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)明設(shè)計屬于光纖干涉儀測量領(lǐng)域，具體涉及到一種改進的生成載波相位PGC 解調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 干涉型光纖傳感器是利用光路中的相位變化來測量物理量，包括震動，應(yīng)力，位 移，速度等，這種方法具有靈敏度高，線性度高，體積尺寸小，動態(tài)范圍大等特點。典型的光 纖傳感器應(yīng)用包括光纖水聽器，光纖地震計，光纖應(yīng)變儀等。光纖地震計可以監(jiān)測地震，核 爆等大幅度信號，Zumberge等人指出其動態(tài)范圍在180dB@lkHz左右；光纖水聽器主要用于 對水下不可視目標(biāo)，雷達無法探知的盲區(qū)進行監(jiān)測，光纖水聽器陣列相比于傳統(tǒng)的水聽器 具有方向性好，工作帶寬大等特點。光纖應(yīng)變儀可以測量超低頻的物理過程，如潮汐，其工 作頻段最低可達0.001Hz。對于光路中的相位變化需要通過特定的算法求解，常用的相位解 調(diào)算法可以分為：有源檢測，無源檢測，外差檢測，零差檢測等。其中有源零差法中的相位生 成載波算法（PGC)與無源零差法中的3X3固定相移法，具有結(jié)構(gòu)簡單，分辨率高的特定，被 廣泛應(yīng)用于光纖地震計，光纖水聽器陣列等傳感器中（CN 200810117296. X)。
[0003] PGC算法優(yōu)點在于低噪聲且對低頻信號響應(yīng)好，但是由于PGC算法對采樣帶寬進 行限制，從而抑制了可以解調(diào)信號的幅度與頻率，削弱了對高頻大信號的解調(diào)能力，降低了 系統(tǒng)的動態(tài)范圍。而且PGC算法容易受到伴生調(diào)幅效應(yīng)影響，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生較大的諧波失 真。清華大學(xué)張敏等人在基于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（CN 201210143601.9)。美國海軍 實驗室的Michael Amaral等人提出的水聽器校正系統(tǒng)（US 6594198 B2)對PGC如何抑制 直流漂移作了分析。但是二人都沒有對如何提PGC算法的解調(diào)信號動態(tài)范圍與伴生調(diào)幅諧 波抑制做出詳細說明。3X3耦合器固定相移算法優(yōu)點在于充分利用采樣帶寬，將采樣頻率 內(nèi)的信號全部參與運算，這樣就能解調(diào)更大幅度與更高頻率的信號，但是隨之而來的就是 耦合進來更多的噪聲，使系統(tǒng)的相位分辨率劣化。而且3X3耦合器固定相移算法要求耦合 器理想完全對稱，3路輸出具有相同的分光比與120°的固定相位差，當(dāng)分光比與相位差發(fā) 生變化都會導(dǎo)致解調(diào)結(jié)果的劣化。中船715研究所謝勇等人提出一種便攜式多功能光纖水 聽器信號解調(diào)方法（CN200910100835. 3)將PGC解調(diào)方法與3X3固定相移解調(diào)方法固化到 一個裝置中，但是該裝置不能同時運行兩種算法，無法同時拓展動態(tài)范圍以及相位分辨率， 完成對諧波的抑制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種抑制伴生調(diào)幅效應(yīng)、擴展動態(tài)范圍的改進的生成載波 相位PGC解調(diào)方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0006] 改進的生成載波相位PGC解調(diào)方法，用干涉儀后端的3 X 3耦合器輸出的第一路固 定相移FPS信號和第二路FPS信號進行FPS算法相位解調(diào)；第一路PGC信號采用相位生成 載波算法進行解調(diào)，最后將兩種算法解調(diào)結(jié)果進行合理融合；PGC算法中增加 PGC橢圓擬合 校正模塊，F(xiàn)PS算法中增加 FPS橢圓擬合校正模塊分別實現(xiàn)對伴生調(diào)幅效應(yīng)的抑制；同時以 被測相位的幅度和頻率乘積作為算法選擇的判定條件，完成PGC算法和FPS算法的融合，解 調(diào)算法包含載波設(shè)定模塊，PGC鎖相模塊，PGC橢圓擬合校正模塊，PGC數(shù)字反正切模塊，F(xiàn)PS 數(shù)據(jù)截取模塊，F(xiàn)PS橢圓擬合校正模塊，F(xiàn)PS數(shù)字反正切模塊，數(shù)據(jù)融合模塊組成：
