CN110411334A - 一种改进的相位载波pgc解调方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的相位载波PGC解调方法及系统，涉及光纤干涉仪测量领域，解决了由于MZ结构两臂的载波信号与扰动信号之间产生的时间延迟和干涉信号因模数转换会与倍频信号发生不同步的问题，其技术方案要点是基于马赫‑曾德尔干涉结构，在干涉仪后端连接3×3耦合器输出三路干涉信号，对输出的其中两路信号进行数学变换作为基频信号和二倍频信号，另一路作为待解调信号，使混频信号和待解调信号从干涉仪中同步输出，并使用PGC解调反正切算法进行小信号解调，本发明的方法及系统两路混频信号不需要在光路或算法中额外引入，降低了结构复杂度，减小相位偏移和直流漂移对解调的影响。

Description

一种改进的相位载波PGC解调方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤干涉仪测量，特别涉及一种改进的相位载波PGC解调方法及系统。

背景技术

光纤传感器具有稳定性好、应用场景比较灵活、可靠性高等特点，所以广泛应用于高温、易燃易爆易腐蚀等恶劣环境中。其中，马赫-曾德尔作为干涉型的分布式光纤传感系统，其高灵敏度和准确定位外部扰动的优势被广泛应用于周界安防领域。目前，信号解调是光纤传感器系统的一个重点研究方向，而干涉法解调是最常用的解调方法之一，其中包含有3×3光纤耦合器解调法与相位生成载波解调法。3×3耦合器的缺点是输出受光强不稳定和偏振态衰落影响，导致三路输出相位不成120°，解调效果不理想。而PGC解调技术有利于远距离传送信号的全光纤化的特点，而且该技术相比于3×3耦合器解调对低频环境更加敏感，可用于解调1Hz以下的扰动。干涉型光纤水听器就是依靠PGC解调技术在工程领域得到广泛应用，它结构简单，便于复用，同时利用解调算法可以消除光强扰动和调制深度的影响，在遥感定位、无源检测中等方面有广阔前景。

PGC算法优点在于低噪声且对低频信号响应好，但是在马赫曾德尔(MZ)干涉结构中由于MZ两臂不能保证等长，使载波信号与扰动信号之间易产生时间延迟且干涉信号因模数转换会与倍频信号发生不同步问题，而且两路倍频信号需要在光路或算法中额外引入，增加了结构复杂性。清华大学张敏等人在基于PGC原理的光纤水听器在降噪方面对此作了深入的研究，包括独立水听器与复用水听器阵列。美国海军实验室的Michael Amaral等人提出的水听器校正系统对PGC如何抑制直流漂移作了分析。但是，他们都没有针对时延问题和相位漂移抑制作出分析。中船715研究所谢勇提出一种便携式多功能光纤水听器信号解调方法将PGC解调方法与3×3固定相移解调方法固化到一个装置中，不过该方法还需要实时考虑耦合器对称性，所以在实用性方面增加了难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的相位载波PGC解调方法及系统，解决了由于MZ结构两臂的载波信号与扰动信号之间产生的时间延迟和干涉信号因模数转换会与倍频信号发生不同步的问题，并且能减小相位偏移和直流漂移对解调的影响。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种改进的相位载波PGC解调方法，包括有以下步骤：

激光光源基于马赫-曾德尔干涉结构产生初始扰动信号和载波信号；

初始扰动信号和载波信号通过3×3耦合器输出三路信号，分别进行变化作为干涉信号、基频信号及二倍频信号；

将三路信号经对应滤波器及运算，得到最终的扰动信号。

作为优选，具体步骤如下：

两个电压陶瓷在电压驱动下，在马赫-曾德尔干涉仪中分别产生初始扰动信号和载波信号；

通过干涉仪末端连接的3×3耦合器输出三路信号，其中得到一路干涉信号，对输出的另外两路信号进行数学变换作为基频信号和二倍频信号；

将基频信号和二倍频信号分别与干扰信号进行混频并经过低通滤波器，利用反正切算法和高通滤波器运算，最终得到所需检测的扰动信号。

作为优选，光电探测器通过3×3耦合器输出三路信号分别为

第一路信号：

第二路信号：

第三路信号：

其中，D为直流分量，E为交流分量幅度，它们均正比于光源功率；表示初始扰动信号，其中A表示初始扰动信号幅值，w_s表示初始扰动信号角频率，表示外界干扰的初始相位，w₀表示载波频率，C表示调制深度。

