CN112611443A - 一种基于pgc的相位解调装置及其方法 - Google Patents

一种基于pgc的相位解调装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于PGC的相位解调装置，包括：激光器、耦合器、法拉第旋镜、光电探测器、数据采集卡以及上位机解调组件，其中，上位机解调组件包括第一乘法器、第二乘法器、低通滤波器、第三乘法器、微分器、第四乘法器、除法器、开方器、积分器以及高通滤波器。本发明还提供了一种相位解调方法，包括：激光通过传感光纤进入耦合器后分两路分别经过传感臂以及参考臂后入射到两个法拉第旋镜发生发射，而后在耦合器中发生干涉，得到干涉信号；光电探测器接收干涉信号并由数据采集卡采集后分为两路进行基频和二倍频的混合操作，得到两路混频信号；两路混频信号进入上位机组件进行解调，得到解调后的振动信号。

Description

一种基于PGC的相位解调装置及其方法
技术领域
本发明属于振动信号解调技术领域，具体涉及一种基于PGC的相位解调装置及其方法。
背景技术
振动现象在日常生活中无处不在，而当振动的频率、次数、范围等发生异样时，往往预示着某种事件的发生，因此，可以通过对振动进行监测，来实现各类异常事件的警示，如地震、海啸等，所以，振动的监测已然成为光纤传感技术中较为重要的研究领域和未来研发的方向。
光纤是由掺杂的二氧化硅制成的光导纤维，由于全反射效应，光信号在光纤中传输损耗极低，光纤逐渐成为长距离信息传递的首选。得益于此，以光纤作为传感器主体的光纤传感技术，能够适应非常极端的环境，并且能够保证传感器在该环境下正常地运行。分布式光纤振动传感技术根据原理分为两种，即可以分为干涉型和瑞利散射型。其中，干涉型是用于监测干涉光信号，光纤干涉仪对光相位的变化非常敏感，此类型是利用这一特性来进行信号的监测。其灵敏度高，当光的相位发生变化时，可以通过解调相位来检测振动。
目前相位解调算法主要是相位生成载波技术，其包括调制和解调两大部分，其中调制部分主要分为内调制和外调制；而解调常见的方法又分为微分交叉相乘解调方法和反正切解调方法。这两种传统的方法会受到相位延迟和调制深度的影响，造成解调结果不佳，因此，需要一种能够解决相位延迟和调制深度的影响问题的装置及方法。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于PGC的相位解调装置及其方法。
本发明提供了一种基于PGC的相位解调装置，具有这样的特征，包括：激光器，用于发出激光；耦合器，通过光纤与激光器连接，用于将激光分成两路，分别进入与耦合器连接的传感臂与参考臂；两个法拉第旋镜，分别设置于传感臂以及参考臂的尾端，用于反射进入传感臂与参考臂的两路激光，使其在耦合器中发生干涉，从而产生干涉信号；光电探测器，通过光纤与耦合器连接，用于接收干涉信号；数据采集卡，与光电探测器连接，用于采集干涉信号，并将干涉信号分为两路，进行基频、二倍频的混合操作，得到两路混频信号；以及上位机解调组件，与数据采集卡连接，用于接收两路干涉信号并对其进行解调，从而得到解调后的振动信号，其中，上位机解调组件包括用于对一路干涉信号与基频相乘以得到一路混频信号的第一乘法器、用于对另一路干涉信号与二倍频相乘以得到另一路混频信号的第二乘法器、用于滤除两路混频信号中高频成分的低通滤波器、与低通滤波器连接的第三乘法器、与低通滤波器连接的微分器、与微分器连接的第四乘法器、与第四乘法器连接的除法器、与除法器连接的开方器、与开方器连接的积分器以及与积分器连接的用于滤除信号中低频成分的高通滤波器。
在本发明提供的基于PGC的相位解调装置中，还可以具有这样的特征：其中，耦合器为2×2的3dB的光纤耦合器。
在本发明提供的基于PGC的相位解调装置中，还可以具有这样的特征：其中，低通滤波器的数量以及微分器的数量均为两个。
本发明还提供了一种基于PGC的相位解调方法，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，激光通过传感光纤进入耦合器后分两路分别经过传感臂以及参考臂后入射到两个法拉第旋镜发生发射，而后在耦合器中发生干涉，得到干涉信号I；步骤2，光电探测器接收干涉信号I并由数据采集卡采集后，将干涉信号I分为两路进行基频和二倍频的混合操作，得到两路混频信号；步骤3，采用低通滤波器将两路混频信号中的高频信号滤除，得到滤波信号I1、I2；步骤4，采用第一乘法器将两路滤波信号I1、I2相乘，得到第一信号；步骤5，采用微分器分别对两路滤波信号I1、I2进行微分运算，而后采用第二乘法器进行乘法运算，得到第二信号；步骤6，采用除法器对第一信号以及第二信号进行除法运算，而后依次采用开方器和积分器进行开方运算和积分运算，得到第三信号；步骤7，采用高通滤波器滤除第三信号中的低频成分，得到解调后的振动信号。
在本发明提供的基于PGC的相位解调方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中的乘法运算公式为：
