CN101713685B - 一种无源零差正交解调技术的相位补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种无源零差正交解调的相位补偿方法。该方法先将这两路干涉信号通过去除直流信号、归一化处理后，再相乘、低通滤波得到直流信号，对获得的直流信号进行反正弦函数运算，从而获得两路干涉信号偏离正交的角度；利用此偏离角度得到两路正交的干涉信号，再利用正交信号的相位解调技术，就可以解调出调制信号。本发明直接对两路原始的干涉信号进行处理和计算，能够有效地避免两路干涉信号由于偏离正交所造成的调制信号的失真。

Description

一种无源零差正交解调技术的相位补偿方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种无源零差正交解调技术的相位补偿方法。

背景技术

干涉型光纤传感器按照是否需要主动控制可以分为有源型和无源型。无源型光纤干涉仪由于不需要主动控制，可以达到的测量频率很高，测量频率只受电子线路工作频率的限制，因此广泛应用到动态信号(如振动、声)的测量中。

无源零差正交解调技术广泛应用于干涉型光纤传感器的相位调制恢复过程，在测量动态信号时具有测量频率高，相位分辨率高，测量范围大等特点。该技术的关键所在是获得两路正交的干涉信号。这两路干涉信号可以是两个不同光程的干涉仪产生的干涉信号，如：[K.A.Murphy，M.F.Gunther，A.M.Vengsarkar，and R.O.Claus，“Quadrature phase-shifted，extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors”，Optics Letters，1991，16(4)，273-275]；还可以是两束不同波长的光通过同一光纤干涉仪的干涉信号，如：[O.B.Wright，“Stabilizeddual-wavelength fiber-optic interferometer for vibration measurement”，Optics Letter，1991，16，56-58]；也可以利用基于3×3耦合器的干涉仪产生的三路干涉信号(如g₁，g₂和g₃)得到两路正交的干涉信号，如用g₂-g₃和g₂+g₃，如：[S.K.Sheem，“Optical fiber interferometers with3×3 directional coupler：Analysis”，Journal of Appllied Physics.，1981，52(6)，3865-3872]或者g₂-g₃和2g₁-g₂-g₃[R.G.Priest，“Analysis of fiberinterferometer utilizing 3×3 fiber coupler”，IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques，1982，30(10)，1589-1591]。这些方法都可以得到两路正交的干涉信号。在获得两路正交信号后，再利用反正切算法或交叉相乘法，就可以解调出干涉信号中的相位调制。

在无源零差正交解调技术中，要正确地解调出调制信号，就必须要求两路干涉信号完全正交。但是，在实际应用中，由于加工工艺所限，以及工作环境的影响，两路干涉信号常常并不完全正交，而是偏离正交状态一定的相位角，这样会引起测量误差，并造成解调出的信号失真。已经有其它研究人员对两路干涉信号的相位差偏离90°对正交解调产生的影响做了研究，例如Y.L.Lo等人通过测量两路干涉信号的李萨如图形与坐标轴的交点位置，来测量两路干涉信号的相位差偏离90°的相位误差，并进一步对其进行补偿[Y.L.Lo，J.S.Sirkis，andC.C.Chang，“Passive signal processing of in-line fiber etalon sensor forhigh strain-rate loading”，IEEE Journal of Lightwave Technology，15(8)，1578-1586]。但是这种方法需要人工操作，且易受李萨如图形线宽影响，准确性不高，难以在实际中应用。本发明直接对原始的两路干涉信号进行处理和计算，获得的两路干涉信号偏离90°的相位差，再产生一路补偿掉该相位差的新的干涉信号，与其中一路原始信号形成两路完全正交的两路干涉信号，最终能正确地解调出调制信号。该方法简单易行，便于应用，测量精度高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提出一种无源零差正交解调技术的相位补偿方法，应用于干涉型光纤传感器系统中；该方法对两路原始的干涉信号的正交性要求降低，抗干扰能力强，测量精度高。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种无源零差正交解调技术的相位补偿方法，具体实现步骤如下：