作为优选，对3×3耦合器输出的三路信号处理步骤具体如下：

第二路信号作为干扰信号；

对第一路信号依次进行去直流、反余弦平方得到二倍频信号，并再与作为干扰信号的第二路信号进行混频；

对第三路信号依次进行去直流、反余弦得到基频信号，并再与作为干扰信号的第二路信号进行混频。

作为优选，通过获得的基频信号和二倍频信号获取最终扰动信号的具体处理步骤如下：

分别将混频后的基频信号和二倍频信号通过低通滤波器滤除高频成分，分别得到；

式中，M为变换后的一倍频的幅值量，N为变换后的二倍频的幅值量，M、N均是含C的量，大小取决于C的取值，为待解调信号和噪声信号，J₁(C)为第一类1阶Bessel函数，J₂(C)为2阶Bessel函数；

通过P(t)和Q(t)构造正切函数：

对构造的正切进行反正切和高通滤波器后得到扰动信号的输出函数。

一种改进的相位载波PGC解调系统，包括有

激光器，发射输出激光光源；

马赫-曾德尔干涉结构，接收激光光源并产生初始扰动信号和载波信号；

3×3耦合器，接收初始扰动信号及载波信号，根据同一干涉仪同步输出基频信号、二倍频信号及进行混频的干扰信号

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、由于三路由于干涉信号和基频倍频信号都从同一个干涉仪中同步输出，没有混频信号之间时间延迟的影响；

2、基频倍频信号都从干涉仪中输出，不需要在算法或光路中额外引入，降低结构复杂度；

3、相比交叉相乘算法，利用反正切算法解调小信号，算法中的除法运算可以减小相位漂移和直流漂移影响。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为大小为1V,1000Hz的扰动信号时域图；

图3为传统结构中载波信号与扰动信号有0.02s时间延迟下交叉相乘算法解调信号时域图；

图4为传统结构中载波信号与扰动信号有0.02s时间延迟下反正切算法解调信号时域图；

图5为本发明载波信号与扰动信号有0.02s时间延迟下的解调信号时域图；

图6为本发明载波信号与扰动信号有0.02s时间延迟下的解调信号频域图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

根据一个或者多个实施例，如图1所示，一种改进的相位载波PGC解调系统，该系统包括发出激光光源的激光器、进行干涉输出初始扰动信号及载波信号的马赫-曾德尔干涉结构、3×3耦合器。具体沿着信号的传输方向，依次包括有激光光源、衰减器、耦合器、压电陶瓷、3×3耦合器、光电二极管、低通滤波器、高通滤波器。通过马赫-曾德尔干涉结构，从同一干涉仪中同步输出干涉信号、基频信号和二倍频信号，没有混频时信号之间时间延迟的影响，且基频倍频信号都从干涉仪中输出，不需要在算法或光路中额外引入，降低结构复杂度。

根据一个或者多个实施例，如图1所示，一种改进的相位载波PGC解调方法，具体步骤如下：

两个压电陶瓷在电压驱动下，在马赫-曾德尔干涉仪中分别产生扰动信号和载波信号，通过干涉仪末端连接的3×3耦合器输出得到一路干涉信号，对输出的另外两路信号进行反余弦和平方等数学变换作为基频信号和二倍频信号，然后将这三路信号经混频、低通滤波器后，利用反正切算法和高通滤波器运算，最终得到所需检测的扰动信号。

光电探测器通过3×3耦合器输出三路信号分别为

第一路信号：

第二路信号：

第三路信号：

其中，D为直流分量，E为交流分量幅度，它们均正比于光源功率；表示初始扰动信号，其中A表示初始扰动信号的幅值，w_s表示初始扰动信号的角频率，表示外界干扰的初始相位，w₀表示载波频率，C表示调制深度。

对3×3耦合器输出的三路信号处理步骤具体如下：

第二路信号作为干扰信号；对第一路信号依次进行去直流、反余弦平方得到二倍频信号，并再与作为干扰信号的第二路信号进行混频；对第三路信号依次进行去直流、反余弦得到基频信号，并再与作为干扰信号的第二路信号进行混频。

分别将混频后的基频信号和二倍频信号通过低通滤波器滤除高频成分，分别可以得到；

式中，M为变换后的一倍频的幅值量，N为变换后的二倍频的幅值量，M、N均是含C的量，大小取决于C的取值，为待解调信号和噪声信号，J₁(C)为第一类1阶Bessel函数，J₂(C)为2阶Bessel函数；通过P(t)和Q(t)构造正切函数：

