CN109361636A

CN109361636A - 一种基于相位生成载波的解调装置及方法

Info

Publication number: CN109361636A
Application number: CN201811482486.1A
Authority: CN
Inventors: 崔洪亮; 孙韦; 于淼; 程立耀; 吴崇坚
Original assignee: Zhuhai Ren Chi Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Ren Chi Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2019-02-19

Abstract

本公开公开了一种基于相位生成载波的解调装置及方法，包括：模拟解调部分，模拟解调部分实现将高频干涉信号转换为滤除载波及高次谐波后的低频信号，所述低频信号传输至数字补偿部分；数字解调部分实现将两路低频信号解调为被测信号。本公开采用模拟解调实现干涉信号与一倍频载波的混频，以及混频后的低通滤波。去除了现有数字解调中的混频算法和低通滤波算法，降低了算法复杂度；采样率可以降低为现有数字解调方法的1％，与现有数字解调方法相比，可以显著提解调响应时间。

Description

一种基于相位生成载波的解调装置及方法

技术领域

本公开涉及相位生成载波解调技术领域，特别是涉及一种基于相位生成载波的解调装置及方法。

背景技术

对于干涉型光纤传感系统，通常直接获得光强信号，通过解调光强中的相位信号，将相位测量变化反演来实现对待测物理量的间接测量，因此相位解调方法显得尤为重要。目前常用的解调技术可以分为主动零差解调法、合成外差解调法以及伪外差解调法和相位生成载波(PGC)解调法。

相位生成载波(PGC)解调法是光纤干涉型传感器应用最广泛的无源解调技术之一。PGC解调法通过在被测低频信号带宽之外的高频带上引入一个相位载波信号，将被测信号调制到载波信号的边带上，利用相关检测和解调算法分离出被测信号和低频带外噪声，再通过积分器和高通滤波器得到稳定的被测信号。PGC解调方法主要分为两种方案：微分交叉相乘法(DCM)和反正切法(Arctan)。

公开人在研究中发现，现有文献中在解调时用到模拟解调、数字补偿及数据解调相关技术，但是，在信号的选取上采用的是一般的一倍频、二倍频信号，而信号的选取决定了后续的信号处理的结果不同，在数据解调的解调上，选用的算法是一般的微分交叉相乘(DCM)算法，而该算法决定了解调的精度以及解调的结果。

另外，在实际应用中，仍然存在很多问题：解调结果受到环境的干扰带来解调相位的漂移，引入测量误差；伴生调幅造成解调结果的失真；解调结果对调制深度的依赖度高。因此如何设计解调方法及装置，并获得更高精度的测量值是目前亟待解决的问题。

公开内容

为了解决现有技术的不足，本公开的实施例子提供了一种基于相位生成载波的解调装置，本公开的实施例子中的解调方法消除了直流分量对解调结果的影响，打破了基频混频只适用于小信号检测的局限性。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

一种基于相位生成载波的解调装置，包括：

模拟解调部分，包括直流滤波器，干涉信号通过直流滤波器滤波后分两路，一路直接通过第一低通滤波器，另一路与一倍频载波在混频器中混频后通过第二低通滤波器，模拟解调部分实现将高频干涉信号转换为滤除载波及高次谐波后的低频信号，所述低频信号传输至数字补偿部分；

数字补偿部分，将低频信号的经过模数转换为两路低频数字信号，并分别进行失调补偿及相位补偿，失调补偿及相位补偿之后的信号传输至信号解调部分；

数字解调部分包括三个混频器、微分器、依次连接的减法器，除法器，积分器和高通滤波器；

三个混频器的输入为数字补偿部分的输出，其中，第二混频器的输出连接至微分器的输入端，第三混频器、第四混频器的输出端连接至减法器的两路输入端，微分器的输出端及减法器的输出端分别连接至除法器；数字解调部分实现将两路低频信号解调为被测信号。

进一步的技术方案，上述混频器均为双通道的混频器。

进一步的技术方案，所述数字补偿部分包括依次顺序连接的数据采集卡，失调补偿单元和相位补偿单元，数据采集卡、失调补偿单元和相位补偿单元均是双通道，数字补偿部分的输入与模拟解调部分的输出端连接，数字补偿部分的输出端与数字解调部分的输入端连接。

