CN114252156B - 双光束光纤干涉仪的采样解调电路及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双光束光纤干涉仪的采样解调电路及其方法。该解调方法采取数字信号处理方式，对干涉仪的输出信号在一个调制周期内采样12个特定相位的点，通过这些点的理论数学表达式进行计算，从而直接解调出双光束光纤干涉仪的Sagnac相移信息。相较于传统的数字相敏检测法，该方法不需要解调出各次谐波幅度，能大幅减少资源需求。
Description
技术领域
本发明涉及采样解调方法，尤其涉及一种双光束光纤干涉仪的采样解调电路及其方法。
背景技术
传统的数字相敏检测法如图2所示。光电探测器的输出信号经过前置放大和滤波后转换经过模数转换输入FPGA可编程器件，通过数字锁相放大提取信号里的一次谐波、二次谐波和四次谐波信号。由二次谐波除以四次谐波得到仅关于调制深度的比值，将该比值与预设调制深度值进行比较计算误差值，以负反馈控制调制深度。将一次谐波除以二次谐波，得到关于调制深度和Sagnac相移的比值，最后通过解正反切函数得到Sagnac相移信息。
这种数字相敏检测法使用的可编程逻辑模块增加了应用的成本以及电路的复杂性，在可编程逻辑模块内部需要使用三次数字锁相放大逻辑解调多次谐波分量，消耗较多的资源以及存储空间。
发明内容
本发明的目的在于解决现有双光束光纤干涉仪解调技术中数字相敏检测法耗费资源过大的问题，提出一种通过直接采样特殊点的新型解调方法，大大减少了资源消耗。
本发明所采用的具体技术方案如下：
本发明的其中一个目的在于提供一种双光束光纤干涉仪的采样解调电路，包括前置放大单元、模数转换单元、数字信号处理单元和调制深度控制单元；
利用光电探测器将双光束光纤干涉仪的输出光信号转为电信号，经过前置放大单元和模数转换单元完成信号的放大和模数转换，将转换后的数字信号输入数字信号处理单元；利用数字信号处理单元对数字信号进行特殊点采样，计算得到误差信号，通过调制深度控制单元来控制相位调制器的调制深度，实现相位调制；同时通过对特殊点采样值直接计算得到双光束光纤干涉仪的Sagnac相移实现相位输出。
本发明的另一个目的在于提供一种上述的双光束光纤干涉仪的采样解调电路的解调方法，包括如下步骤：
1)利用光电探测器将双光束光纤干涉仪的输出光信号转为电信号，并对电信号进行放大和数模转换，得到数字信号；
2)对数字信号进行特殊点采样；
3)根据特殊点采样值计算误差信号δ，利用调制深度控制单元以负反馈控制调制深度；以及，对特殊点采样值进行反正切运算，得到双光束光纤干涉仪的Sagnac相移
进一步的，所述的步骤2)具体为：在一个调制周期内，每隔π/6相位进行采样，得到共12个特殊点采样值，具体为：
其中，I为光电探测器输出信号表达式，I0为探测器接收到的光幅度，ωm为调制频率，ωm(t)为t时刻正弦波调制信号相位，π为调制深度，πsinωm(t)为相位调制器对干涉仪输出信号所加相位；为双光束光纤干涉仪的Sagnac相移，Vi表示第i个特殊点采样值，i＝1,…,12。
进一步的，所述的双光束光纤干涉仪的Sagnac相移可以利用部分采样值或全部采样值计算得到，其中利用部分采样值的计算过程简便，利用全部采样值的计算过程可进一步提高信噪比。
进一步的，所述的调制深度控制单元利用串行D/A的输出电压来改变正弦波调制电压的幅值，从而改变相位调制器所加相位πsinωm(t)，使得相位调制器的调制深度稳定在π。
本发明提出的双光束光纤干涉仪的采样解调电路结构简单，极大地节省了解调占用的资源，可以选择资源较少的FPGA芯片降低设计成本。
附图说明
图1是本发明所提出的双光束光纤干涉仪的采样解调电路及其方法示意图；
图2是传统的数字相敏检测方法示意图。
具体实施方式
本发明如图1所示，双光束光纤干涉仪的采样解调电路，由前置放大、模数转换、数字信号处理、调制深度控制、相位调制和输出相位构成；光电探测器将干涉仪的输出光信号转为电信号，经过前置单元完成信号的放大和模数转换后输入数字信号处理单元；在数字信号处理单元中对信号进行特殊点采样，计算得到误差信号δ来控制相位调制器的调制深度；同时通过这些采样点直接计算得到通过解调/>得到输出Sagnac相移/>
本发明的解调方法包括如下步骤：
步骤1：利用光电探测器将双光束光纤干涉仪的输出光信号转为电信号，并对电信号进行放大和数模转换，得到数字信号；表示为：
其中，I为光电探测器输出信号表达式，I0为探测器接收到的光幅度，ωm为调制频率，ωm(t)为t时刻正弦波调制信号相位，π为调制深度，πsinωm(t)为相位调制器对干涉仪输出信号所加相位；为双光束光纤干涉仪的Sagnac相移。
步骤2：对数字信号进行特殊点采样；本实施例中，在一个调制周期内，每隔π/6相位进行采样，得到共12个特殊点采样值：
