CN106940201B - 光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统及其解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统及其解调方法。该系统用于解调光纤激光传感器输出的光载微波信号，输出能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号，其包括光电转换模块、射频信号处理通道模块、高速模数转换模块、实时数字信号解调处理模块。射频信号处理通道模块依次对光电转换模块输出的外差调频信号进行自动增益放大和带通滤波，并由高速模数转换模块模数转换成数字化的射频信号。实时数字信号解调处理模块利用两路正交本振序列与数字化的射频信号分别相乘，且分别低通滤波后降采样得到两路正交基带信号，之后相除并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展；将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感信号解调技术领域中的一种解调系统及其解调方法，尤其涉及一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统及其解调方法，其主要应用于极端环境下振动加速度、水声声压等微弱动态信号检测。
背景技术
光纤传感与传统的各类传感技术相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、耗能少、测量安全、光纤柔性质轻、易于组网复用等优势，因此在很多特殊条件下应用广泛。光纤传感器是通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度(振幅)、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再对被调制的光信号进行检测，进而得出被测量的一种新型传感技术。
根据对光调制方式的不同，光纤传感器可以分为强度调制型、相位调制型、频率调制型、偏振调制型、波长调制型等不同工作原理的光纤传感器。其中，干涉型光纤传感也就是相位调制型光纤传感器以波长为度量单位，所以干涉型光纤传感器测量精度最高。这是因为光波的振动频率很高，通常在1014Hz以上，因此直接测量光波的相位变化是不可能的。一般用干涉的方法把光的相位变化转换为光的强度变化进行测量。
光纤光栅是一种简单的本征型传感元件，因固有的自参考能力及容易在一根光纤上复用，光纤光栅被广泛的应用于传感系统中。光纤激光传感器是一种有源的传感系统。与无源的光纤光栅传感系统相比具有信噪比更高、线宽更窄等优点，因此具有更高的分辨率。光纤激光传感器在无外界调制作用时，干涉输出的拍频为一固定值，而且往往频差极大，达到射频波段(数百MHz～数GHz)。在有外界调制作用于光纤激光传感器时，会改变其拍频频率，即发生频率偏移，通过检测出频率变化从而达到检测外界调制信号的目的。因光纤激光传感器灵敏度极高，如配以高性能的相位解调系统，可以实现对待测量的高灵敏、高精度、高分辨率、大动态范围、宽频带检测，因而其在一些特殊的测量领域具有广阔的应用前景，如用于卫星平台微振动加速度、水下声场微弱声压等信号的检测。
通过对光纤传感器光载微波信号的解调，可以获得信号的频率、幅度等信息。常规的频谱分析技术只能获得频偏大小，难以动态地提供信号的频率、幅度等信息，因此需要借助专门的解调方式。另外，传统的光纤激光传感器解调系统多采用模拟方式，系统易受器件老化、温度漂移等影响，射频模拟电路频率响应带宽有限，对于大动态宽带光载微波信号解调能力不足。
发明内容
为解决现有模拟解调方案、频谱分析技术在解调动态传感信号中的不足，本发明提供一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统及其解调方法，其能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调技术。
本发明的解决方案是：一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其用于解调光纤激光传感器输出的光载微波信号，输出能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号；该数字解调系统包括：
光电转换模块，其用于将光信号的光载微波信号转换为电信号的外差调频信号；
射频信号处理通道模块，其包括用于依次对该外差调频信号进行自动增益放大的自动增益放大单元和进行带通滤波的带通滤波器，输出带通射频信号；
高速模数转换模块，其用于对该带通射频信号模数转换，输出数字化的射频信号；
实时数字信号解调处理模块，其包括数控振荡器、两个数字低通滤波器、相位解调器、频率解调器；利用该数控振荡器产生的两路正交本振序列与该数字化的射频信号分别相乘，且分别通过该两个数字低通滤波器低通滤波后降采样得到两路正交基带信号；该相位解调器将该两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，实现大动态范围的相位解调；该频率解调器将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，实现频率解调得到实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号。
