[发明专利]一种自微分相除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，具体涉及到一种自微分相除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、自微分相除模块、正切解算模块和反正切模块，最终输出相位解调信号。通过自微分相除模块将含有交流强度B值和调制深度C值的信号消除，使输出项只含有相位信号正切值，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，提高了信号解调系统的长期稳定性。

技术领域

本发明属于光纤干涉仪相位解调算法领域，具体涉及到一种自微分相除的相位生成载波(PGC)解调方法。

背景技术

光纤水听器、光纤地震计、光纤应变仪等干涉型光纤传感器具有体积小、灵敏度高、线性度高、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、石油勘探、保密监听等领域。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。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，实现信号的稳定检测是干涉型光纤传感器应用的核心技术之一。对于光路中的相位变化解调算法主要有源零差检测、锁相检测、3×3耦合器多相检测和相位生成载波(PGC)解调检测等。PGC解调检测技术通过将传感信号调制在高频载波上，利用奇次载波和偶次载波的边带信号不会同时衰减至零的特点实现传感信号的稳定检测，具有低频响应好、噪声低等优点。

传统PGC解调技术解调结果的准确性和稳定性受光强扰动影响、对调制深度的取值依赖严重。PGC-DCM解调技术采用差分和交叉相乘，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。清华大学使用载波的三倍频代替基频，避免直流项的产生，但仍受调制深度的影响，并且采样频率较高，张敏等人在基于PGC原理的独立光纤水听器(CN 201110191719.4)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(CN 200910100600.4)；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Michael Amaral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。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(PGCDemodulation Technique With High 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(CN 201710941759.3)。但是以上算法不可避免地增加了系统结构难度与复杂度，使信号处理的时间变长,降低了系统实时性，在大信号解调过程中容易导致系统产生较大的谐波失真。

对于解调系统而言，在不增加成本的情况下，消除调制深度和光强扰动影响同时抑制谐波失真、减少信号畸变，具有非常重要的意义和实用价值。本发明提供了一种自微分相除的PGC解调方法，通过正弦分量与余弦分量的自微分相除，消除光强扰动和调制深度的影响，经过正切解算模块中的乘法运算得到只含有相位信号正切值平方项的信号，进而得到待解算相位。本发明消除光强和调制深度对信号的影响，提高系统解调的准确性和稳定性，谐波抑制效果好，减少信号幅值检测的误差，可广泛应用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种自微分相除的相位生成载波(PGC)解调方法。

本发明的目的是这样实现的：