其中，Vi表示第i个特殊点采样值，i＝1,…,12。
步骤3：根据特殊点采样值计算误差信号δ，利用调制深度控制单元以负反馈控制调制深度；以及，利用特殊点采样值通过CORDIC算法(坐标旋转数字方法)进行正反切运算，得到双光束光纤干涉仪的Sagnac相移
在本发明的一项具体实施中，可以利用部分采样值快速计算得到双光束光纤干涉仪的Sagnac相移，计算公式为：
其中，表示双光束光纤干涉仪的Sagnac相移。
为了进一步提高信噪比，还可以结合全部采样值的结果计算得到双光束光纤干涉仪的Sagnac相移，计算公式为：
T3＝V1+V2+V4+V6+V7+V8+V10+V12＝8/0
其中，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、R1、R2、均为运算的中间变量，/>表示双光束光纤干涉仪的Sagnac相移。
根据上述计算结果，可进一步计算得到误差信号：
δ＝k∑tΔR
其中，δ表示误差信号；ΔR表示R1的实际值与理论值之差，或者R2的实际值与理论值之差，R1的理论值为R2的理论值为/>R1的实际值R′1和R2的实际值R′2是根据采样值计算得到的；k表示误差信号与正弦波调制电压幅值的比例系数，k的实际值通过实际采样测量得到，ΔR＝R′1-R1时，k＝k1；ΔR＝R′1-R1时，k＝k2；k1≠k2。t表示系统当前时间，∑t表示对从系统开始时间到系统当前时间的ΔR求和。
如图1所示，所述的调制深度控制单元利用串行D/A的输出电压来改变正弦波调制电压的幅值，使得相位调制器的调制深度稳定在特定值πrad。
在本发明的一项具体实施中，双光束光纤干涉仪使用保偏光环行器的光纤陀螺系统，包括SLD光源、保偏环形器、耦合器、PZT相位调制器、光纤环和光电探测器，其中光纤传感环长度为600米，光纤环直径为91mm，高度为25mm；PZT相位调制器，其固有频率为42.98kHz。在采用同一款FPGA芯片的情况下，传统数字相敏检测法占用逻辑成分、占用寄存器、占用管脚、PLL使用情况分别为88％、49％、42％、50％，对应本发明所提出的双光束光纤干涉仪的采样解调方法各占用仅为19％、11％、42％、25％，大幅少于前者。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种双光束光纤干涉仪的采样解调电路的解调方法，其特征在于，所述的采样解调电路包括前置放大单元、模数转换单元、数字信号处理单元和调制深度控制单元；
利用光电探测器将双光束光纤干涉仪的输出光信号转为电信号，经过前置放大单元和模数转换单元完成信号的放大和模数转换，将转换后的数字信号输入数字信号处理单元；利用数字信号处理单元对数字信号进行特殊点采样，计算得到误差信号，通过调制深度控制单元来控制相位调制器的调制深度，实现相位调制；同时通过对特殊点采样值直接计算得到双光束光纤干涉仪的Sagnac相移实现相位输出；
所述的解调方法包括如下步骤：
1)利用光电探测器将双光束光纤干涉仪的输出光信号转为电信号，并对电信号进行放大和数模转换，得到数字信号；
2)对数字信号进行特殊点采样；所述的步骤2)具体为：在一个调制周期内，每隔π/6相位进行采样，得到共12个特殊点采样值，具体为：
其中，I为光电探测器输出信号表达式，I0为探测器接收到的光幅度，ωm(t)为t时刻正弦波调制信号相位，π为调制深度，πsinωm(t)为相位调制器对干涉仪输出信号所加相位；为双光束光纤干涉仪的Sagnac相移，Vi表示第i个特殊点采样值，i＝1,…,12；
所述的双光束光纤干涉仪的Sagnac相移利用全部采样值计算得到，计算公式为：
T3＝V1+V2+V4+V6+V7+V8+V10+V12＝8I0
其中，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、R1、R2、均为运算的中间变量，/>表示双光束光纤干涉仪的Sagnac相移；
3)根据特殊点采样值计算误差信号δ，误差信号计算公式为：
其中，δ表示误差信号；ΔR表示R1的实际值与理论值之差，或者R2的实际值与理论值之差，R1的理论值为R2的理论值为/>R1的实际值和R2的实际值是根据采样值计算得到的；k表示误差信号与正弦波调制电压幅值的比例系数；t表示系统当前时间，Σt表示对从系统开始时间到系统当前时间的ΔR求和；
利用调制深度控制单元以负反馈控制调制深度；所述的调制深度控制单元利用串行D/A的输出电压来改变正弦波调制电压的幅值，从而改变相位调制器所加相位πsinωm(t)，使得相位调制器的调制深度稳定在π；
以及，对特殊点采样值进行反正切运算，得到双光束光纤干涉仪的Sagnac相移
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