Figure BDA0002802823010000031
步骤5中的乘法运算公式为：
Figure BDA0002802823010000041
步骤6中的除法运算、开方运算以及积分运算的计算公式分别为：
Figure BDA0002802823010000042
Figure BDA0002802823010000043
Figure BDA0002802823010000044
上述式中，B表示为干涉信号的幅值，G、H为外加载波信号的幅值，C表示调制深度，
Figure BDA0002802823010000045
表示待测信号，J1(C)和J2(C)分别为1、2阶贝塞尔函数。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于PGC的相位解调装置及其方法，因为设置有法拉第旋镜，所以能够使激光反射至耦合器中发生干涉，从而得到干涉信号；因为设置有数据采集卡，所以能够采集干涉信号并将其分为两路进行基频、二倍频的混合操作，从而得到两路混频信号；因为设置有上位机解调组件，所以能够接收两路混频信号并对其进行解调，进而得到解调后的振动信号。
因此，本发明的基于PGC的相位解调装置结构简单，使用方便，采用本发明的装置进行相位解调时，方法便捷，能够消除相位延迟和调制深度对解调结果的影响。
附图说明
图1是本发明的实施例中基于PGC的相位解调装置的示意图；
图2是本发明的实施例中基于PGC的相位解调装置的上位机解调组件的架构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
如图1所示，本实施例提供一种基于PGC的相位解调装置100，包括：激光器1、耦合器2、法拉第旋镜3、光电探测器4、数据采集卡5以及上位机解调组件6。
激光器1用于发出激光。
耦合器2通过光纤与激光器1连接，用于将激光分成两路，分别进入与耦合器2连接的传感臂7与参考臂8。
本实施例中，耦合器2为2×2的3dB的光纤耦合器。
两个法拉第旋镜3，分别设置于传感臂7以及参考臂4的尾端，用于反射进入传感臂7与参考臂8的两路激光，使其在耦合器2中发生干涉，从而产生干涉信号。
光电探测器4通过光纤与耦合器2连接，用于接收干涉信号。
数据采集卡5与光电探测器4连接，用于采集干涉信号，并将干涉信号分为两路，进行基频、二倍频的混合操作，得到两路混频信号。
上位机解调组件6与数据采集卡5连接，用于接收两路混频信号并对其进行解调，从而得到解调后的振动信号。
如图2所示，上位机解调组件6包括用于对一路干涉信号与基频Gcosw0t相乘以得到一路混频信号的第一乘法器601、用于对另一路干涉信号与二倍频Hcos2w0t相乘以得到另一路混频信号的第二乘法器602、用于滤除信号中高频成分的低通滤波器603、与低通滤波器603连接的第一乘法器604、与低通滤波器603连接的微分器605、与微分器605连接的第二乘法器606、与第二乘法器606连接的除法器607、与除法器607连接的开方器608、与开方器608连接的积分器609以及与积分器609连接的用于滤除信号中低频成分的高通滤波器610。
本实施例中，低通滤波器603的数量以及微分器605的数量均为两个。
本实施例的基于PGC的相位解调装置进行相位解调时的具体方法如下：
步骤1，激光通过传感光纤进入耦合器2后分两路分别经过传感臂7以及参考臂8后入射到两个法拉第旋镜3发生发射，而后在耦合器2中发生干涉，得到干涉信号I。
本实施例中，干涉信号I的计算公式为：
Figure BDA0002802823010000061
其中，
Figure BDA0002802823010000062
式中，A为直流量，B表示为干涉信号的幅值，C表示调制深度，Ccos(ω0t)为载波信号，Dcos(ωst)为待测信号，Ecos(ωet)为低频噪声信号。
步骤2，光电探测器4接收干涉信号I并由数据采集卡5采集后，将干涉信号I分为两路进行基频和二倍频的混合操作，得到两路混频信号。
本实施例中，基频与二倍频的混合操作的具体计算公式如下：
Figure BDA0002802823010000071
Figure BDA0002802823010000072
Figure BDA0002802823010000073
步骤3，采用低通滤波器603将两路混频信号中的高频信号滤除，得到滤波信号I1、I2。
步骤4，采用第一乘法器604将两路滤波信号I1、I2相乘，得到第一信号。
步骤5，采用微分器605分别对两路滤波信号I1、I2进行微分运算，而后采用第二乘法器606进行乘法运算，得到第二信号。
步骤6，采用除法器607对第一信号以及第二信号进行除法运算，而后依次采用开方器608和积分器609进行开方运算和积分运算，得到第三信号。
步骤7，采用高通滤波器610滤除第三信号中的低频成分，得到解调后的振动信号。
本实施例中，步骤4中的乘法运算公式为：
Figure BDA0002802823010000081
步骤5中的乘法运算公式为：
