失真值分析模塊輸出PGC諧波失真值即失真頻率部分所占的比重大 小，該值由被測信號幅度，頻率決定，若PGC諧波失真值在1 %以下，系統(tǒng)選擇PGC輸出作為 解調(diào)結(jié)果；若PGC諧波失真值在1 %~10%之間，系統(tǒng)既可以選擇PGC輸出也可以選擇FPS 輸出作為解調(diào)結(jié)果；若PGC諧波失真值大于10 %，系統(tǒng)選擇FPS輸出作為解調(diào)結(jié)果保證解 調(diào)最大動態(tài)范圍。
[0025] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0026] 本發(fā)明公開一種具有增大動態(tài)范圍、增強相位解調(diào)穩(wěn)定性的方法，將傳統(tǒng)PGC算 法與基于3X3耦合器的固定相移法（FPS)相融合，在保持系統(tǒng)采樣率不變的情況下拓展解 調(diào)的動態(tài)范圍，并同時使用FPS算法對PGC載波信號的調(diào)制幅度、頻率與初始相位進行監(jiān) 測，用于修正系統(tǒng)的低頻漂移，實現(xiàn)相位解調(diào)穩(wěn)定性的增強。本方法有效增加了系統(tǒng)動態(tài)范 圍，提高了系統(tǒng)長期穩(wěn)定性，可廣泛用于高精度光纖測量和光纖傳感等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0027] 圖1為一種改進相位解調(diào)算法的流程圖；
[0028] 圖2為改進相位解調(diào)方法實驗裝置圖；
[0029] 圖3為PGC解算及諧波失真分析程序流程圖；
[0030] 圖4為FPS輔助算法及補償程序流程圖；
[0031] 圖5為基本FPS程序流程圖；
[0032] 圖6為PGC算法對823Hz信號解調(diào)結(jié)果；
[0033] 圖7為FPS輔助算法對823Hz測試信號以及20kHz載波信號解調(diào)結(jié)果；
[0034]