CN110530496B - 一种基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法，包括以下步骤：首先，对激光光源进行调制、干涉，获取带有相位调制的激光干涉光强I_s；之后通过三步移相法并根据对应位置时间的差别对激光干涉光强I_s进行标定，获得三步移相光强信号I₁’、I₂’、I₃’；接着对I₁’、I₂’、I₃’进行频谱分析、低通滤波获得新的三步移相光强信号I₁、I₂、I₃；然后利用反正切法对I₁、I₂、I₃进行处理，获得激光干涉光强的相位信息θ″；最后对θ″进行带通滤波，获取外界振动信号

完成解调。本发明的方法复杂度低、效率高、抗噪声能力强，能正确的解调出外界振动信号，具有很好的应用前景。

Description

一种基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法。

背景技术

以光纤为传输载体的光纤传感器具有抗电磁干扰、高灵敏度、易于实现对恶劣环境的检测等优点，所以低频高灵敏度的光纤加速度传感器广泛应用于地震监测、石油勘探和建筑物的振动监测等。实际传感器系统中存在着很多噪声干扰，例如光源抖动噪声，光源频率噪声等等，因此对噪声能力的抵抗是信号检测技术重要的参考因素之一。目前国内外报道了基于各种原理的光纤传感器，其中干涉型光纤传感器凭借其高灵敏度的优势被认为是最有发展前途的。而传统的二元脉冲相位调制解调方法在抗噪声能力方面有所欠缺，在信号中含有噪声信息时难以解调出正确的相位信息、外界振动信号。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法，包括以下步骤：

步骤1、对激光光源进行调制、干涉，获取带有相位调制的激光干涉光强I_s；

步骤2、通过三步移相法并根据对应位置时间的差别对所述激光干涉光强I_s进行标定，获得三步移相光强信号分别为I₁’、I₂’、I₃’；

步骤3、对步骤2得到的所述三步移相光强信号I₁’、I₂’、I₃’进行频谱分析，并对I₁’、I₂’、I₃’进行低通滤波，获得滤波后的三步移相光强信号分别为I₁、I₂、I₃；

步骤4、利用反正切法对步骤3得到的所述滤波后的三步移相光强信号I₁、I₂、I₃进行处理，获得激光干涉光强的相位信息θ”；

步骤5、对步骤4得到的所述干涉光强的相位信息θ”进行带通滤波，获取外界振动信号

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的方法简单、复杂度低，容易执行；2)本发明的方法抗噪声能力强，能很好的解调出正确的外界振动信号；3)本发明能很好的适用于中低频加速度传感器相位信号的检测；4)本发明的方法解调效率高。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法的流程图。

图2为本发明所用迈克尔逊干涉仪相位解调原理图。

图3为本发明中不同阶数的贝瑟尔函数值示意图。

图4为本发明含有直流项噪声光强信号的频谱图。

图5为本发明直流项解调出的直流项相位噪声信号示意图。

图6为本发明直流项噪声低通滤波后得到的振动信号示意图。

图7为本发明直流项噪声谱图。

图8为本发明含有振幅项噪声光强信号的频谱图。

图9为本发明振幅项噪声幅度图。

图10为本发明振幅项噪声低通滤波后得到的振动信号示意图。

图11为本发明振幅项噪声谱图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法，包括以下步骤：

步骤1、对激光光源进行调制、干涉，获取带有相位调制的激光干涉光强I_s。其中，干涉采用的是迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪相位解调原理如图2所示，激光器发出的相干光经过隔离器、相位调制器后，由2×2耦合器分成两路光分别进入干涉仪的参考臂和干涉臂，两路光经过法拉第旋光镜反射后，从耦合器的另一端输出，输出的干涉光强信号由光电探测器接收。采用法拉第旋光镜可以克服偏振衰落，结构简单，价格低廉。具体为：