作为上述方案的进一步改进，为实现自动增益放大功能，该自动增益放大单元包括低噪声放大器、数字程控衰减器、补偿放大器；该低噪声放大器接收该外差调频信号，并输出至该数字程控衰减器，该数字程控衰减器的输出经由该补偿放大器至该带通滤波器。
进一步地，该数字程控衰减器为单片数控电调衰减器。
作为上述方案的进一步改进，该数字解调系统还包括时钟信号产生模块，该时钟信号产生模块基于恒温晶振产生系统所需基准时钟、时序控制信号送入该高速模数转换模块、该实时数字信号解调处理模块。
作为上述方案的进一步改进，该解调信号通过数字滤波、降采样处理后再传送至下一级控制处理单元。
作为上述方案的进一步改进，该解调信号通过数字滤波、降采样处理后以总线、以太网信号传输方式传送至下一级控制处理单元。
作为上述方案的进一步改进，该高速模数转换模块对该带通射频信号采用带通直采方式实现模数转换。
作为上述方案的进一步改进，该实时数字信号解调处理模块事先在非易失存储器中存储传感器定标常数，用于该解调信号的定标转换处理，将定标常数与测频结果相乘，以得到最终的传感器测量输出。
本发明还提供一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调方法，其用于解调光纤激光传感器输出的光载微波信号，输出能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号；该数字解调方法包括以下步骤：
将光信号的光载微波信号转换为电信号的外差调频信号；
依次对该外差调频信号进行自动增益放大、带通滤波，输出带通射频信号；
对该带通射频信号模数转换，输出数字化的射频信号；
利用数控振荡器产生的两路正交本振序列与该数字化的射频信号分别相乘，且分别低通滤波后降采样得到两路正交基带信号；将该两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，实现大动态范围的相位解调；将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，实现频率解调得到实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号。
作为上述方案的进一步改进，该数字解调方法应用于上述任意光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统中。
本发明基于软件无线电思想，用高速模数转换器对光纤激光传感器输出的光载微波宽带大动态传感信号进行直采，使用通用、标准化的数字信号处理平台实时解调传感信号，从而减轻了复杂、易老化的射频模拟电路设计负担。该系统的主要功能用软件方式实现，便于系统功能的调整、升级。系统架构简洁，鲁棒性强，适合各类苛刻环境条件下微弱振动信号的检测。基于高速数字信号处理平台的解调精度高、速度快，且无需系统参数校准。
附图说明
图1为本发明光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统的信号解调示意图；
图2为本发明光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统的结构框图；
图3为图2中实时数字信号解调处理模块的数字解调处理过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明基于软件无线电思想，对光纤激光传感器输出的光载微波信号(也即光载微波宽带大动态传感信号)用高速模数转换器进行直采，用通用、标准化的数字信号处理平台实时解调传感信号，该系统减轻了复杂的射频模拟电路设计负担，系统架构简洁。系统的主要功能用软件方式实现，便于系统功能的调整、升级。基于高速数字信号处理平台的解调精度高、速度快、鲁棒性强，且无需系统参数校准。
如图1所示为光纤激光传感器输出的光载微波信号的解调过程示意图，动态待测物理量作用于光纤激光传感器，调制光纤内的光波输出光载微波调频信号，经基于软件无线电的传感信号实时解调系统(即本发明的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统)处理，解调系统输出恢复的传感信息，从而达到测量目的。
请参阅图2，光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统包括光电转换模块1、射频信号处理通道模块2、高速模数转换模块3、实时数字信号解调处理模块4、时钟信号产生模块(图未示)。
该时钟信号产生模块基于恒温晶振产生系统所需基准时钟、时序控制信号送入该高速模数转换模块、该实时数字信号解调处理模块。时钟信号产生模块在其他实施例中可以不设置，基准时钟、时序控制信号可以采用事先设置的时钟、时序控制信号，或者借助外部部件产生的时钟、时序控制信号，只要时钟、时序控制信号能满足本发明的应用即可。
光电转换模块1输入为光纤激光传感器5的光载微波信号，光电转换模块1的输出与射频信号处理通道模块2的输入端进行连接，光电转换模块1用于将光载微波信号转换为电信号的外差调频信号，并输送至射频信号处理通道模块2。
射频信号处理通道模块2对射频信号(即该外差调频信号)进行自动增益放大、带通滤波后，送入高速模数转换模块3。射频信号处理通道模块2包括用于依次对该外差调频信号进行自动增益放大的自动增益放大单元和进行带通滤波的带通滤波器6，输出带通射频信号。为实现自动增益放大功能，该自动增益放大单元可包括低噪声放大器7、数字程控衰减器8、补偿放大器9。低噪声放大器7接收该外差调频信号，并输出至数字程控衰减器8，数字程控衰减器8的输出经由补偿放大器9至带通滤波器6。
