CN105067017A - 一种改进的生成载波相位pgc解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学干涉仪测量领域，具体涉及到一种干涉仪的改进的生成载波相位PGC解调方法。本发明包括信号调制模块，采集预处理模块，PGC解算与失真分析模块，FPS解算模块，PGC与FPS算法融合模块，光纤干涉测量系统的工作步骤为：启动信号调制模块，信号调制模块中的开始采集子模块用于采集放大电路的输出结果；调制输出子模块输出的正弦波用于调制光源，经过调制后的光注入到干涉仪中。本发明在保持系统采样率不变的情况下拓展解调的动态范围，并同时使用FPS算法对PGC载波信号的调制幅度、频率与初始相位进行监测，有效增加了系统动态范围，提高了系统长期稳定性，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。

Description

一种改进的生成载波相位PGC解调方法

技术领域

本发明属于光学干涉仪测量领域，具体涉及到一种干涉仪的改进的生成载波相位PGC解调方法。

背景技术

光纤传感器被广泛应用于各个领域因为他的灵敏度高，线性度高，体积尺寸小，抗电磁干扰，动态范围大等特点。光纤传感器的基本结构是利用干涉仪内部参数的变化来测量其他物理量，其中精度比较高是相位型干涉仪。最典型的应用是光纤水听器与光纤地震计。上世纪70年代美国海军实验室开始致力于光纤水听器的研究，其中1982年提出的相位生成载波(PGC)算法与基于3×3耦合器的固定相移法(FPS)都是比较经典的水听器解调方法。随着光纤制备技术提高与光器件生产技术的发展，这两种算法目前也在民用领域内推行，主要依托产品为光纤地震计，光纤地震计相比于传统地震计在测量灵敏度与动态范围上都有明显优势，尤其对于高频大幅度信号，如动态范围在180dB1kHz左右的核爆信号。

传统的PGC解调算法需要进行混频、滤波等操作，还需要使用微分、积分等运算，在许多步骤上对信号的带宽做出了限制，这就保证了其优越的噪声抑制特性，清华大学张敏等人基于PGC原理的光纤水听器在降噪方面对此作了深入的研究，包括独立水听器(CN201110191719.4)与复用水听器阵列(CN201210143601.9)的噪声抑制。另一个研究比较深入的方向是水听器列阵，中船重工715研究所谢勇等人发明了如何进行大规模阵列解调的方法(CN200910100600.4)，美国NorthropGrumman公司DavidB.Hall等人对阵列解调也有相关专利发表(US7038784B2)。上述算法由于在计算中限制了带宽，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。中国科学院研究生院的倪明博士学位论文中也讨论过PGC动态范围的问题，结论是增加系统的动态范围必须要增加调制频率和数据采样率，这样做无疑会极大增加硬件复杂程度和传感器成本(需要高频光学调制器)。对于单个传感单元而言，如何能在尽量不增加硬件开销的基础上实现动态范围拓展，具有非常重要的实用意义和价值。PGC解调算法的稳定性在使用过程中也是性能劣化的一个重要影响因素，因为整个传感器系统包括光源，光路，换能器等部件，这些部件随着温度或应力释放的变化会导致传感器的状态发生变化，如载波信号的频率与幅度，如果这个问题不被及时校正就会导致系统的谐波失真或者直流漂移。基于3×3耦合器的固定相移法(FPS)其优点在于解调动态范围大，但缺点是其没有对测量带宽进行必要的限制，导致更多的白噪声直接进入解调结果，此外耦合器光学性能的畸变也会对解调产生较大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的生成载波相位PGC解调方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种改进的生成载波相位PGC解调方法，包括信号调制模块，采集预处理模块，PGC解算与失真分析模块，FPS解算模块，PGC与FPS算法融合模块，光纤干涉测量系统的工作步骤如下：