步骤1-1、通过相位调制器产生二元矩形脉冲调制信号，利用该二元矩形脉冲调制信号对激光光源进行调制；

步骤1-2、对步骤1-1调制后的激光光源进行干涉，并获取带有相位调制的激光干涉光强I_s为：

式中，A为直流项，B为干涉相幅值，

为初始相位，

为环境噪声，

为外界振动信号，

为相位调制器产生的相位调制信号；其中，相位调制信号

为：

式中，τ为矩形脉冲宽度，T为矩形脉冲周期，k为整数，t为时间。

步骤2、通过三步移相法并根据对应位置时间的差别对激光干涉光强I_s进行标定，获得三步移相光强信号分别为I₁’、I₂’、I₃’。其中三步移相光强信号的获得利用了迈克尔逊干涉仪两干涉臂之间存在长度差的特点。

令

并将式(2)代入式(1)则获得的三步移相光强信号I₁’、I₂’、I₃’具体为：

式中，A为直流项，B为干涉相幅值，τ为矩形脉冲宽度，T为矩形脉冲周期，k为整数，t为时间，

为初始相位，

为环境噪声，

为外界振动信号。

步骤3、对步骤2得到的三步移相光强信号I₁’、I₂’、I₃’进行频谱分析，并对I₁’、I₂’、I₃’进行低通滤波，获得滤波后的三步移相光强信号分别为I₁、I₂、I₃。具体为：

步骤3-1、对三步移相光强信号I₁’、I₂’、I₃’进行频谱分析，获取低通滤波的截止频率ω₀；设外界振动信号的周期为T₁，在实际使用过程中，二元矩形脉冲调制信号频率很高，满足T<<T₁，认为在调制周期T内，振动信号在时间上保持不变。该步骤具体为：

步骤3-1-1、获取激光干涉光强I_s的最大频率上限ω_Dmax；具体为：

步骤3-1-1-1、令

其中θ'为噪声项，

为外界振动信号，D为外界振动信号的振幅；

步骤3-1-1-2、通过贝塞尔函数将有效振动信号

展开：

式中，k'为贝塞尔函数阶数，J₀(D)、J_2k'(D)、J_2k'+1(D)分别为第一类0阶、2k'阶、2k'+1阶贝塞尔函数；

步骤3-1-1-3、获取第一类α阶贝塞尔函数展开式：

对于不同x值，不同阶数的贝瑟尔函数值如图3所示；

根据有效振动信号I'_s的振幅上限D_m，确定一个特定的贝塞尔函数J_α(D_m)，并绘制J_α(D_m)随α变化曲线，根据J_α(D_m)随α变化曲线获取J_α(D_m)最小值所对应的α，记为α_min；

步骤3-1-1-4、将步骤3-1-1-3的α_min代入式

中，由此获得激光干涉光强I_s的最大频率上限ω_Dmax。

步骤3-1-2、结合低通滤波器的过渡带△ω，获取低通滤波的截止频率ω₀＝ω_Dmax+△ω。

步骤3-2、通过步骤3-1获得的低通滤波的截止频率ω₀对三步移相光强信号I₁’、I₂’、I₃’进行低通滤波，将频率成分在ω₀以上的部分全部滤除，获得滤波后的三步移相光强信号分别为I₁、I₂、I₃。

步骤4、利用反正切法对步骤3得到的滤波后的三步移相光强信号I₁、I₂、I₃进行处理，获得激光干涉光强的相位信息θ”：

θ”＝arctan((I₁-I₃)/(2I₂-(I₁+I₃)))。 (6)

步骤5、对步骤4得到的干涉光强的相位信息θ”进行带通滤波，获取外界振动信号

从而完成解调。

光纤传感解调过程中会受到信号中噪声的影响，下面将对本发明解调方法的抗噪声能力、解调出的外界振动信号准确度进行测试。

存在噪声的三步移相光强信号I_s表示为：

令直流项A＝0，干涉相幅值B＝1，则上式(7)简化为：

令

则上式(8)简化为：

I(t)＝B_a(t)cos(I_s')+i_n(t) (9)