进一步的技术方案，微分器、减法器的输出为单路，除法器、积分器和高通滤波器均是单通道。

本公开的实施例子公开了一种基于相位生成载波的解调方法，包括：

干涉信号通过直流滤波器滤除直流项后一路直接通过第一低通滤波器后的信号为第一信号；

干涉信号通过直流滤波器滤除直流项后另一路与一倍频载波信号进行混频后通过第二低通滤波器后的信号为第二信号；

数字补偿通过失调补偿单元和相位补偿单元对由模拟解调造成的失调量和相位噪声进行补偿，两路信号分别表示第三信号及第四信号；

将两路信号第三信号及第四信号在第二混频器处相乘得第五信号，对相乘后的第五信号在微分器处进行微分处理得第六信号，

将第三信号在第三混频器处倍频得第七信号：将第四信号在第四混频器处倍频得第八信号，对两路倍频的信号第七信号，第八信号进行差分处理后，在减法器处进行差分处理的得第九信号；

将微分后的第六信号与差分后的第九信号在除法器处作除后积分可得：

进一步的技术方案，使信号中调制深度C约等于1.44时，J₁(C)与J₀(C)的值相等，J₀(C)和J₁(C)是贝塞尔函数展开式的系数。

本公开的实施例子公开了干涉型光纤传感系统，通过上述基于相位生成载波的解调方法或装置解调光强中的相位信号，将相位测量变化反演来实现对待测物理量的间接测量。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开中解调方法消除了光源信号强度和不稳定性对解调结果的影响，获得了更高的线性度。

(2)通过本公开的方法装置获得的解调结果中不含有关于调制深度C有关的贝塞尔函数项，在一定程度上，减少了由于调制深度带来解调结果的不稳定性。

(3)本公开中的解调方法消除了直流分量对解调结果的影响，打破了基频混频只适用于小信号检测的局限性。

(4)本公开涉及的数字补偿部分消除了模拟解调引入的相位噪声和失调量，与现有模拟解调方法相比，提高了解调精度。

(5)本公开采用模拟解调实现干涉信号与一倍频载波的混频，以及混频后的低通滤波。去除了现有数字解调中的混频算法和低通滤波算法，降低了算法复杂度；采样率可以降低为现有数字解调方法的1％，与现有数字解调方法相比，可以显著提解调响应时间。

(6)本公开数字解调模采用的是新改进的算法结构，就是两路信号倍频后的差分结果与其相乘后的微分结果相除得到被测信号，因此整体的解调运算算法结构以及最后得到的解调结果与现有技术存在本质的不同。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本公开的一个或多个实施例子的改进的相位生成载波解调方法及装置结构图；

图2是本公开的一个或多个实施例子的失调补偿单元结构图；

图3是本公开的一个或多个实施例子的相位补偿单元结构图；

图中标记：

[1]直流滤波器，[2]混频器M1，[3]低通滤波器LPF1，[4]低通滤波器LPF2，[5]数据采集卡，[6]失调补偿单元[7]相位补偿单元，[8]混频器M2，[9]混频器M3，[10]混频器M4，[11]微分器，[12]减法器，[13]除法器，[14]积分器，[15]高通滤波器，[16]加法器1，[17]加法器2，[18]低通滤波器LPF3，[19]低通滤波器LPF4，[20]控制器1，[21]延迟器1，[22]延迟器2，[23]混频器M5，[24]低通滤波器LPF6，[25]控制器2。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种采用改进的相位生成载波(PGC)解调装置，由模拟解调、数字补偿和数字解调三部分组成。

具体实施例子中，模拟解调部分包括直流滤波器[1]、双通道的混频器M1[2]和两个6阶贝塞尔低通滤波器LPF1[3]、LPF2[4]，直流滤波器输入为干涉信号，输出分为两路：一路与混频器M1[2]和低通滤波器LPF1[3]依次连接；另一路直接与另一个低通滤波器LPF2[4]连接。模拟解调的输入包括干涉信号和一倍频载波信号，模拟解调部分将高频干涉信号转换为滤除载波及高次谐波后的低频信号，模拟解调的输出连接到数字补偿的输入。

具体实施例子中，数字补偿部分是由数据采集卡[5]，失调补偿单元[6]和相位补偿单元[7]组成的，数据采集卡[5]用来实现模拟解调输出的模数转换，得到两路低频数字信号；失调补偿单元[6]和相位补偿单元[7]均是双通道，每个通道依次顺序连接，数字补偿的输入与模拟解调的输出连接，数字补偿的输出与数字解调的输入连接。失调补偿单元[6]用来调节两路数字信号的直流偏置量，消除由于模拟解调引入的失调量；相位补偿单元[7]使两路低频数字信号通过调节后的延迟器，消除模拟解调引入的相位噪声。

