CN105486225A - 一种抑制光强波动噪声的相位解调装置及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制光强波动噪声的相位解调装置及解调方法。包括光纤干涉仪和数字解调装置；本发明对传统的相位生成载波算法进行改进，将被测相位的基频分量与倍频分量做乘积，同时将基频分量的微分值与倍频分量的微分值做乘积，将这两个乘积相除从而去掉光强抖动引起的噪声，再通过积分的方法求解被测相位；同时，本发明将降噪解调算法集成于FPGA与DSP大规模高速信号处理器中，根据FPGA并行处理能力强以及DSP浮点运算性能优越的特点，分别将微分以及相位求解部分实现于两个处理器内，保证实时性；本发明有效抑制了光强波动引起的噪声，提高了长期稳定性，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。

Description

一种抑制光强波动噪声的相位解调装置及解调方法

技术领域

本发明属于光学(纤)干涉仪测量领域，尤其涉及一种抑制光强波动噪声的相位解调装置及解调方法。

背景技术

光纤干涉型传感器在所有光纤传感器类型中具有最高的灵敏度，动态范围，其基本原理是利用干涉仪中相位变化来测量其他物理量比如温度，应力，位移，加速度等。美国海军实验室在1982年提出的相位生成载波(PGC)算法是干涉型光纤传感器相位解调中最经典的算法之一，PGC算法可以直接通过调制光源实现，保证了传感器结构紧凑，体积小的特点。

传统的PGC解调算法过程是对干涉信号进行混频、滤波等操作，通过锁相放大的原理获得被测信号的高阶频分量，然后通过对不同高阶频分量的计算求解出相位变化量。这种方法的缺点是在解调过程中系统容易受到调制深度C变化以及光强B波动影响，这会导致解调噪声的增加。

基于传统的PGC算法原理，国内外有很多研究单位设计并制作了相关测量仪器与测量设备；2009年中国船舶重工集团七一五研究所的谢勇等人提出一种便携式多工能光纤水听器信号解调方法(CN200910100835.3)，该方法实现于一套FPGA处理器内，使用FPGA完成对干涉的信号调制，采集，并在FPGA处理器内完成相位解调；该装置保证了算法执行实时性，低成本，但并没有解决传统PGC算法容易受到调制深度C变化以及光强B波动影响等问题，所以在解调精度以及相位分辨率方面存在一定的问题；同年，谢勇等人提出一种大规模光纤水听器阵列PGC复解调方法(CN200910100600)，本套装置与上一套装置区别在于支持多路解调，但是没有从本质上解决稳定性与输出噪声问题。

对于如何降低输出噪声清华大学张敏等人提出了一种去相关的方法(CN201110191719.4)，通过在PGC光路中引入一个3×2耦合器，利用另外两路参考信号之间存在固定相位差的特点实现消除同源噪声。但是这种方法需要在光路上额外增加一个3×2耦合器，同时也要额外采集2路参考信号，解调装置同时也要完成对这2路参考信号的计算，即硬件的开销要增加3倍以上。另一个对水听器研究比较深入的机构是国防科技大学，梁迅博士在学位论文中深入讨论过PGC解调算法中光强B值波动与调制深度C的变化会引入噪声的大小，他提出了水听器阵列中利用多路信号求相关的方法抑制噪声值，同样的，这么做无疑会带来更大的硬件开销。以上这两种方法都是利用解调光路的空间相关性，解调信号的时间相关性来抑制噪声，优点是可以去除光源在每一路引起的共模噪声，缺点是会增加额外的参考光路与参考光路对应的解调硬件。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高系统长期稳定性、应用范围广的，抑制光强波动噪声的相位解调装置。本发明的目的还包括提供一种能够有效抑制光强波动引起的解调噪声的，抑制光强波动噪声的相位解调方法。

一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，包括光纤干涉仪2和数字解调装置3，

光纤干涉仪2包括光源模块20、干涉仪21和探测及控制模块22，干涉仪包括环形器211、2×2耦合器212、光纤环213、第一法拉第旋镜214、第二法拉第旋镜215和压电陶瓷216，探测及控制模块22包括差分探测器221、光源调制器222、计算机224和压电陶瓷驱动器225，

数字解调装置3发送信号经过光源调制器222进行频率调制，数字解调装置3同时通过压电陶瓷驱动器225加载测试信号至压电陶瓷216上，光源模块20发送光通过环形器211后，从2×2耦合器212的一臂注入，分成两路，一路光经过光纤环213以及第一法拉第旋镜214反射至2×2耦合器212中，另一路光经过压电陶瓷216以及第二法拉第旋镜215反射至2×2耦合器212中，2×2耦合器212输出两路光，一路光经过环形器211输入到差分探测器221中，另一路光直接输入到分探测器221中，差分探测器221输出干涉信号给数字解调装置3，数字解调装置3还与计算机224连接。