射频信号处理通道模块2中的数字程控衰减器8，为单片数控电调衰减器，反馈控制通过数字信号实现，控制环路简洁，且具有插入损耗低、体积小等特点，能实现小步进衰减、大动态范围控制。
高速模数转换模块3用于对该带通射频信号模数转换，输出数字化的射频信号。在本实施例中，高速模数转换模块3对确定带宽的射频信号进行带通直采，实现射频信号的模拟数字转换。高速模数转换模块3输出的数字信号(即数字化的射频信号)送实时数字信号解调处理模块4。高速模数转换模块3实现对带通射频信号的带通直采。由于光纤激光传感器的拍频频率通常很大，而传感器测量物理量(如振动加速度物理量、水声声压物理量)产生的瞬时频变相对而言属窄带信号，因此使用带通直采方式可以降低采样要求，提高系统解调响应能力。
请结合图3，实时数字信号解调处理模块4对射频数字信号(即该数字化的射频信号)进行实时解调处理，获得传感信号，并将解调结果可以总线、以太网等数字通信方式传送到下一级处理单元，如将解调结果进行数字滤波、降采样处理，最终以总线、以太网信号传输方式送下一级控制处理单元。实时数字信号解调处理模块4可利用标准化、模块化的通用数字信号硬件平台，对高速模数转换模块3带通直采数据的解调利用软件来完成，利用数字信号处理平台对数字化的射频信号进行数字下变频，完成数字正交鉴相、鉴频处理。实时数字信号解调处理模块4包括数控振荡器11、两个数字低通滤波器10、相位解调器12、频率解调器13。
本发明基于数控振荡器实现射频直采数字序列的数字下变频：利用数控振荡器11产生的两路正交本振序列与该数字化的射频信号分别相乘，且分别通过两个数字低通滤波器10的低通滤波后降采样得到两路正交基带信号I(n)数字信号和Q(n)数字信号。数字低通滤波器10的阶数根据系统响应时间确定。数控振荡器11的振荡频率由光纤激光传感器5的静态输出结果确定，该振荡频率以系统定常参数存储于非易失存储器中，并可根据实际光纤激光传感器5重复设定。
相位解调器12将该两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，实现大动态范围的相位解调。频率解调器13将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，实现频率解调得到实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号。
因此，本发明的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统在应用时，其相应的数字解调方法包括以下步骤：
将光信号的光载微波信号转换为电信号的外差调频信号；
依次对该外差调频信号进行自动增益放大、带通滤波，输出带通射频信号；
对该带通射频信号模数转换，输出数字化的射频信号；
利用数控振荡器11产生的两路正交本振序列与该数字化的射频信号分别相乘，且分别低通滤波后降采样得到两路正交基带信号；将该两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，实现大动态范围的相位解调；将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，实现频率解调得到实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号。
实时数字信号解调处理模块4通过正交基带信号完成相位解调、频率解调：将得到的两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，即可得到大动态范围的相位解调；将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，即可以实现频率解调，得到与传感器测量物理量成正比的频率信号。对相位解调结果在时域和频域分析，可以得到待测物理量的幅度、频率等信息。本发明的实时数字信号解调处理模块4的构建基于软件无线电思想，使用通用的数字信号处理硬件平台，信号的处理用软件实现。用于完成信号解调的数控振荡器11、两个数字低通滤波器10、相位解调器12、频率解调器13实现可根据系统参数的变动、算法升级进行反复重构。
实时数字信号解调处理模块4可事先在非易失存储器中存储传感器定标常数(如加速度频率偏移灵敏度参量、水声声压频率偏移灵敏度参量)，用于数字解调结果的定标转换处理，将定标常数与测频结果相乘，以得到最终的传感器测量输出。
综上所述，本发明基于软件无线电思想，用高速模数转换器对光纤激光传感器输出的光载微波宽带大动态传感信号进行直采，使用通用、标准化的数字信号处理平台实时解调传感信号，从而减轻了复杂、易老化的射频模拟电路设计负担。该系统的主要功能用软件方式实现，便于系统功能的调整、升级。系统架构简洁，鲁棒性强，适合各类苛刻环境条件下微弱振动信号的检测。基于高速数字信号处理平台的解调精度高、速度快，且无需系统参数校准。