(1)定义两路不完全正交的干涉信号I₁和I₂为I₁＝B₁+C₁cos(α+Δφ)和I₂＝B₂+C₂sinα，其中B₁和B₂分别是两路干涉信号的背景光，C₁和C₂分别是两路干涉信号的对比度，Δφ为两路干涉信号偏离正交的相位差，α为需要测量的调制信号。

(2)将上述两路信号分别经过信号的直流滤除来去除直流分量B₁和B₂，然后对信号的振幅进行归一化处理之后，两路干涉信号表示为I₁′＝cos(α+Δφ)和I₂′＝sinα。

(3)将步骤(2)得到的不完全正交的这两路干涉信号相乘可得

${I_1}^{\′}\×{I_2}^{\′}=\frac{1}{2}\sin (2\mathrm{\α}+\mathrm{\Δ\φ})-\frac{1}{2}\sin \mathrm{\Δ\φ},$

上式中等号右边第一项正弦信号的频率是干涉信号的频率的两倍，是交流信号，第二项中Δφ为常量，所以第二项为直流分量；滤出I₁′×I₂′中的直流分量得到

的值，再对该直流分量乘以-2计算反正弦函数得到Δφ的值；而与I₂′相正交的新生成的干涉信号可以表示为

I₁ ^new＝cosα＝[cos(α+Δφ)+sinαsinΔφ]/cosΔφ，

化简后为

I₁ ^new＝[I₁′+I₂′sinΔφ]/cosΔφ。

最后得到新生成的两路正交的干涉信号是I₁ ^new和I₂’。再利用已有的正交信号解调方法(如反正切法，或交叉相乘法等)就可以解调出更加准确地调制信号α。

有益效果

本发明所公开的方法经过实验的验证，简单实用，既不需改变硬件设置又无需人工干预，提高了测量精度，效果显著。

附图说明

图1为未校正前信号数据

其中，a-实际测量获得的原始两路不正交干涉信号、b-为这两路干涉信号的李萨如图、c-为应用不正交的原始的两路干涉信号直接解调出的波形图；

图2为应用本方法所得出的两路干涉信号偏移角度连续测量图；

图3为应用本方法校正干涉信号后所得到的信号数据；

其中，a-应用本方法校正后的新生成的两路正交的干涉信号，b-为新生成的两路正交的干涉信号的李萨如图，c-为新生成的两路正交的干涉信号解调出的波形图；

图4应用本方法前后解调出的信号峰峰值随相位差偏移的关系

其中，a-原始的两路干涉信号解调出的信号的峰峰值随相位差偏移的关系，b-应用本方法后解调出的信号峰峰值随相位差偏移的关系。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做详细说明。

将输入的两路不完全正交的干涉信号I₁和I₂表示为

I₁＝B₁+C₁cos(α+Δφ)                            (1)

I₂＝B₂+C₂sinα                                   (2)

其中B₁和B₂分别是两路干涉信号的背景光，C₁和C₂分别是两路干涉信号的对比度，Δφ为两路干涉信号偏离正交的相位差，α为需要测量的调制信号。经过去直流和归一化处理后，原始的干涉信号表示为

I₁′＝cos(α+Δφ)                               (3)

I₂′＝sinα                                      (4)

将这两路干涉信号相乘，利用积化和差公式可得

${I_1}^{\′}\×{I_2}^{\′}=\frac{1}{2}\sin (2\mathrm{\α}+\mathrm{\Δ\φ})-\frac{1}{2}\sin \mathrm{\Δ\φ}$

式(5)中等号右边第一项正弦信号的频率是干涉信号频率的两倍，是交流信号，第二项中Δφ为常量，所以第二项为直流分量，滤出直流分量就可以得到

的值，再将该直流分量乘以-2，计算反正弦函数就可以得到Δφ的值；而与I₂相正交的新生成的的干涉信号I₁ ^new即：

I₁ ^new＝cosα                                     (6)