(1.1)首先启动信号调制模块，信号调制模块中的开始采集子模块用于采集放大电路的输出结果；调制输出子模块输出的正弦波用于调制光源，经过调制后的光注入到干涉仪中，其中调制频率为2kHz～50MHz，调制幅度在1～6rad范围内保证干涉条纹稳定；

(1.2)运行采集预处理模块，采样率根据调制频率选择在2Mbps～100Mbps，光电探测模块接收到光信号同时完成光电转换，输出第一路干涉信号、第二路干涉信号和第三路干涉信号；这三路信号输入到放大电路中，经过开始采集子模块，输出第一路采集数据、第二路采集数据和第三路采集数据；

(1.3)采集预处理模块的输出结果，同时送入PGC解算与失真分析模块和FPS解算模块中，并完成PGC解算与FPS解算；

(1.4)FPS解算模块使用增益调节子模块的输出结果完成解算，FPS解算模块输出FPS解调结果与校正参数；

(1.5)PGC解算与失真分析模块使用第一路采集数据与校正参数完成PGC解算，输出解算结果；

(1.6)PGC与FPS算法融合模块根据失真分析子模块的输出结果，选择PGC解调结果或者FPS解调结果作为解调结果；

所述的PGC解算与失真分析模块，包括基本PGC模块，谐波失真值分析模块，结果输出模块，PGC解算的过程包括：

(1.2.1)采集预处理模块中的第一路采集数据形式为PGC干涉信号，分别与基频信号倍频信号同时送入第一乘法器、第二乘法器，第一乘法器、第二乘法器的输出结果送入第一低通滤波器、第二低通滤波器，截止频率根据载波信号频率选择在1kHz～25MHz之间，衰减速度至少为-80dB至-120dB；

(1.2.2)基频信号滤波结果送入谐波失真值分析模块，第一低通滤波器输出结果送入傅里叶变换子模块，傅里叶变换子模块输出结果为一组频域数据，对这组数据进行两次积分，第一积分区间为(0，ω₀/2-Δω)，输出有效信号频率成分，第二积分区间为(Δω,ω₀/2)，输出失真信号频率成分，其中近似区间Δω大小根据调制频率ω₀范围在1Hz～1kHz之间，两个积分值经过第一除法器作相除运算后得到PGC谐波失真值；

(1.2.3)第一低通滤波器、第二低通滤波器输出结果经过第二除法器，得到未修正PGC正切值；

所述的FPS解算模块，利用三路固定相移信号完成FPS解算，具体过程为：

(1.3.1)基本FPS子模块利用增益调节子模块输出的三路固定相移信号进行解调，得到的解调结果包含载波信号与被测信号；

(1.3.2)基本FPS子模块输出结果经过FPS高通滤波器得到载波信号，载波信号通过峰值探测子模块得到载波信号的幅度值，再通过状态求解子模块输出调制幅度；

(1.3.3)未修正PGC正切值与状态求解子模块的输出结果同时送入状态修正子模块，得到修正后的反正切值，该值送入反正切子模块；

所述的PGC与FPS算法融合模块，根据PGC谐波失真值大小进行算法融合，具体过程为：

(1.4.1)基本FPS子模块输出结果经过FPS低通滤波器，其截止频率根据载波信号频率选择在1kHz～25MHz之间，衰减至少速度为-80dB至-120dB，得到FPS解调结果并送入输出判定子模块；

(1.4.2)状态修正子模块输出结果经过反正切子模块得到修正后的PGC解调结果并送入输出判定子模块；

(1.4.3)谐波失真值分析模块输出PGC谐波失真值即失真频率部分所占的比重大小，该值由被测信号幅度，频率决定，若PGC谐波失真值在1％以下，系统选择PGC输出作为解调结果；若PGC谐波失真值在1％～10％之间，系统既可以选择PGC输出也可以选择FPS输出作为解调结果；若PGC谐波失真值大于10％，系统选择FPS输出作为解调结果保证解调最大动态范围。