数字补偿的失调补偿单元用于调节2路数字信号的直流偏置量，消除模拟解调引入的失调量；如图2所示，失调补偿单元包括2个加法器[16]、[17]，2个低通滤波器LPF3[18]，LPF4[19]和1个控制器[20]，2个加法器[16]、[17]的输入连接前级数据采集卡[5]的2路输出；2个加法器[16]、[17]的输出连接2个低通滤波器LPF3[18]，LPF4[19]的输入，同时作为失调补偿单元的输出；2个低通滤波器LPF3[18]，LPF4[19]的输出连接控制器[20]；控制器[20]的输出连接2个加法器[16]、[17]，对加法器变量进行设置；如图3所示，所述相位补偿单元包括2个延迟器[21]、[22]，1个混频器M5[23]，1个低通滤波器LPF5[24]和1个控制器[25]，2个延迟器[21]、[22]的输入分别连接前级失调补偿单元的2路输出；2个延迟器[21]、[22]的输出连接到混频器M5[23]的输入，同时作为相位补偿单元的输出；混频器M5[23]、低通滤波器LPF5[24]和控制器[25]依次顺序连接；控制器[25]的输出连接到2个延迟器[21]、[22]。

数字解调部分由3个混频器M2[8]、M3[9]、M4[10]，微分器[11]，减法器[12]，除法器[13]，积分器[14]和高通滤波器[15]组成，混频器M2[8]、M3[9]、M4[10]均是双通道，其输入即为数字解调的输入，混频器M2[8]输出连接微分器[11]输入，混频器M3[9]、M4[10]输出连接减法器[12]的两路输入，微分器[11]、减法器[12]的输出为单路，微分器[11]输出、减法器[12]输出与除法器[13]输入连接，除法器[13]、积分器[14]和高通滤波器[15]均是单通道，依次顺序连接。

所述混频器M2[8]、M3[9]、M4[10]，微分器[11]，减法器[12]和除法器[13]用于配合数字解调运算单元，消除随机相位衰落现象，使信号中只包含被测信号的微分形式；所述积分器[14]用于将被测信号的微分形式进行积分，还原被测信号；所述高通滤波器[15]用于消除外界环境影响产生的相位差、初始相位差和其他因素产生的相位差之和，以及调制光源产生的相位差，从而得到被测信号。

所述混频器M2[8]、M3[9]、M4[10]，微分器[11]，减法器[12]和除法器[13]用于配合数字解调运算单元，消除随机相位衰落现象，使信号中只包含被测信号的微分形式；所述积分器[14]用于将被测信号的微分形式进行积分，还原被测信号；所述高通滤波器[15]用于消除外界环境影响产生的相位差、初始相位差和其他因素产生的相位差之和，以及调制光源产生的相位差，将两路低频信号解调为被测信号，实现改进的数字相位生成载波方法解调。

本公开的另一实施例子公开了一种基于相位生成载波(PGC)的解调方法，主要的解调方法是令通过直流滤波的干涉信号一路直接进行低通滤波；另一路和一倍频载波混频后低通滤波，而后通过数字补偿、数字解调改进的运算单元来实现对被测信号的解调。本公开与已有的解调方法及装置相比，解调结果中不含有关于调制深度C有关的贝塞尔函数项，消除了调制深度、光源信号强度干扰、直流分量对解调结果的影响，获得了更高的线性度；打破了基频混频只适用于小信号检测的局限性；提高了解调精度；显著提高了解调响应时间。

具体包括以下步骤：

第一步：令干涉信号I通过直流滤波器滤除直流项后通过低通滤波器(LPF1)处理后的一路信号表示为：

干涉信号经过直流滤波器而后与基频信号混频后通过低通滤波器

(LPF2)的一路信号表示为：

其中，B是交流项幅度，正比于光源输出光功率；J₀(C)和J₁(C)是贝塞尔函数展开式的系数；是被测信号作用在干涉仪上产生的相位差；t表示时间；φ₀表示外界环境影响产生的相位差、初始相位差以及其他因素产生的相位差之和；表示模拟解调引入的相位噪声。k₁,k₂表示模拟解调引入的失调电压。

第二步：本公开涉及的数字补偿通过失调补偿单元和相位补偿单元对由模拟解调造成的失调量和相位噪声进行补偿，数字补偿之后的两路信号分别表示为：

第三步：将公式(3)，(4)表示的两路信号在混频器[8]处相乘得：

对相乘后的干涉信号(5)在[11]处进行微分处理：

将公式(3)表示的信号在混频器[9]处倍频即公式3表示的信号和自身相乘得：

将公式(4)表示的信号在混频器[10]处倍频得：

对两路倍频的信号(7)，(8)进行差分处理后，在[12]处的干涉信号表示为：

在本申请的该实施例子中，混频处理和传统PGC微分交叉相乘中的混频相类似，克服外界干扰会发生随机相位衰落，将待测信号和低频干扰信号的频带分开，有利于噪声的分离,进一步解调出被测信号。