[0007] (1)系統(tǒng)首先運行載波設(shè)定模塊，其中載波輸出子模塊產(chǎn)生頻率為20kHz~2MHz 的正弦信號給光源調(diào)制器，調(diào)制幅度根據(jù)光源狀態(tài)設(shè)置為/2rad到π rad之間并維持干 涉條紋穩(wěn)定即可，調(diào)制后的光注入到干涉儀中；干涉儀后端的放大電路連接至數(shù)據(jù)采集子 模塊，采樣率根據(jù)載波信號頻率設(shè)定為IOOkbps~10Mbps，得到第一路PGC信號，第一路 FPS信號和第二路FPS信號；
[0008] (2) PGC鎖相模塊中，本地產(chǎn)生的基頻信號與倍頻信號以及第一路PGC信號分別同 時經(jīng)過第一鎖相子模塊、第二鎖相子模塊，消除干涉信號中的載波成分，提取被測量信號的 正弦分量，余弦分量，補償光纖，電路以及光源產(chǎn)生的非線性相移，附加相位差，根據(jù)系統(tǒng)狀 態(tài)與載波頻率選取鎖相點數(shù)為每周期100~100000個點；
[0009] (3)PGC橢圓擬合校正模塊用于校正PGC鎖相模塊輸出的正弦分量，余弦分量，校 正參數(shù)更新與否取決于低通濾波器的輸出結(jié)果，即被測信號的時域幅度；
[0010] (4) PGC橢圓擬合校正模塊輸出結(jié)果經(jīng)過PGC數(shù)字反正切模塊得到PGC解調(diào)結(jié)果， 數(shù)字反正切精度根據(jù)實際情況在2 π周期內(nèi)選取4096~12864個點，PGC解調(diào)結(jié)果送入PGC 數(shù)據(jù)緩存中；
[0011] (5) FPS數(shù)據(jù)截取模塊用于將第一路FPS信號與第二路FPS信號分段，根據(jù)系統(tǒng)狀 態(tài)不同，選取包含1~10個載波周期的時域信號作為一個數(shù)據(jù)包，送入FPS橢圓擬合校正 模塊消除伴生調(diào)幅；
[0012] (6) FPS橢圓擬合校正模塊將數(shù)據(jù)包形式的第一路FPS信號與第二路FPS信號校正 為標(biāo)準(zhǔn)正交信號；
[0013] (7) FPS橢圓擬合校正模塊輸出至FPS數(shù)字反正切模塊，求解出被測信號并輸出至 FPS數(shù)據(jù)緩存中，信號包含兩個成分，調(diào)制光源信號與利用壓電陶瓷驅(qū)動器及壓電陶瓷環(huán)加 載的標(biāo)定信號；
[0014] (8)數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)被測相位的幅度和頻率乘積大小選取PGC解調(diào)輸出或FPS 解調(diào)輸出作為解調(diào)結(jié)果；
[0015] 所述的PGC橢圓擬合校正模塊，修正非線性相移，PGC橢圓擬合校正算法需要滿足 信號相位變化大于JT rad，PGC橢圓擬合校正算法判定條件由FPS數(shù)字反正切模塊提供，若 低通濾波器輸出結(jié)果相位變化大于rad時，啟動PGC橢圓擬合校正模塊，使用正弦分量， 余弦分量構(gòu)造 PGC橢圓矩陣，并通過PGC橢圓矩陣求解PGC橢圓參數(shù)，該參數(shù)用于PGC數(shù)據(jù) 校正；若低通濾波器輸出結(jié)果相位變化小于rad則不進行橢圓參數(shù)更新，利用之前參數(shù) 進行PGC數(shù)據(jù)校正；