本发明的有益效果在于：

本发明公开一种具有增大动态范围、增强相位解调稳定性的方法，将传统PGC算法与基于3×3耦合器的固定相移法(FPS)相融合，在保持系统采样率不变的情况下拓展解调的动态范围，并同时使用FPS算法对PGC载波信号的调制幅度、频率与初始相位进行监测，用于修正系统的低频漂移，实现相位解调稳定性的增强。本方法有效增加了系统动态范围，提高了系统长期稳定性，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。

附图说明

图1为一种改进相位解调算法的流程图；

图2为改进相位解调方法实验装置图；

图3为PGC解算及谐波失真分析程序流程图；

图4为FPS辅助算法及补偿程序流程图；

图5为基本FPS程序流程图；

图6为PGC算法对823Hz信号解调结果；

图7为FPS辅助算法对823Hz测试信号以及20kHz载波信号解调结果；

图8为PGC与FPS算法融合后的动态范围拓展结果。

具体实施方式

为清楚地说明本发明改进的增大动态范围保持系统稳定性的相位解调方法，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。本发明提供一种增大动态范围、增强稳定性的光学干涉相位解调方法，信号调制模块、采集预处理模块、相位生成载波(PGC)解算与失真分析模块、固定相移(FPS)解算与状态校正模块、PGC与FPS算法融合模块；采集预处理模块修正干涉仪中3×3耦合器输出光强的不对称，以补偿FPS的算法误差；PGC算法与FPS算法同时对光学干涉仪进行相位解调，并选取谐波频率失真量作为判定条件，实现PGC和FPS解调算法的融合，实现动态范围的扩展；同时，FPS算法对载波信号的调制幅度、频率与初始相位进行监测，用于修正系统的低频漂移，实现相位解调稳定性的增强。本方法有效增加了系统动态范围，提高了系统长期稳定性，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。

1.系统软件启动，信号调制模块10运行，调制信号与被测信号分别被加载至光源221与压电陶瓷环233上。光源221输出调制后的光经过隔离器222与环形器223注入到干涉仪23中。光经过3×3耦合器231分成两束，分别经过光纤环232与压电陶瓷环233，之后经过第一法拉第旋镜234与第二法拉第旋镜235反射在耦合器内发生干涉。此时干涉信号通过3×3耦合器231三个端口输出，其中一个注光端口经过环形器223输出，在光电探测模块20处转换为第一路干涉信号204第二路干涉信号205第三路干涉信号206。这三路信号经过放大电路211后，输入到开始采集子模块102中，整个过程同步进行。

2一种改进的生成载波相位PGC解调方法，由信号调制模块10，采集预处理模块11，PGC解算与失真分析模块13，FPS解算模块14，PGC与FPS算法融合模块15组成。其工作步骤如下：

1)系统首先启动信号调制模块10，该模块中的开始采集子模块102用于采集放大电路211输出的干涉信号；调制输出子模块103输出的正弦波用于调制光源221，经过调制后的光注入到干涉仪23中，其中调制频率为2kHz～50MHz，调制幅度在1～6rad范围内保证干涉条纹稳定即可。

2)系统第二步运行采集预处理模块11采样率根据调制频率选择在2Mbps～100Mbps，光电探测模块20接收到光信号同时完成光电转换，输出第一路干涉信号204、第二路干涉信号205和第三路干涉信号206；这三路信号输入到放大电路211中，经过开始采集子模块102，输出第一路采集数据111、第二路采集数据112和第三路采集数据113。