由三角函数关系cos(α+Δφ)＝cosαcosΔφ-sinαsinΔφ有

I₁ ^new＝cosα＝[cos(α+Δφ)+sinαsinΔφ]/cosΔφ  (7)

化简得

I₁ ^new＝[I₁′+I₂′sinΔφ]/cosΔφ                  (8)

得到新生成的两路正交的干涉信号I₁ ^new和I₂’。再利用已有的正交信号解调方法就可以解调出调制信号α。

下面是该方法的实用例子：

图1(a)中为实际测量获得的原始两路不正交干涉信号；图1((b)为这两路干涉信号的李萨如图，从李萨如图中可以很明显地看出原始的两路干涉信号并不正交，并且相位差偏离90°较大；图1(c)为应用不正交的原始的两路干涉信号直接解调出的波形，解调出的信号已经失真。可见原始的两路干涉信号是否正交对解调所得到信号的质量影响很大。

接下来用本发明的方法处理原始的干涉信号。首先应用本发明的方法来测量两路干涉信号偏离90°的相位差，图2是连续测量的结果，从图中可以看出偏离正交的相位差约为52°。利用得到的这个相位差将原始的两路不正交的干涉信号转换为新的两路正交的干涉信号，如图3(a)所示。图3(b)为新产生的两路正交的干涉信号的李萨如图，可以看出，这是一个正圆，表明这两路新生成的干涉信号的相位差为90°。用新生成的两路正交的干涉信号进行正交解调，得到的解调后的信号为图3(c)，与原来的解调结果图1(c)相比较，可以看出，应用本发明来解调出的信号没有失真。

另外，利用计算机模拟了当调制信号的峰峰值为8弧度时，两路干涉信号偏离正交的角度对解调出来的信号的影响。图4(a)是应用原始的两路干涉信号解调后的峰峰值随相位差偏移的关系，随着两路干涉信号偏离正交角度的增大，解调出来信号的峰峰值与输入信号峰峰值的差距也在增大。用本发明所述方法处理后，虽然两路干涉信号偏离正交的角度在改变，但解调信号的峰峰值仍然稳定在8弧度周围，最大误差为0.006弧度，误差极小，如图4(b)所示。

本发明所公开的方法经过实验的验证，简单实用，既不需改变硬件设置又无需人工干预，提高了测量精度，效果显著。

Claims (1)

1.一种无源零差正交解调技术的相位补偿方法，其特征在于具体实现步骤如下：

步骤(1)定义两路不完全正交的干涉信号I₁和I₂为I₁＝B₁+C₁cos(α+Δφ)和I₂＝B₂+C₂sinα，其中B₁和B₂分别是两路干涉信号的背景光，C₁和C₂分别是两路干涉信号的对比度，Δφ为两路干涉信号偏离正交的相位差，α为需要测量的调制信号；

步骤(2)将上述两路信号分别经过信号的直流滤除来去除直流分量B₁和B₂，然后对信号的振幅进行归一化处理之后，两路干涉信号表示为I₁′＝cos(α+Δφ)和I₂′＝sinα；

步骤(3)将步骤(2)得到的不完全正交的这两路干涉信号相乘可得

${I_1}^{\′}={I_2}^{\′}=\frac{1}{2}\sin (2\mathrm{\α}+\mathrm{\Δ\φ})-\frac{1}{2}\sin \mathrm{\Δ\φ},$

上式中等号右边第一项正弦信号的频率是干涉信号的频率的两倍，是交流信号，第二项中Δφ为常量，所以第二项为直流分量；滤出I₁′×I₂′中的直流分量得到

的值，再对该直流分量乘以-2计算反正弦函数得到Δφ的值；而与I₂′相正交的新生成的干涉信号表示为I₁ ^new＝cosα＝[cos(α+Δφ)+sinαsinΔφ]/cosΔφ，化简后为I₁ ^new＝[I₁′+I₂′sinΔφ]/cosΔφ；最后得到新生成的两路正交的干涉信号是I₁ ^new和I₂′；再利用已有的正交信号解调方法，就可以解调出更加准确的调制信号α。

Images