Figure BDA0002802823010000082
步骤6中的除法运算、开方运算以及积分运算的计算公式分别为：
Figure BDA0002802823010000083
Figure BDA0002802823010000084
Figure BDA0002802823010000085
上述式中，B表示为干涉信号的幅值，G、H为外加载波信号的幅值，C表示调制深度，
Figure BDA0002802823010000086
表示待测信号，J1(C)和J2(C)分别为1、2阶贝塞尔函数，且
Figure BDA0002802823010000087
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的基于PGC的相位解调装置及其方法，因为设置有法拉第旋镜，所以能够使激光反射至耦合器中发生干涉，从而得到干涉信号；因为设置有数据采集卡，所以能够采集干涉信号并将其分为两路进行基频、二倍频的混合操作，从而得到两路混频信号；因为设置有上位机解调组件，所以能够接收两路混频信号并对其进行解调，进而得到解调后的振动信号。
因此，本实施例的基于PGC的相位解调装置结构简单，使用方便，采用本实施例的装置进行相位解调时，方法便捷，能够消除相位延迟和调制深度对解调结果的影响。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于PGC的相位解调装置，其特征在于，包括：
激光器，用于发出激光；
耦合器，通过光纤与所述激光器连接，用于将所述激光分成两路，分别进入与所述耦合器连接的传感臂与参考臂；
两个法拉第旋镜，分别设置于所述传感臂以及所述参考臂的尾端，用于反射进入所述传感臂与所述参考臂的两路激光，使其在耦合器中发生干涉，从而产生干涉信号；
光电探测器，通过光纤与所述耦合器连接，用于接收所述干涉信号；
数据采集卡，与所述光电探测器连接，用于采集所述干涉信号，并将所述干涉信号分为两路；以及
上位机解调组件，与所述数据采集卡连接，用于接收两路所述干涉信号并对其进行解调，从而得到解调后的振动信号，
其中，所述上位机解调组件包括用于对一路所述干涉信号与基频相乘以得到一路混频信号的第一乘法器、用于对另一路所述干涉信号与二倍频相乘以得到另一路混频信号的第二乘法器、用于滤除两路所述混频信号中高频成分的低通滤波器、与所述低通滤波器连接的第三乘法器、与所述低通滤波器连接的微分器、与所述微分器连接的第四乘法器、与所述第四乘法器连接的除法器、与所述除法器连接的开方器、与所述开方器连接的积分器以及与所述积分器连接的用于滤除信号中低频成分的高通滤波器。
2.根据权利要求1所述的基于PGC的相位解调装置，其特征在于：
其中，所述耦合器为2×2的3dB的光纤耦合器。
3.根据权利要求1所述的基于PGC的相位解调装置，其特征在于：
其中，所述低通滤波器的数量以及所述微分器的数量均为两个。
4.一种采用如权利要求1所述的基于PGC的相位解调装置进行相位解调的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，激光通过传感光纤进入所述耦合器后分两路分别经过所述传感臂以及所述参考臂后入射到两个所述法拉第旋镜发生发射，而后在所述耦合器中发生干涉，得到干涉信号I；
步骤2，所述光电探测器接收所述干涉信号并由所述数据采集卡采集后，将所述干涉信号I分为两路进行基频和二倍频的混合操作，得到两路混频信号；
步骤3，采用所述低通滤波器将两路所述混频信号中的高频信号滤除，得到两路滤波信号I1、I2；
步骤4，采用所述第一乘法器将两路所述滤波信号I1、I2相乘，得到第一信号；
步骤5，采用所述微分器分别对两路所述滤波信号I1、I2进行微分运算，而后采用所述第二乘法器进行乘法运算，得到第二信号；
步骤6，采用所述除法器对所述第一信号以及所述第二信号进行除法运算，而后依次采用所述开方器和所述积分器进行开方运算和积分运算，得到第三信号；
步骤7，采用所述高通滤波器滤除所述第三信号中的低频成分，得到解调后的振动信号。
5.根据权利要求1所述的基于PGC的相位解调方法，其特征在于：
其中，所述步骤4中的乘法运算公式为：
Figure FDA0002802821000000036
所述步骤5中的乘法运算公式为：
Figure FDA0002802821000000031
所述步骤6中的除法运算、开方运算以及积分运算的计算公式分别为：
Figure FDA0002802821000000032
Figure FDA0002802821000000033
Figure FDA0002802821000000034
上述式中，B表示为干涉信号的幅值，G、H为外加载波信号的幅值，C表示调制深度，
Figure FDA0002802821000000035
表示待测信号，J1(C)和J2(C)分别为1、2阶贝塞尔函数。
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