3)采集预处理模块11的输出同时送入PGC解算与失真分析模块13与FPS解算模块14并同时完成PGC解算与FPS解算。

4)FPS解算模块14使用增益调节子模块114的输出完成解算，该模块输出FPS解调结果143与校正参数142。

5)PGC解算与失真分析模块13使用第一路采集数据111与校正参数142完成PGC解算，输出解算结果。

6)PGC与FPS算法融合模块15根据失真分析子模块132的输出结果，选择PGC解调结果或者FPS解调结果作为解调结果152。

3.所述的PGC解算与失真分析模块13，包括基本PGC模块31，谐波失真值分析模块32，结果输出模块33。具体过程为：

1)采集预处理模块11中的第一路采集数据111形式为PGC干涉信号，分别与基频信号312倍频信号315同时送入第一、第二乘法器313、314，第一、第二乘法器313、314的输出结果送入第一、第二低通滤波器316、317，其截止频率根据载波信号频率选择在1kHz～25MHz之间，衰减速度为-80dB至-120dB或更高。

2)基频信号滤波结果送入谐波失真值分析模块32，第一低通滤波器316输出结果送入傅里叶变换子模块321，其输出结果为一组频域数据。对这组数据进行两次积分，第一积分区间322为0，ω₀/2-Δω得到有效信号频率成分，第二积分区间323为Δω,ω₀/2得到失真信号频率成分，其中近似区间Δω大小根据系统调制频率ω₀选取一定范围在1Hz～1kHz之间。两个积分值经过第一除法器324作相除运算后得到PGC谐波失真值325。

3)第一、第二低通滤波器316、317输出结果经过第二除法器331，得到未修正PGC正切值332。

4.所述的FPS解算模块14，利用三路固定相移信号完成FPS解算，具体过程为：

1)基本FPS子模块411利用增益调节子模块114输出的三路固定相移信号进行解调，得到解调结果包含载波信号与被测信号。

2)基本FPS子模块411输出结果经过FPS高通滤波器421得到载波信号，载波信号通过峰值探测子模块422得到载波信号的幅度值，再通过状态求解子模块423输出调制幅度。

3)未修正PGC正切值332与状态求解子模块423的输出结果同时送入状态修正子模块433，得到修正后的反正切值，该值送入反正切子模块434。

5.所述的PGC与FPS算法融合模块15，根据PGC谐波失真值大小进行算法融合

1)基本FPS子模块411输出结果经过FPS低通滤波器431其截止频率根据载波信号频率选择在1kHz～25MHz之间，衰减速度为-80dB至-120dB或更高，得到FPS解调结果并送入输出判定子模块435，该结果内不包含载波信号。

2)状态修正子模块433输出结果经过反正切子模块434得到修正后的PGC解调结果并送入输出判定子模块435。

3)谐波失真值分析模块32输出PGC谐波失真值325即失真频率部分所占的比重大小，该值由被测信号幅度，频率决定。若PGC谐波失真值325在1％以下，系统选择PGC输出作为解调结果；若PGC谐波失真值325在1％～10％之间，系统既可以选择PGC输出也可以选择FPS输出作为解调结果；若PGC谐波失真值325大于10％，系统选择FPS输出作为解调结果保证解调最大动态范围。

本算法用于解决干涉仪的相位解调，干涉仪基本结构如图2所示，主要包括以下几个模块：数字采集21，迈克尔逊干涉仪23，光源模块22，光电探测模块20。

系统工作开始，首先由计算机213通过采集模块212对光源221进行频率调制，同时使用压电陶瓷驱动器214加载测试信号至压电陶瓷环上，调频光信号经过隔离器222以及环形器223注入到迈克尔逊干涉仪23中。一路光信号经过光纤环232，第二法拉第旋镜235反射至3×3耦合231器的一个输入端处。另一路光信号经过缠绕在压电陶瓷环233上的光纤以及第一法拉第旋镜234同样反射至3×3耦合器231的另一个输入端。这两路光信号在3×3耦合器内发生干涉，三路输出信号中的一路经过环形器223输出，此时在光电探测模块20处得到3路具有固定相位差的干涉信号

其中P_i为三路干涉信号的光强值，A_i，B_i分别为三路信号的直流强度与交流强度，C为载波的调制幅度，为被测信号，ω₀为调制频率光电探测器输入至带有AGC放大电路211中调节使三路光强相等，经过采集模块212将数据送入计算机中进行算法解调。