使调制深度C约等于1.44时，J₁(C)与J₀(C)的值相等(J₁(C)＝J₀(C))则式(9)可表示为：

将微分后的信号(6)与差分后的信号(9)在[13]处作除后积分可得:

表示最后相位解调后的直接相位表示信号。

在具体实施例子中，所述失调补偿单元，具体的实现方法为：

第一步：使用单频余弦信号输入到模拟解调，该信号可以表示为：

cos(ωt) (12)

其中，ω表示信号角频率；t表示时间。

信号(12)和其一倍频载波信号同时输入到模拟解调，信号分别表示为cos(ωt)和cos(ω_ct)，ω_c是载波频率，经过模拟解调后信号变为：

其中，k₁、k₂表示模拟解调引入的失调电压，均为常数；表示模拟解调引入的相位噪声，均为常数；

第二步：首先设置失调补偿单元的2个加法器的变量为a₁、a₂，则式(13)、(14)变为：

第三步：经过低通滤波后，式(15)、(16)变为：

k₁+a₁ (17)

k₂+a₂ (18)

第四步：控制器根据低通滤波后的数值，调节两个加法器的变量，直到使式(17)、(18)为0。

第五步：保持加法器数值不变，接入干涉信号和载波信号到模拟解调，对被测信号进行相位解调，此时失调补偿单位消除了前级模拟解调引入的失调量。

在具体实施例子中，所述相位补偿单元，具体实现方法为：

使用单频余弦信号代替干涉信号输入到模拟解调，该信号可以用式(12)表示。

信号(12)和一倍频载波信号同时输入到模拟解调，经过模拟解调后变为式(13)、(14)；

经过失调补偿单元后信号变为：

设置相位补偿单元的两个延迟器的变量为τ₁、τ₂，则式(19)、(20)变为：

经过乘法器，变为：

经过低通滤波，变为：

控制器根据低通滤波后的数值，调节2个延迟器的变量，直到使式(24)为0，

保持延迟器数值不变，接入干涉信号和载波信号到模拟解调，对被测信号进行相位解调，此时相位补偿单位消除了前级模拟解调引入的相位噪声。

本公开的另一实施例子公开了干涉型光纤传感系统，通过上述的基于相位生成载波的解调装置或方法解调光强中的相位信号，将相位测量变化反演来实现对待测物理量的间接测量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种基于相位生成载波的解调装置，其特征是，包括：

2.如权利要求1所述的一种基于相位生成载波的解调装置，其特征是，上述混频器均为双通道的混频器。

3.如权利要求1所述的一种基于相位生成载波的解调装置，其特征是，所述数字补偿部分包括依次顺序连接的数据采集卡，失调补偿单元和相位补偿单元，数据采集卡、失调补偿单元和相位补偿单元均是双通道，数字补偿部分的输入与模拟解调部分的输出端连接，数字补偿部分的输出端与数字解调部分的输入端连接。

4.如权利要求1所述的一种基于相位生成载波的解调装置，其特征是，微分器、减法器的输出为单路，除法器、积分器和高通滤波器均是单通道。

5.如权利要求3所述的一种基于相位生成载波的解调装置，其特征是，所述失调补偿单元用于调节2路数字信号的直流偏置量，消除模拟解调引入的失调量；失调补偿单元包括2个加法器，2个低通滤波器LPF3、LPF4和1个控制器，2个加法器的输入连接前级数据采集卡的2路输出；2个加法器的输出连接2个低通滤波器LPF3、LPF4的输入，同时作为失调补偿单元的输出；2个低通滤波器LPF3、LPF4的输出连接控制器；控制器的输出连接2个加法器、，对加法器变量进行设置。

6.如权利要求3所述的一种基于相位生成载波的解调装置，其特征是，所述相位补偿单元包括2个延迟器，1个混频器M5，1个低通滤波器LPF5和1个控制器，2个延迟器的输入分别连接前级失调补偿单元的2路输出；2个延迟器的输出连接到混频器M5的输入，同时作为相位补偿单元的输出；混频器M5、低通滤波器LPF5和控制器依次顺序连接；控制器的输出连接到2个延迟器。

7.一种基于相位生成载波的解调方法，其特征是，包括：

8.如权利要求7所述的一种基于相位生成载波的解调方法，其特征是，使信号中调制深度C约等于1.44时，J₁(C)与J₀(C)的值相等，J₀(C)和J₁(C)是贝塞尔函数展开式的系数。

9.干涉型光纤传感系统，通过权利要求1-6任一所述的基于相位生成载波的解调装置解调光强中的相位信号，将相位测量变化反演来实现对待测物理量的间接测量。

10.干涉型光纤传感系统，通过权利要求7所述的基于相位生成载波的解调方法解调光强中的相位信号，将相位测量变化反演来实现对待测物理量的间接测量。