本发明一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，还可以包括：

1、数字解调装置3包括FPGA处理系统30和DSP处理系统31，

FPGA处理系统30包括模数转换器303、可编程放大器304、FPGA处理器305、电源306、电源监测307，可编程放大器304接收差分探测器221输出的信号，经过模数转换器303输出PGC干涉信号至FPGA处理器305，FPGA处理器305连接有第一数模转换器301、第二数模转换器302、程序存储309和时钟芯片310，第一数模转换器301与压电陶瓷驱动器225连接，第二数模转换器302输出调相波信号给光源调制器222，电源306通过电源监测307与FPGA处理器305连接；

DSP处理系统31包括数据缓存311、DSP处理器312、网线接口313、第一数据总线315和第二数据总线316，DSP处理器312通过第一数据总线315和FPGA处理器305连接，DSP处理器312通过第二数据总线316连接数据缓存311，DSP处理器312通过网线接口313连接计算机224。

2、FPGA处理器305包含锁相模块11、基频信号102、倍频信号104，锁相模块11包括第一乘法器111、第二乘法器112、第一滤波器113、第二滤波器114、第一微分器115与第二微分器116，DSP处理器312包括数据解调模块12、相位累加子模块131和降采样输出子模块132，数据解调模块12包括第三乘法器121、第四乘法器122、第二除法器123、绝对值子模块124、开方子模块125和积分相位子模块126，

基频信号102、倍频信号104和PGC干涉信号同时传送给第一乘法器111与第二乘法器112，输出两路信号分别经过第一滤波器113与第二滤波器114，继续输出两路信号分别通过第一微分器115与第二微分器116；第一滤波器113与第二滤波器114的输出信号通过第一数据总线315传送给DSP处理器312的第三乘法器121，第一微分器115与第二微分器116的输出信号通过第一数据总线315传送给DSP处理器312的第四乘法器122，输出结果输入到第二除法器123，第二除法器123输出至绝对值子模块124之后连接开方子模块125，最后连接积分相位子模块126，积分相位子模块126连接至相位累加子模块131，之后连接降采样输出子模块132。

一种抑制光强波动噪声的相位解调方法，包括以下步骤，

步骤一：第二数模转换器输出调相波信号cosω₀t，在差分探测器得到PGC干涉信号为：

其中，A为光强直流分量，B为光强交流分量，C为调相波信号s₁幅度，ω₀为调相波信号s₁频率，为被测相位值；

步骤二：使用基频信号、倍频信号与PGC干涉信号进行乘法操作，然后进行滤波，得到两路信号：

其中，B为光强交流分量，G与H为调相波信号幅度，J₁(C)与J₂(C)为贝塞尔函数系数；

步骤三：对经过滤波后的信号进行微分操作，得到：

步骤四：将步骤三得到的两个信号送入一个乘法器，将步骤二得到的两个信号送入另一个乘法器，将两个乘法器的输出信号送入除法器，得到消除光强波动B以及调制深度C影响的信号：

步骤五：对上一步得到的信号取绝对值，得到全正信号量，进行开方运算后求得被测相位的微分值

进一步得到该时刻的相位值：

有益效果：

1)在不改变原有光路结构的情况下，有效的抑制光强波动对解调精度及噪声的影响。

2)提高系统实时性，算法结合硬件设计，保证系统能工作在高速时钟状态下且保持数据链路稳定可靠。

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。

本装置在兼顾抑制解调噪声，保证系统处理速度以及不增加额外光路结构的基础上，基于传统PGC算法进行优化。通过对干涉信号正弦分量余弦分量进行微分交叉相除，构造特征等式，使两项的系数分别为除法的分子与分母，从而保证最终输出结果与光强波动以及调制深度无关，减小了因光强抖动导致的解调噪声以及调制深度波动引起的系统状态漂移；本方法集成于FPGA与DSP数字处理器内，该算法结合FPGA并行处理特点，将数据前端高速处理部分放入FPGA内执行，保证信号处理的实时性与数据量的丰富性，将改进的解调算法放入DSP数字处理芯片内执行，并对数据进行缓存转发处理，保证数据连接的可靠性。本装置有效抑制了光强波动引起的解调噪声，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为数字解调装置图；