动态范围拓展判据

任取3路输入信号中的一路做PGC算法解调，将输入信号利用贝塞尔函数展开，得到输入信号的频谱成分

其中A为直流光强，B为交流光强，J_k(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量，使用基本PGC程序31，信号经过基频锁相与倍频锁相过程，提取出基频分量与倍频分量，在第一低通滤波器和第二低通滤波器316、317输出处得到2组带有误差的正交信号

这两组正交信号通过未修正正切值输出33得到求解相位值

如果我们设定测试信号形式为其中D为信号幅度大小，ω_s为信号频率，为初相位

此时可以将余弦分量做贝塞尔函数展开，得到该信号的频谱成分为

根据低通滤波器的截止频率可知该信号在解调过程中可保留的频谱成分。此时系统设定低通滤波器截止频率为ω₀/2，则小于ω₀/2范围内的频谱成分将被保留，即实际有效的频谱成分为

失真的频率分量为

其中J_k(D)为贝塞尔函数系数，k贝塞尔函数阶数。

若失真频谱成分能量值J_k(D)过大则会导致解调结果的失真，所以系统有效解调范围D，与参与解调信号频率ω_s以及滤波器截止频率ω₀/2有关。

现在截止频率附近取一小范围信号Δω_s，此时认为该段信号之前频谱成分都被保留而在接近ω₀/2附近处信号都将失真，此处定义谐波失真值计算方法为：

$THD=\left({\∫}_{\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}-\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}^{\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}}d\mathrm{\ω}/{\∫}_0^{\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}-\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}d\mathrm{\ω}\right)\×100\%---\left(7\right)$

其中为ω₀调制频率，Δω积分区间。

该值用于判断此时PGC算法是否可用，如果谐波失真值过大，说明此时被测信号幅度D与频率ω_s超过PGC算法的解调范围，需要切换至FPS解调结果作为系统输出，如果该值在误差允许范围内，则可以使用PGC算法输出。

系统稳定性原理

当三路干涉信号如公式(1)所述输入3×3解算程序142中，会得到解调输出结果为

经过高通滤波器421与低通滤波器431将载波信号与被测信号分离，其中载波信号Ccos2πω₀t送入峰峰值探测程序422得到载波信号的幅度值，通过C值求解程序423输出调制幅度C，该值用于修正公式(3)所示的带有误差的正交信号，即

其中δk_C为修正系数，B，G，H为幅度系数，此时PGC算法由于外界环境变化或系统内部期间不稳定所导致的解调误差及漂移可以被上述C值得解调结果检测，引入的外界误差同时也可以被该测量值修正。

基本FPS算法过程如附图5所示，其中包括：直流项消除50，增益匹配52，交叉相乘51，积分器53几个步骤。

1)第一路干涉信号204，第二路干涉信号205，第三路干涉信号206利用直流项消除50将输入信号转换为只包含交流干涉值的调相波信号。

2)第一路干涉信号204，第二路干涉信号205，第三路干涉信号206输入到增益匹配52模块中，利用平方求均值方法构造匹配多项式D。

3)利用三路信号之间的相位差关系完成交叉相乘51程序，将运算后的信号与匹配多项式D相除得到被测信号的微分值。

4)利用积分器求解最终结果。

实施例1——相位解调系统的动态范围拓展

干涉仪装置如图2所示，干涉仪测量装置的器件选择与参数如下：

1.光源221的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于1～10mW；

2.光纤隔离器222工作波长1550nm±5nm，插入损耗≤1.0dB(23℃工作温度时)，回波损耗≥55dB；

3.环形器223工作波长1550nm&1310nm，插入损耗1.0dB，隔离度28dB，方向性50dB，工作温度0～70℃，回波损耗45dB；

4.第一法拉第旋镜234、第二法拉第旋镜235工作波长1550nm±5nm，插入损耗0.6dB，法拉第旋转角度90°，旋转角误差23℃为±1°，最大光源承受能力1W，工作温度-40至85℃；