[0016] 所述的FPS數(shù)據(jù)截取模塊，選取時域信號進行處理，保證數(shù)據(jù)段內(nèi)包含31 rad的相 位變化，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)選取1~10個調(diào)制波周期信號；
[0017] 所述的FPS橢圓擬合校正模塊輸入信號相位變化大于31 rad，根據(jù)載波輸出子模 塊調(diào)制幅度為π /2rad到JT rad，使用FPS數(shù)據(jù)截取模塊的輸出結(jié)果構(gòu)造 FPS橢圓矩陣，利 用矩陣求解FPS橢圓參數(shù)，使用FPS橢圓參數(shù)進行FPS數(shù)據(jù)校正；
[0018] 所述的數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)被測相位的幅度和頻率乘積大小選取PGC算法與FPS算 法最優(yōu)輸出結(jié)果作為系統(tǒng)的最終結(jié)果，F(xiàn)PS數(shù)字反正切模塊輸出結(jié)果經(jīng)過低通濾波器分離 光源調(diào)制載波信號與標(biāo)定信號，其中低通濾波器參數(shù)根據(jù)載波信號參數(shù)選擇，包括濾波器 的通帶頻率為IOkHz~IMHz之間，衰減速度至少為60dB~120dB，F(xiàn)PS解調(diào)結(jié)果放入FPS 數(shù)據(jù)緩存中；PGC數(shù)字反正切模塊結(jié)果放入PGC數(shù)據(jù)緩存中，結(jié)果判定子模塊讀取這兩個緩 存數(shù)據(jù)；
[0019] 所述輸出結(jié)果判定子模塊，由數(shù)據(jù)讀取模塊，頻譜計算模塊，輸出選擇模塊組成：
[0020] 數(shù)據(jù)讀取模塊中進行讀取PGC緩存，讀取FPS緩存操作，得到PGC數(shù)據(jù)與FPS數(shù) 據(jù)；
[0021 ] PGC數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換子模塊得到PGC頻率數(shù)據(jù)，PGC幅度數(shù)據(jù)與PGC頻率數(shù)據(jù) 同時輸入乘法器；
[0022] 輸出選擇模塊根據(jù)PGC幅度數(shù)據(jù)與PGC頻率數(shù)據(jù)乘積大小，載波信號頻率做出判 斷，系統(tǒng)載波為IOMHz，乘積值小于IradOlOMHz時，使用PGC數(shù)據(jù)作為解調(diào)結(jié)果，乘積值大于 IradOlOMHz時，使用FPS數(shù)據(jù)作為解調(diào)結(jié)果。
[0023] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0024] 本發(fā)明公開一種具有伴生調(diào)幅抑制的大動態(tài)范圍干涉相位解調(diào)方法，將基于3X3 耦合器的固定相移法與PGC算法相結(jié)合，使用PGC算法解調(diào)低頻小信號，使用FPS算法輸出 高頻大信號，這樣可以在保持原有的采樣率的情況下提高系統(tǒng)的相位分辨率，增大動態(tài)范 圍；因為整個過程容易受到因調(diào)制光源產(chǎn)生的伴生調(diào)幅效應(yīng)影響，所以里面加入橢圓擬合 校正算法用于抑制因伴生調(diào)幅以及3X3耦合器不理想產(chǎn)生的相位，光強不對稱導(dǎo)致的解 調(diào)結(jié)果諧波增加問題。最終實現(xiàn)保持采樣率不變的情況下，增加相位分辨率與動態(tài)范圍， 消除伴生調(diào)幅影響。
【附圖說明】
[0025] 圖1是一種具有伴生調(diào)幅抑制的大動態(tài)范圍干涉相位解調(diào)方法流程圖；
[0026] 圖2是干涉儀調(diào)制解調(diào)探測光路裝置圖；
[0027] 圖3是橢圓擬合校正算法消除伴生調(diào)幅效應(yīng)繪制李薩茹圖形；
[0028] 圖4是PGC與FPS算法結(jié)合拓展動態(tài)范圍；
[0029] 圖5是橢圓擬合校正算法對最終解調(diào)結(jié)果的諧波失真抑制效果；
[0030] 圖