图4为装置总体框图；

图5为改进解调算法降噪结果图，图5(a)为原始算法对应的降噪结果图，图5(b)为本发明对应的降噪结果图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

1.一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，如图4所示，包括光纤干涉仪2，数字解调装置3，降噪解调算法1。

1)第二数模转换器302输出调相波信号cosω₀t，在差分探测器221可以得到干涉信号形式为：

即PGC干涉信号103其中P为干涉信号幅度，A为光强直流分量，B为光强交流分量，C为调相波信号s₁幅度，ω₀为调相波信号s₁频率，为被测相位值；

2)使用基频信号102，倍频信号104与PGC干涉信号103进行乘法操作，然后进行滤波，可以得到

其中B为光强交流分量，G，H为调相波信号幅度，J₁(C)与J₂(C)为贝塞尔函数系数；

3)对经过滤波后的信号公式(2)(3)进行微分操作，可以得到对应的微分值为

将微分运算前信号公式(2)(3)以及微分运算后的信号公式(4)(5)做如下处理，微分后乘积除以原函数乘积，此时可消除光强波动B以及调制深度C的系数影响；得到信号如下

4)对公式(6)信号取绝对值，得到全正信号量，然后进行开方运算，可以求得被测相位的微分值

最后使用积分的方法得到该时刻的相位值。

2.所述的数字解调装置3，如图3所示，包括FPGA处理系统30与DSP处理系统31：

1)FPGA处理系统30中，以FPGA处理器305为中心连接外围器件。FPGA处理器305连接第一数模转换器301，同时连接第二数模转换器302；可编程放大器304通过模数转换器303输出PGC干涉信号103至FPGA处理器305；

2)电源模块306，复位信号308通过电源监测307连接至FPGA处理器305；程序存储309和时钟芯片310同时连接至FPGA处理器305；

3)DSP处理系统31通过第一数据总线315连接FPGA处理系统30，DSP处理器312通过第二数据总线316连接数据缓存311，通过网线接口313连接计算机224；

3.所述的降噪解调算法1是：

1)降噪解调算法1实现于数字解调装置3中，其中FPGA处理器305内包含锁相模块11；基频信号102，倍频信号104以及PGC干涉信号103同时连接至锁相模块11内的第一乘法器111与第二乘法器112，两路输出结果分别经过第一滤波器113与第二滤波器114连接至第一微分器115与第二微分器116，之后通过第一数据总线315传送至DSP处理器312；

2)DSP处理器312内包含数据解调模块12，其中第一滤波器113与第二滤波器114输出结果输入第三乘法器121；第一微分器115与第二微分器116输出结果输入第四乘法器122；第三乘法器121输出结果除以第四乘法器122输出结果，即通过第二除法器123；第二除法器123输出至绝对值子模块124之后连接开方子模块125，最后连接积分相位子模块126；DSP处理器312内包含后端处理模块13，积分相位子模块126连接至相位累加子模块131，之后连接降采样输出子模块132。

实施例——改进相位解调算法噪声抑制

光纤干涉仪装置如图2所示，干涉仪测量装置的器件选择与参数如下：

1.光源201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202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211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214、第二法拉第旋镜215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；

6.2×2耦合器212工作波长1550nm，使用2×2耦合器的1端口与2端口输入，1端口输入对应2路输出分光比为49.8％，50.2％，2端口输入对应2路输出分光比为49.6％，50.4％；

7.差分探测器221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.可编程放大器304用于调节差分探测器221输出至合理动态范围，通过FPGA控制增益倍数；

9.FPGA处理器305为Altera公司Stratix系列高速处理芯片；

10.压电陶瓷驱动器225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；

相位解调装置的调制深度稳定测试具体流程如图1所示：

1.装置启动，FPGA处理器305产生载波调制光源，采样率为2Mbps，载波频率为20kHz，将调制深度变化波动量设置为±10％，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.经过模数转换器303得到PGC干涉信号103，基频信号102，倍频信号104，设置本地调相波信号幅度为1V，频率为20kHz，采样率为20MHz；

3.设置第一滤波器113、第二滤波器模块114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正交信号。

4.设置第一、第二微分器为矢量微分运算，微分过程为时域相邻信号点数值差，两路数据分别经过两个微分器得到一个时钟延迟的微分时域信号值。

5.设置第三乘法器121为有符号同步乘法器，输入数据为16bit单精度有符号浮点数据，输出数据为32bit有符号双精度浮点类型数据。

6.设置第二除法器123为有符号除法器，输入数据为16bit单精度有符号浮点数据，输出数据为32bit有符号双精度浮点类型数据，信号经过除法器得到消掉光强波动与调制量波动的信号比值。