5.用于加载标定信号的压电陶瓷尺寸为24mm，电容22nF，耐压幅度0～120V；

6.3×3耦合器231工作波长1550nm，使用3×3耦合器的1端口与3端口输入，1端口输入对应3路输出分光比为34.9％，33.6％，31.5％，3端口输入对应3路输出分光比为31.8％，35.7％，32.5％；

7.第一、第二、第三光电探测器201、202、203为InGaAs型光电探测器，连接模式属于尾纤式FC/PC，工作波长为1100nm～1650nm，光强响应度R＝0.85A/W，电容为0.35pF；

8.放大电路211用于放大转换后的光电压信号，工作带宽为200kHz，工作过程包括使用MSP430单片机采集信号幅度，调节信号增益，保证信号幅度并不会饱和；

9.采集模块212为NI-6366采集卡，采样率为2Mbps，3路同步采集，输入电压幅度±10V，采样时钟为采集卡内部时钟，三路同步误差小于10ns，输入电阻20kΩ；

10.压电陶瓷驱动器214为功率放大器，使用AD公司的AD8040轨对轨功率放大器，工作电压2.7V～12V，工作带宽125MHz，最大输出电流200mA，负载电容15pF；

相位解调系统的动态范围拓展具体流程如附图1所示：

1.系统启动模块10产生载波调制光源，采样率为2Mbps，载波频率为20kHz，压电陶瓷产生标定信号，频率为10Hz，随着调制电压增加，产生光路相位变化10^-5rad～10⁵rad；

2.第一路采集数据111，第二路采集数据112，第三路采集数据113采集信号如公式(1)所示，信号峰峰值为8V；

3.使用基本PGC算法对信号进行解调，采样信号与本地基频信号312倍频信号315相乘进行频率分量提取，设置滤波器模块144为FIR等纹波滤波器，参数为通带10kHz，截阻带12kHz，衰减-120dB，通带纹波为0.01dB，阶数为764阶，数据经过滤波器后得到两路具有一定误差的正交信号。

4.该信号的正弦分量送入谐波失真值分析32过程中，对该组信号做FFT，得到整个信号的频谱分布，对不同频率做积分，依据两个积分相除的结果判断信号的失真度，这里取谐波失真值≤10％为临界条件，即谐波失真值在这个范围以内则可认为PGC算法可以工作。将这两组信号相除得到一个正切值，这个值会在后面利用FPS解调结果修正。

5.三路采集信号输入基本FPS程序41中，如附图5所示，其主要工作是完成直流项消除模块50，交叉相乘模块51，平方作和模块52。基本FPS程序解调结果为被测信号与载波信号Ccos2πω₀t。

6.基本FPS程序41的输出经过FPS低通滤波器421与FPS高通滤波器431分离，其中FPS高通滤波器431输出的信号经过峰值探测422可以解出载波信号的幅度，该幅度即为实际载波的调制幅度，经过C值求解程序423求出实际C值；

7.利用C值求解程序423求解出的实际C值用于修正PGC算法的反正切值，之后通过查表法得出PGC最终解调结果。

8.测试信号大小在2×10^-3rad以下时，谐波失真值在5％以下，选取PGC算法解调结果作为系统输出；测试信号大小在2×10^-3rad至20rad时，谐波失真值在10％左右，此时既可以选取PGC算法解调结果作为系统输出也可以选择FPS解调结果作为系统输出，且两种算法解调结果一致；测试信号大小大于20rad时，谐波失真值高于10％，此时选择FPS解调结果作为系统输出；

9.如图8所示，PGC算法对小信号响应好，最小测试点为5×10^-5rad，最大测试点为20rad，其有效动态范围为150.59dB，3×3算法对大信号具有更好的动态范围，最小测试点为2×10^-3rad，最大测试点为5000rad，其动态范围为168.86dB；信号幅度在10^-2rad～20rad内两种算法解调结果一致，所以我们选取小信号使用PGC算法输出，大信号使用3×3算法输出，此时动态范围可以拓展至181.7dB；