请再次参阅图2，本发明公开的基于软件无线电的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其中，高速模数转换模块可包括抗混叠滤波器、高速模数转换器。实时数字信号解调处理模块4可包括数字下变频处理、数字低通滤波、抽取、相位解调、频率解调、传感器定标转换处理、数据通信。传统的光纤激光传感器解调系统多采用模拟方式，系统易受器件老化、温度漂移等影响，射频模拟电路频率响应带宽有限，对于大动态宽带光载微波信号解调能力有限。另外，因加工工艺和光纤特性限制，光纤激光传感器输出信号中心频率难以准确控制，通常光纤激光传感器的中心频率不一致，使用传统的解调方案灵活性较差。本发明基于软件无线电思想，建立开放性、标准化、模块化的通用硬件平台实现光纤激光传感器的光载微波信号的实时解调，解调系统使用高速模数转换器对光纤激光传感器输出的光载微波信号直采，使用软件可重构的数字信号处理硬件平台完成光载微波信号的数字化解调，系统架构通用性好，系统易于集成、鲁棒性强，依托于高速数字信号处理器，解调精度高、响应速度快。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如对辐射单元数量和口径形式的变化，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。
Claims (8)
1.一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其用于解调光纤激光传感器输出的光载微波信号，输出能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号；其特征在于：该数字解调系统包括：
光电转换模块，其用于将光信号的光载微波信号转换为电信号的外差调频信号；
射频信号处理通道模块，其包括用于依次对该外差调频信号进行自动增益放大的自动增益放大单元和进行带通滤波的带通滤波器，输出带通射频信号；
高速模数转换模块，其用于对该带通射频信号模数转换，输出数字化的射频信号，该高速模数转换模块对该带通射频信号采用带通直采方式实现模数转换；
实时数字信号解调处理模块，其包括数控振荡器、两个数字低通滤波器、相位解调器、频率解调器；利用该数控振荡器产生的两路正交本振序列与该数字化的射频信号分别相乘，且分别通过该两个数字低通滤波器低通滤波后降采样得到两路正交基带信号；该相位解调器将该两路正交基带信号进行相除，并进行四象 限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，实现大动态范围的相位解调；该频率解调器将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，实现频率解调得到实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号。
2.如权利要求1所述的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其特征在于：为实现自动增益放大功能，该自动增益放大单元包括低噪声放大器、数字程控衰减器、补偿放大器；该低噪声放大器接收该外差调频信号，并输出至该数字程控衰减器，该数字程控衰减器的输出经由该补偿放大器至该带通滤波器。
3.如权利要求2所述的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其特征在于：该数字程控衰减器为单片数控电调衰减器。
4.如权利要求1所述的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其特征在于：该数字解调系统还包括时钟信号产生模块，该时钟信号产生模块基于恒温晶振产生系统所需基准时钟、时序控制信号送入该高速模数转换模块、该实时数字信号解调处理模块。
5.如权利要求1所述的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其特征在于：该解调信号通过数字滤波、降采样处理后再传送至下一级控制处理单元。
6.如权利要求1所述的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其特征在于：该解调信号通过数字滤波、降采样处理后以总线或以太网信号传输方式传送至下一级控制处理单元。
7.如权利要求1所述的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其特征在于：
该实时数字信号解调处理模块事先在非易失存储器中存储传感器定标常数，用于该解调信号的定标转换处理，将定标常数与测频结果相乘，以得到最终的传感器测量输出。
8.一种应用于如权利要求1至7中任意一项所述的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统的光纤激光传感器光载微波信号数字解调方法，其用于解调光纤激光传感器输出的光载微波信号，输出能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号；其特征在于：该数字解调方法包括以下步骤：
将光信号的光载微波信号转换为电信号的外差调频信号；
依次对该外差调频信号进行自动增益放大、带通滤波，输出带通射频信号；
对该带通射频信号模数转换，输出数字化的射频信号；
利用数控振荡器产生的两路正交本振序列与该数字化的射频信号分别相乘，且分别低通滤波后降采样得到两路正交基带信号；将该两路正交基带信号进行相除，并进行四象限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，实现大动态范围的相位解调；将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，实现频率解调得到实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号。
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