上式(7)(8)(9)中，

为有效振动信号；B_a(t)为振幅项噪声，i_n(t)为直流项噪声，

为初始相位，

为环境噪声，

为外界振动信号。

由上可知，信号中的噪声分为直流项噪声和振幅项噪声，将对具体噪声影响下的光强信号进行分析：

(1)考虑直流项噪声

上式(8)表达式则表示为：

其中，i_n(t)＝k_ncos(ω_nt)为直流噪声分量；对ω_s＝100Hz，D＝1，k_n＝0.1，ω_n＝10000Hz的光强信号进行仿真，此时I(t)的频谱图如图4所示，有效振动信号的光强分布在低频部分、100Hz及其倍频成分，其频谱展宽上限低于1500Hz；噪声频谱在10000Hz，振动信号和噪声信号完全分离，解调出的相位噪声信号如图5所示，噪声分布在振动信号频段(1000Hz以下)、噪声频段10Khz附近以及噪声倍频段；噪声在低频、噪声频段及其倍频处都产生噪声影响，最大噪声达到了-73.66db。

通过低通滤波去除10000Hz处的噪声，解调得到外界振动信号如图6所示，解调出的相位信息与理论很接近；噪声谱如图7所示，噪声在低频、噪声频段及其倍频段产生的噪声都得到了有效降低。

(2)考虑振幅项噪声

上式(8)表达式可表示为：

其中，B_a(t)＝1+k_acos(ω_at)为振幅噪声分量，根据有效振动信号频率上限ω_sm和振幅上限D_m，根据J_α(D_m)随α的变化曲线找出可以忽略不计的最小值α_min，从而得出振动光强的最大频率上限ω_Dmax。考虑滤波器的过渡带△ω，则此时频率成分在ω_Dmax+△ω以上的部分可通过滤波去除，从而降低其带来的噪声。对ω_s＝100Hz，D＝1，k＝0.1，ω_a＝10000Hz的光强信号进行仿真，此时I(t)的频谱图如图8所示；噪声幅度如图9所示，噪声分布在振动信号频段(1000Hz以下)、噪声频段10Khz附近以及噪声倍频段；在低频部分1000Hz最大值在得到-151.7db。在噪声频段及其倍频的最大噪声达到了-77.31db。通过低通滤波去除10000Hz噪声产生的频谱成分，解调得到外界振动信号如图10所示，噪声谱如图11所示，噪声在低频、噪声频段及其倍频段产生的噪声都得到了有效降低。

通过上述分析可知，对于两种噪声，当噪声产生的频段与信号产生的频谱展宽不互相重叠时，可通过低通滤波滤除噪声信号部分，有效降低噪声影响。

由上述式(4)可知，I'_s信号中包含了无穷多个振动信号的高次频率分量，其幅度为J_k'(D)，随着贝塞尔函数阶数k'的增加而减小，第一类α阶贝塞尔函数展开式如式(5)。从式(5)可知，J_α(x)的值与α和x有关，其形状大致按与

衰减的正弦函数类似，可知对于α阶贝塞尔函数，对于给定的x，J_α(x)最终会衰减到接近0，然后可忽略不计，随着x增大，其趋近于0的速度越慢。对于外界振动信号

一般为中低频段，假设有效振动信号的频率上限为ω_sm，振幅上限为D_m。故可根据J_α(D_m)随α的变化曲线找出可以忽略不计的最小值α_min(一般认为J_α(D_m)≤10^-7可以忽略不计，此时的噪声水平等效于-140db)，从而得出振动光强的最大频率上限ω_Dmax。考虑滤波器的过渡带△ω，则此时频率成分在ω_Dmax+△ω以上的部分可通过滤波去除，从而降低其带来的噪声。例如假设ω_sm＝1000Hz；D_m＝100rad；则其最大频率成分ω_Dmax＝130KHz，令△ω＝2KHz。则可以定义滤波的下限为15KHz，将该频率以上的成分滤除。