实施例2——PGC算法稳定性监测

干涉仪装置如图2所示，干涉仪测量装置的器件选择与参数如下：

1.光源221的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于1～10mW；

2.光纤隔离器222工作波长1550nm±5nm，插入损耗≤1.0dB(23℃工作温度时)，回波损耗≥55dB；

3.环形器223工作波长1550nm&1310nm，插入损耗1.0dB，隔离度28dB，方向性50dB，工作温度0～70℃，回波损耗45dB；

4.第一法拉第旋镜234、第二法拉第旋镜235工作波长1550nm±5nm，插入损耗0.6dB，法拉第旋转角度90°，旋转角误差23℃为±1°，最大光源承受能力1W，工作温度-40至85℃；

5.用于加载标定信号的压电陶瓷尺寸为24mm，电容22nF，耐压幅度0～120V；

6.3×3耦合器231工作波长1550nm，使用3×3耦合器的1端口与3端口输入，1端口输入对应3路输出分光比为34.9％，33.6％，31.5％，3端口输入对应3路输出分光比为31.8％，35.7％，32.5％；

7.第一、第二、第三光电探测器201、202、203为InGaAs型光电探测器，连接模式属于尾纤式FC/PC，工作波长为1100nm～1650nm，光强响应度R＝0.85A/W，电容为0.35pF；

8.放大电路211用于放大转换后的光电压信号，工作带宽为200kHz，工作过程包括使用MSP430单片机采集信号幅度，调节信号增益，保证信号幅度并不会饱和；

9.采集模块212为NI-6366采集卡，采样率为2Mbps，3路同步采集，输入电压幅度±10V，采样时钟为采集卡内部时钟，三路同步误差小于10ns，输入电阻20kΩ；

10.压电陶瓷驱动器214为功率放大器，使用AD公司的AD8040轨对轨功率放大器，工作电压2.7V～12V，工作带宽125MHz，最大输出电流200mA，负载电容15pF；

PGC算法稳定性监测测试过程具体过程为：

1.压电陶瓷产生标定信号幅度应大于πrad，此时加载8rad大小的相位变化，信号频率为823Hz；

2.光源调制器产生载波信号，设置载波信号幅度为2.8rad，信号频率为20kHz，该信号不随环境变换等因素发生改变。

3.PGC采集信号如公式(1)所示，信号峰峰值为4V，直流偏置为2V左右；

4.使用PGC算法解调标定信号823Hz，得到信号幅度值，如图6所示，同时利用3×3辅助算法解调20kHz载波信号与823Hz标定信号，结果如图7所示，可以看到2个信号频率解调结果。根据3×3算法解调结果，可以得出此时载波信号幅度为2.8rad。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)在不改变原有的硬件结构、不提升硬件性能的情况下，将FPS算法与PGC算法进行数据融合，提高了解调算法的相位分辨率和动态范围，改进后在保持原有分辨率不变的前提下，动态范围提升10dB以上；

2)利用FPS算法解调结果监测PGC算法的载波信号的调制幅度、频率与初始相位进行监测，用于修正系统的低频漂移，实现相位解调稳定性的增强，提高了系统整体稳定性。

3)适用范围广，任意光学干涉仪都可使用该算法进行解调，如马赫泽德或迈克尔逊干涉仪等，即可以使用计算机配合采集卡，也可以采用特制硬件完成算法的实现。

Claims (1)

1.一种改进的生成载波相位PGC解调方法，包括信号调制模块，采集预处理模块，PGC解算与失真分析模块，FPS解算模块，PGC与FPS算法融合模块，其特征在于：光纤干涉测量系统的工作步骤如下：

