[发明专利]一种消除扰动的相位生成载波解调方法

说明书

本发明属于光纤干涉仪相位解调算法领域，具体涉及到一种消除扰动的相位生成载波解调方法。该方法将信号调制模块采集到的干涉信号依次通过混频滤波模块、干扰消除模块、微分解算模块和积分模块最终输出相位解调信号。本发明通过增加干扰消除模块，将含有交流强度B和调制深度C的信号消除，使输出项只含有相位信号的微分值，消除光强扰动对输出信号的影响，避免由光源不稳定等因素造成解调结果的不确定，有效地提高解调系统长期稳定性。

技术领域

本发明属于光纤干涉仪相位解调算法领域，具体涉及到一种消除扰动的相位生成载波(PGC)解调方法。

背景技术

光纤传感器具有灵敏度高，线性度高，体积尺寸小，抗电磁干扰，动态范围大等特点，广泛应用于光纤水声探测、地震波检测等领域。干涉型光纤传感器是利用光路中的相位变化来测量物理量，包括震动，应力，位移，速度等，典型应用有光纤水听器，光纤地震计，光纤应变仪等。干涉仪的随机相位衰落会导致输出信号信噪比的随机涨落，对于光路中的相位变化需要通过特定的算法求解，相位解调算法主要有以下几种：有源检测，无源检测，外差检测，零差检测。其中相位生成载波算法是比较经典的解调方法。

PGC解调算法具有噪声低，对低频信号响应好等优点。传统的PGC-DCM解调技术采用了差分和交叉相乘，与光强相关，光强变化快时稳定性差，而PGC-Arctan解调技术将两路信号进行相除和反正切实现解调，对调制深度的取值依赖严重，在调制深度偏离2.63rad时存在严重的谐波失真。清华大学张敏等人在基于PGC原理的独立光纤水听器(CN201110191719.4)与复用水听器阵列(CN 201210143601.9)的噪声抑制方面作了深入的研究；中船重工715研究所提出了如何进行大规模水听器阵列解调的方法(CN200910100600.4)；美国Northrop Grumman公司DavidB.Hall对阵列解调也有相关专利发表(US 7038784B2)；美国海军实验室MichaelAmaral等人对水听器校正系统如何抑制直流漂移作出分析(US 6594198B2)。但是都没有对如何降低光强扰动和调制深度漂移对PGC算法的影响与谐波抑制做出详细说明。解调结果的准确性和稳定性由于光强扰动和调制深度的漂移下降。清华大学用载波的三倍频代替基频，避免直流项的产生，仍受调制深度的影响，并且采样频率较高；中国科学院半导体研究所提出反正切微分自交叉相乘算法，消除调制深度与光强的影响，在一定程度上降低了总谐波失真，但是算法中除法运算较多，在实际解调中被除数为零时，会引起数值畸变，产生解调误差(PGC DemodulationTechnique WithHigh Stability and Low Harmonic Distortion)；哈尔滨工程大学杨军等人将PGC算法与3×3耦合器的固定相移法相结合(CN 201510293444.3)，采用椭圆拟合对参数进行校正；中船重工715研究所高晓文等人发明了对低通滤波后信号进行归一化的解调方法(CN201710941759.3)。但是以上算法增加了系统结构复杂程度，使信号处理的时间变长,降低了系统实时性，并且归一化解调方法在积分等计算中限制了带宽，降低了系统的解调范围，在大信号解调过程中容易出现谐波失真。

对于解调系统而言，如何在尽量不增加开销的基础上，消除调制深度和光强扰动影响同时抑制谐波失真，具有非常重要的意义和实用价值。本发明提供了一种消除扰动的PGC解调方法，在传统PGC解调方案的基础上，引入干扰消除模块，将混频滤波后的两路信号经过微分交叉相除操作和乘法运算后，达到消除光强扰动和调制深度影响的目的，得到只含有相位信号微分值平方项的信号，进而得到待解算相位。本发明不仅可以降低解调信号对外加载波调制深度的依赖，还可以消除光强扰动对输出的影响，提高了信号幅值检测的准确度与解调系统的稳定性，可广泛应用于高精度光纤测量和传感系统中。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种消除扰动的相位生成载波(PGC)解调方法。

本发明的目的是这样实现的：