综上可知，本发明能够很好的滤除噪声，抗噪声能力强，且解调出的外界振动信号准确度高，与理论值基本接近。

本发明的一种基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法，能够对振幅项和直流项的噪声进行清楚地辨别，并通过低通滤波器去除信号中的噪声，有效的降低了高频噪声信号对最终相位信号带来的影响，从而正确的解调出外界振动信号。

Claims (4)

1.一种基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对激光光源进行调制、干涉，获取带有相位调制的激光干涉光强I_s；

步骤2、通过三步移相法并根据对应位置时间的差别对所述激光干涉光强I_s进行标定，获得三步移相光强信号分别为I₁’、I₂’、I₃’；

步骤3、对步骤2得到的所述三步移相光强信号I₁’、I₂’、I₃’进行频谱分析，并对I₁’、I₂’、I₃’进行低通滤波，获得滤波后的三步移相光强信号分别为I₁、I₂、I₃；具体为：

步骤3-1、对三步移相光强信号I₁’、I₂’、I₃’进行频谱分析，获取低通滤波的截止频率ω₀；具体为：

步骤3-1-1、获取激光干涉光强I_s的最大频率上限ω_Dmax；具体为：

步骤3-1-1-1、令

其中θ'为噪声项，

为外界振动信号，D为外界振动信号的振幅；

步骤3-1-1-2、通过贝塞尔函数将有效振动信号

展开：

式中，k'为贝塞尔函数阶数，J₀(D)、J_2k'(D)、J_2k'+1(D)分别为第一类0阶、2k'阶、2k'+1阶贝塞尔函数；

步骤3-1-1-3、获取第一类α阶贝塞尔函数展开式：

根据有效振动信号I'_s的振幅上限D_m，确定一个特定的贝塞尔函数J_α(D_m)，并绘制J_α(D_m)随α变化曲线，根据J_α(D_m)随α变化曲线获取J_α(D_m)最小值所对应的α，记为α_min；

步骤3-1-1-4、将步骤3-1-1-3的α_min代入式

中，由此获得激光干涉光强I_s的最大频率上限ω_Dmax；

步骤3-1-2、结合低通滤波器的过渡带Δω，获取低通滤波的截止频率ω₀＝ω_Dmax+Δω；

步骤3-2、通过步骤3-1获得的低通滤波的截止频率ω₀对三步移相光强信号I₁’、I₂’、I₃’进行低通滤波，获得滤波后的三步移相光强信号分别为I₁、I₂、I₃；

步骤4、利用反正切法对步骤3得到的所述滤波后的三步移相光强信号I₁、I₂、I₃进行处理，获得激光干涉光强的相位信息θ”；

步骤5、对步骤4得到的所述干涉光强的相位信息θ”进行带通滤波，获取外界振动信号

从而完成解调。

2.根据权利要求1所述的基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法，其特征在于，步骤1对激光光源进行调制、干涉，获取带有相位调制的激光干涉光强I_s具体为：

步骤1-1、通过相位调制器产生二元矩形脉冲调制信号，利用该二元矩形脉冲调制信号对激光光源进行调制；

步骤1-2、对步骤1-1调制后的激光光源进行干涉，并获取带有相位调制的激光干涉光强I_s为：

式中，A为直流项，B为干涉相幅值，

为初始相位，

为环境噪声，

为外界振动信号，

为相位调制器产生的相位调制信号；

其中，相位调制信号

为：

式中，τ为矩形脉冲宽度，T为矩形脉冲周期，k为整数，t为时间。

3.根据权利要求1所述的基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法，其特征在于，步骤2获得的三步移相光强信号I₁’、I₂’、I₃’具体为：

令

则

式中，A为直流项，B为干涉相幅值，τ为矩形脉冲宽度，T为矩形脉冲周期，k为整数，t为时间，

为初始相位，

为环境噪声，

为外界振动信号。

4.根据权利要求1所述的基于数字滤波和二元脉冲调制的光纤传感解调方法，其特征在于，步骤4获得激光干涉光强的相位信息θ”所用公式具体为：

θ”＝arctan((I₁-I₃)/(2I₂-(I₁+I₃)))。

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