(1.1)首先启动信号调制模块，信号调制模块中的开始采集子模块用于采集放大电路的输出结果；调制输出子模块输出的正弦波用于调制光源，经过调制后的光注入到干涉仪中，其中调制频率为2kHz～50MHz，调制幅度在1～6rad范围内保证干涉条纹稳定；

(1.2)运行采集预处理模块，采样率根据调制频率选择在2Mbps～100Mbps，光电探测模块接收到光信号同时完成光电转换，输出第一路干涉信号、第二路干涉信号和第三路干涉信号；这三路信号输入到放大电路中，经过开始采集子模块，输出第一路采集数据、第二路采集数据和第三路采集数据；

(1.3)采集预处理模块的输出结果，同时送入PGC解算与失真分析模块和FPS解算模块中，并完成PGC解算与FPS解算；

(1.4)FPS解算模块使用增益调节子模块的输出结果完成解算，FPS解算模块输出FPS解调结果与校正参数；

(1.5)PGC解算与失真分析模块使用第一路采集数据与校正参数完成PGC解算，输出解算结果；

(1.6)PGC与FPS算法融合模块根据失真分析子模块的输出结果，选择PGC解调结果或者FPS解调结果作为解调结果；

所述的PGC解算与失真分析模块，包括基本PGC模块，谐波失真值分析模块，结果输出模块，PGC解算的过程包括：

(1.2.1)采集预处理模块中的第一路采集数据形式为PGC干涉信号，分别与基频信号倍频信号同时送入第一乘法器、第二乘法器，第一乘法器、第二乘法器的输出结果送入第一低通滤波器、第二低通滤波器，截止频率根据载波信号频率选择在1kHz～25MHz之间，衰减速度至少为-80dB至-120dB；

(1.2.2)基频信号滤波结果送入谐波失真值分析模块，第一低通滤波器输出结果送入傅里叶变换子模块，傅里叶变换子模块输出结果为一组频域数据，对这组数据进行两次积分，第一积分区间为(0，ω₀/2-Δω)，输出有效信号频率成分，第二积分区间为(Δω,ω₀/2)，输出失真信号频率成分，其中近似区间Δω大小根据调制频率ω₀范围在1Hz～1kHz之间，两个积分值经过第一除法器作相除运算后得到PGC谐波失真值；

(1.2.3)第一低通滤波器、第二低通滤波器输出结果经过第二除法器，得到未修正PGC正切值；

所述的FPS解算模块，利用三路固定相移信号完成FPS解算，具体过程为：

(1.3.1)基本FPS子模块利用增益调节子模块输出的三路固定相移信号进行解调，得到的解调结果包含载波信号与被测信号；

(1.3.2)基本FPS子模块输出结果经过FPS高通滤波器得到载波信号，载波信号通过峰值探测子模块得到载波信号的幅度值，再通过状态求解子模块输出调制幅度；

(1.3.3)未修正PGC正切值与状态求解子模块的输出结果同时送入状态修正子模块，得到修正后的反正切值，该值送入反正切子模块；

所述的PGC与FPS算法融合模块，根据PGC谐波失真值大小进行算法融合，具体过程为：

(1.4.1)基本FPS子模块输出结果经过FPS低通滤波器，其截止频率根据载波信号频率选择在1kHz～25MHz之间，衰减至少速度为-80dB至-120dB，得到FPS解调结果并送入输出判定子模块；

(1.4.2)状态修正子模块输出结果经过反正切子模块得到修正后的PGC解调结果并送入输出判定子模块；

(1.4.3)谐波失真值分析模块输出PGC谐波失真值即失真频率部分所占的比重大小，该值由被测信号幅度，频率决定，若PGC谐波失真值在1％以下，系统选择PGC输出作为解调结果；若PGC谐波失真值在1％～10％之间，系统既可以选择PGC输出也可以选择FPS输出作为解调结果；若PGC谐波失真值大于10％，系统选择FPS输出作为解调结果保证解调最大动态范围。