7.设置绝对值子模块124为补码形式输入输出，得到负数补码值并做取反码操作，如果输入信号为正，则直接输出，如果输入信号为负，则取反码输出。

8.设置开方子模块125输入输出为16bit单精度浮点型数据，输出信号为16bit单精度浮点型数据，输出结果为被测信号的微分值。

9.设置积分相位子模块126为矢量积分运算，运算过程为近似梯形面积算法，取得时域上相邻长度内数据做和并乘以采样时间，积分后，得到被测信号值。

10.设置相位累加子模块131为32bit数据长度，其中一周期2πrad信号细分为低16bit，细分精度为±1/32767，高16bit为干涉仪相位变化整数部分，上下动态范围为±32767rad，时域信号累加求和得到真实相位变化值。

11.经过改进后的光学干涉相位解调方法，光强波动对本底噪声影响降低，原始PGC算法再有光强波动的影响下本底噪声为-84.3dBrad，经过改进后的算法消除光强波动影响，其本底噪声为-97.8dBrad，如图5所示。

●发明原理：

本系统用于解决干涉仪的相位解调，光纤干涉仪基本结构如图2所示，主要包括以下几个模块：光源模块20，干涉仪21，探测及控制模块22。

本系统工作开始，首先由数字解调装置3对光源调制器222进行频率调制，同时使用压电陶瓷驱动器225加载测试信号至压电陶瓷环216上，被调制光源201通过隔离器202以及衰减器203将光注入到干涉仪21中。光通过环形器211从2×2耦合器212的一臂注入，分成两路，一路经过光纤环213以及第一法拉第旋镜214反射至耦合器中；另一路经过缠绕在压电陶瓷(PZT)216的光纤，第二法拉第旋镜215反射至耦合器中，这两束光在2×2耦合器212中发生干涉，干涉后的光一路经过法拉第旋镜211输入到差分探测器221中，另一路直接输入到差分探测器221中，由于两路光经过两次2×2耦合器212，所以输入到差分探测器221中的两路光具有πrad的相位差，通过差分相减的方法能去掉干涉信号中的共模噪声。此时在差分探测器221输出端得到干涉信号如公式(1)所示；

●锁相滤波过程

将输入干涉信号利用贝塞尔函数展开，得到输入信号的频谱成分

其中J_k(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量，PGC干涉信号103与基频信号102同时通过第一乘法器111，PGC干涉信号103与倍频信号104同时通过第二乘法器112，分别得到锁相信号如下

其中P为输入干涉信号，G，H分别为本地载波信号幅度，这两路信号分别经过第一滤波器113与第二滤波器114即得到被求信号的奇次频，偶次频，分别为公式(2)，公式(3)；

●改进解调算法原理

获得奇次频，偶次频信号后，对这两路信号进行如下操作：

首先使用第一微分器115与第二微分器116对这两路信号求微分，得到这两路信号的微分值，如公式(4)(5)，使用交叉相除的办法，利用(2)(3)的乘积与(4)(5)乘积做除法，经过交叉后的运算结果可以消除B值与C值的抖动，运算结果为公式(6)，该信号通过绝对值子模块124后，得到数值为正的信号量，然后通过开方子125模块，可以求得被测相位的微分值公式(7)，最后该信号经过积分相位子模块126得到该时刻的相位值公式(8)。

一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，包括光纤干涉仪，数字解调装置与降噪解调算法。本装置对传统的相位生成载波(PGC)算法进行改进，将被测相位的基频分量与倍频分量做乘积，同时将基频分量的微分值与倍频分量的微分值做乘积，利用这两个乘积项包含光强参数这一关系，将这两个乘积相除从而去掉光强抖动引起的噪声，再通过积分的方法求解被测相位；同时，本装置将降噪解调算法集成于FPGA与DSP大规模高速信号处理器中，根据FPGA并行处理能力强以及DSP浮点运算性能优越的特点，分别将微分以及相位求解部分实现于两个处理器内，保证算法的实时性；本装置有效抑制了光强波动引起的噪声，提高了长期稳定性，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。

Claims (4)

1.一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，其特征在于：包括光纤干涉仪(2)和数字解调装置(3)，

光纤干涉仪(2)包括光源模块(20)、干涉仪(21)和探测及控制模块(22)，干涉仪包括环形器(211)、2×2耦合器(212)、光纤环(213)、第一法拉第旋镜(214)、第二法拉第旋镜(215)和压电陶瓷(216)，探测及控制模块(22)包括差分探测器(221)、光源调制器(222)、计算机(224)和压电陶瓷驱动器(225)，