对构造的正切函数进行反正切和高通滤波器后得到扰动信号的输出函数OUT：

OUT＝IA cos w_s t

式中I为常数，取决于调制深度C的取值。

图1为本发明的一种改进的相位载波PGC解调方法的结构原理图，其中利用反正切算法对信号进行解调，为了达到高信噪比激光器采用RIO公司生产的波长为1550nm窄线宽激光器，输出功率为10mW，线宽为3kHz，利用美国NI公司的usb-6251型数据采集卡，可与Labview兼容，1.25MS/s的单通道采样率，16路模拟输入通道。光信号从激光器输出，通过衰减器以防止光功率过大使光电探测器产生饱和，两个压电陶瓷PZT分别置于干涉仪两臂，起到模拟扰动信号和产生载波信号的作用。

图2为本发明的一种改进的相位载波PGC解调方法的扰动信号时域图，模拟解调大小为1V,1000Hz的扰动信号，同时对采集到的波形用matlab进行数值模拟分析，其中D和E都取1，载波频率设置为58kHz，调制深度C为2。

模拟传统结构在载波信号与扰动信号有0.02s时间延迟下，交叉相乘算法和反正切算法的解调结果，从图3、4中发现解调结果完全失真，而且交叉相乘算法相比反正切算法还有漂移现象产生，是由于时间延迟引起的相位延迟项产生相位漂移，交叉相乘算法中仍会产生相位延迟项，而对于小信号反正切算法利用除法运算可以消去相位延迟项，减小漂移影响。所以，在本发明中采用反正切算法解调。

从图5、6看出，本发明的一种改进的相位载波PGC解调方法在有延迟下，也能准确解调扰动信号，从频域上看信噪比可达60dB。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种改进的相位载波PGC解调方法，其特征是，包括有以下步骤：

激光光源基于马赫-曾德尔干涉结构产生初始扰动信号和载波信号；

初始扰动信号和载波信号通过3×3耦合器输出三路信号，分别进行变化作为干涉信号、基频信号及二倍频信号；

将三路信号经对应滤波器及运算，得到最终的扰动信号。

2.根据权利要求1所述的改进的相位载波PGC解调方法，其特征是，具体步骤如下：

两个电压陶瓷在电压驱动下，在马赫-曾德尔干涉仪中分别产生初始扰动信号和载波信号；

通过干涉仪末端连接的3×3耦合器输出三路信号，其中得到一路干涉信号，对输出的另外两路信号进行数学变换作为基频信号和二倍频信号；

将基频信号和二倍频信号分别与干扰信号进行混频并经过低通滤波器，利用反正切算法和高通滤波器运算，得到所需检测的扰动信号。

3.根据权利要求2所述的改进的相位载波PGC解调方法，其特征是：光电探测器通过3×3耦合器输出三路信号分别为

第一路信号：

第二路信号：

第三路信号：

其中，D为直流分量，E为交流分量幅度，它们均正比于光源功率；表示初始扰动信号，其中A表示初始扰动信号幅值，w_s表示初始扰动信号角频率，表示外界干扰的初始相位，w₀表示载波频率，C表示调制深度。

4.根据权利要求3所述的改进的相位载波PGC解调方法，其特征是，对3×3耦合器输出的三路信号处理步骤具体如下：

第二路信号作为干扰信号；

对第一路信号依次进行去直流、反余弦平方得到二倍频信号，并再与作为干扰信号的第二路信号进行混频；

对第三路信号依次进行去直流、反余弦得到基频信号，并再与作为干扰信号的第二路信号进行混频。

5.根据权利要求4所述的改进的相位载波PGC解调方法，其特征是，通过获得的基频信号和二倍频信号获取最终扰动信号的具体处理步骤如下：

分别将混频后的基频信号和二倍频信号通过低通滤波器滤除高频成分，分别得到；

式中，M为变换后的一倍频的幅值量，N为变换后的二倍频的幅值量，M、N均是含C的量，大小取决于C的取值，为待解调信号和噪声信号，J₁(C)为第一类1阶Bessel函数，J₂(C)为2阶Bessel函数；

通过P(t)和Q(t)构造正切函数：

对构造的正切函数进行反正切和高通滤波器后得到扰动信号的输出函数。

6.一种改进的相位载波PGC解调系统，其特征是：包括有

激光器，发射输出激光光源；

马赫-曾德尔干涉结构，接收激光光源并产生初始扰动信号和载波信号；

3×3耦合器，接收初始扰动信号及载波信号，根据同一干涉仪同步输出基频信号、二倍频信号及进行混频的干扰信号。