数字解调装置(3)发送信号经过光源调制器(222)进行频率调制，数字解调装置(3)同时通过压电陶瓷驱动器(225)加载测试信号至压电陶瓷(216)上，光源模块(20)发送光通过环形器(211)后，从2×2耦合器(212)的一臂注入，分成两路，一路光经过光纤环(213)以及第一法拉第旋镜(214)反射至2×2耦合器(212)中，另一路光经过压电陶瓷(216)以及第二法拉第旋镜(215)反射至2×2耦合器(212)中，2×2耦合器(212)输出两路光，一路光经过环形器(211)输入到差分探测器(221)中，另一路光直接输入到分探测器(221)中，差分探测器(221)输出干涉信号给数字解调装置(3)，数字解调装置(3)还与计算机(224)连接。

2.根据权利要求1所述的一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，其特征在于：所述的数字解调装置(3)包括FPGA处理系统(30)和DSP处理系统(31)，

FPGA处理系统(30)包括模数转换器(303)、可编程放大器(304)、FPGA处理器(305)、电源(306)、电源监测(307)，可编程放大器(304)接收差分探测器(221)输出的信号，经过模数转换器(303)输出PGC干涉信号至FPGA处理器(305)，FPGA处理器(305)连接有第一数模转换器(301)、第二数模转换器(302)、程序存储(309)和时钟芯片(310)，第一数模转换器(301)与压电陶瓷驱动器(225)连接，第二数模转换器(302)输出调相波信号给光源调制器(222)，电源(306)通过电源监测(307)与FPGA处理器(305)连接；

DSP处理系统(31)包括数据缓存(311)、DSP处理器(312)、网线接口(313)、第一数据总线(315)和第二数据总线(316)，DSP处理器(312)通过第一数据总线(315)和FPGA处理器(305)连接，DSP处理器(312)通过第二数据总线(316)连接数据缓存(311)，DSP处理器(312)通过网线接口(313)连接计算机(224)。

3.根据权利要求1所述的一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，其特征在于：所述的FPGA处理器(305)包含锁相模块(11)、基频信号(102)、倍频信号(104)，锁相模块(11)包括第一乘法器(111)、第二乘法器(112)、第一滤波器(113)、第二滤波器(114)、第一微分器(115)与第二微分器(116)，DSP处理器(312)包括数据解调模块(12)、相位累加子模块(131)和降采样输出子模块(132)，数据解调模块(12)包括第三乘法器(121)、第四乘法器(122)、第二除法器(123)、绝对值子模块(124)、开方子模块(125)和积分相位子模块(126)，

基频信号(102)、倍频信号(104)和PGC干涉信号同时传送给第一乘法器(111)与第二乘法器(112)，输出两路信号分别经过第一滤波器(113)与第二滤波器(114)，继续输出两路信号分别通过第一微分器(115)与第二微分器(116)；第一滤波器(113)与第二滤波器(114)的输出信号通过第一数据总线(315)传送给DSP处理器(312)的第三乘法器(121)，第一微分器(115)与第二微分器(116)的输出信号通过第一数据总线(315)传送给DSP处理器(312)的第四乘法器(122)，输出结果输入到第二除法器(123)，第二除法器(123)输出至绝对值子模块(124)之后连接开方子模块(125)，最后连接积分相位子模块(126)，积分相位子模块(126)连接至相位累加子模块(131)，之后连接降采样输出子模块(132)。

4.一种基于权利要求1所述的抑制光强波动噪声的相位解调装置的相位解调方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：第二数模转换器输出调相波信号cosω₀t，在差分探测器得到PGC干涉信号为：

其中，A为光强直流分量，B为光强交流分量，C为调相波信号s₁幅度，ω₀为调相波信号s₁频率，为被测相位值；

步骤二：使用基频信号、倍频信号与PGC干涉信号进行乘法操作，然后进行滤波，得到两路信号：

其中，B为光强交流分量，G与H为调相波信号幅度，J₁(C)与J₂(C)为贝塞尔函数系数；

步骤三：对经过滤波后的信号进行微分操作，得到：

步骤四：将步骤三得到的两个信号送入一个乘法器，将步骤二得到的两个信号送入另一个乘法器，将两个乘法器的输出信号送入除法器，得到消除光强波动B以及调制深度C影响的信号：

步骤五：对上一步得到的信号取绝对值，得到全正信号量，进行开方运算后求得被测相位的微分值

进一步得到该时刻的相位值：