CN114323092B - 一种计算与消除内调制pgc信号检测中伴生调幅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法，该方法使用双通道分别检测干涉信号和附加伴生调幅的激光器输出信号，将激光器输出信号通道与本地无噪声的数字载波信号进行比较处理后获得激光器输出伴生调幅信号的强度和相位信息，根据该强度和相位信息在本地产生一个表征伴生调幅的数字参考信号，再使用另一通道检测出的干涉信号除以表征伴生调幅的本地数字信号，最终消除伴生调幅影响。该方法一方面可以抑制伴生调幅带来的谐波失真影响，另一方面可以避免将第2通道的噪声引入系统，这为基于低失真、低噪声PGC信号检测的干涉型光纤传感技术的应用打下坚实基础。

Description

一种计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法。
背景技术
干涉型光纤传感技术因其高灵敏度优势，长期为国内外军事和民用研究机构所重视，许多机构都投入了大量的人力物力来对其进行研究。在干涉型光纤传感技术的众多研究方向中，高稳定、低失真的信号检测技术是最为重要的研究方向，其对于在复杂多变的环境中有效地检测出相位信号具有重要的工程实践意义。
相位载波调制解调技术(phase generated carrier，PGC)是一种在干涉型光纤传感系统中常用的信号检测技术，具有光学结构简单、易于复用、适用于远程大规模系统等优点，被国内外广泛应用。在PGC信号检测技术中，对激光器进行光频调制并结合非等臂干涉仪来产生相位载波，可以实现传感端无源，具有自主、远程、可控的巨大优势。然而，对激光器进行光频调制时，将不可避免地引入激光器输出光强的强度调制，这将在信号检测中引入谐波失真，导致信号检测幅度的不稳定输出。
近年来，一些研究者提出了多种方法来抑制光频调制附加的强度调制对信号检测的影响。文献1(Performance improvement of phase-generated carrier method byeliminating laser intensity modulation for optical seismometer，施清平等，Optical Engineering，2010年49卷2期)提出从干涉信号中除去提前测出的伴生调幅表达式来消除伴生调幅影响，但该文献中并没有给出伴生调幅表达式中各项参数的测量方法。文献2(一种消除伴生调幅的光源调频型相位生成载波解调方法，施清平等，光电子激光，2011年22卷2期)提出在3×2干涉仪的两路输出信号中加入PGC信号检测来消除伴生调幅的影响，使用文献2中所述的方法提高了每个干涉仪的输出光路数，使成阵列应用时系统硬件成本翻番，而且由于使用两个探测器探测的信号进行信号检测，导致第2个探测器的电路噪声不可避免地被引入信号检测中，这对于低噪声干涉传感不利。文献3(干涉型光纤传感器相位生成载波解调方法改进与研究，柏林厚等，光子学报，2005年34卷9期)提出使用三次谐波混频的方法抑制伴生调幅影响，文献指出，使用该方法稳定检测的最佳相位调制深度高达3.55(远高于正常PGC的2.63调制深度)，这要求激光器具有较高调制效率高或者干涉仪具有较大臂差，其中，高调制效率对激光器调谐性能要求太高，且高调制深度导致伴生调幅更加严重，而大臂差干涉仪则导致系统噪声的进一步提高，这对于低噪声干涉传感不利。文献4(一种消除伴生调幅影响的PGC解调方法，王燕等，激光与光电子学进展,2014,51(1):010605,网络出版:2013-12-26)同样提出使用三次谐波混频的方法抑制伴生调幅影响，该文献提出其所需的相位调制深度为1.7，由于三阶贝塞尔函数在1.7处取值较小(仅为0.085)，因此使用三阶混频时导致噪声对系统影响较大。文献5(Measurement of thephase shift between intensity and frequency modulations within DFB-LD and itsinfluences on PGC demodulation in a fiber-optic sensor system，Kai Wang等，Applied Optics，2013年52卷29期)、文献6(Phase modulation depth setting techniqueof a phase-generated-carrier under AOIM in fiber-optic interferometer withlaser frequency modulation，Yisi Dong等，Optics Express，2020年28卷21期)、文献7(中国发明专利申请，一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置及方法，公开日：20191224)均提出使用双通道探测方法来抑制伴生调幅影响，其中一个通道探测干涉信号，另一个通道探测激光器输出，再对两路信号使用算法处理后消除伴生调幅影响，然而，与文献2类似，双通道信号加入信号检测将会使第2通道的噪声加入系统中，提高系统噪声。文献8(中国发明专利申请，相位生成载波反正切中载波相位延迟和伴生调幅消除方法，公开日：20200225)、文献9(中国发明专利申请，相位生成载波微分交叉相乘载波延迟和伴生调幅消除方法，公开日：20200225)提及根据低通滤波后的正交信号的非线性特征参数对残余初相位延迟和伴生调幅影响进行消除，其中非线性特征参数受到残余初相位延迟和伴生调幅影响两方面因素影响，两方面影响难以分离，且文献中并未公开使用非线性特征参数消除伴生调幅影响的具体实现方式。
上述文献中虽然均能够解决内调制PGC光纤传感系统中的伴生调幅问题，但是并没有考虑附加噪声的问题，而本底噪声作为干涉型光纤传感技术中的一项关键技术指标，决定了传感系统可以测量的最小信号，尽量降低系统本底噪声在水声探测等微弱信号探测领域具有重要意义。因此，在考虑解决伴生调幅问题时，应尽可能避免附加噪声引入系统中。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法，考虑到包含伴生调幅的激光器输出为标准正弦信号，该方法使用双通道分别检测干涉信号和附加伴生调幅的激光器输出信号，将激光器输出信号通道与本地无噪声的数字载波信号进行比较处理后获得激光器输出伴生调幅信号的强度和相位信息，根据该强度和相位信息在本地产生一个表征伴生调幅的数字参考信号，再使用另一通道检测出的干涉信号除以表征伴生调幅的本地数字信号，最终消除伴生调幅影响。该方法相对于传统同时使用双通道信号进行伴生调幅补偿处理的方法，一方面可以抑制伴生调幅带来的谐波失真影响，另一方面可以避免将第2通道的噪声引入系统，这为基于低失真、低噪声PGC信号检测的干涉型光纤传感技术的应用打下坚实基础。
该方法针对传统的相位载波调制解调装置(具体参见Phase modulation depthsetting technique of a phase-generated-carrier under AOIM in fiber-opticinterferometer with laser frequency modulation，Yisi Dong等，Optics Express，2020年28卷21期)该装置中，正弦形式的载波调制数字信号加载在电流驱动器上，电流驱动器输出相应形式的模拟调制信号对激光器进行频率调制，与此同时，激光器伴随频率调制产生正弦形式的强度调制，即为伴生调幅。激光器产生带有频率调制并有伴生调幅的输出激光，输出激光经过分光器被分为两路，其中一路被第1光电探测通道探测并经过第1模-数转换器转换后获得第1数字信号，另一路进入带有臂差的干涉仪，带有频率调制的输出激光经过干涉后产生带有相位载波的干涉光信号，即为相位载波，带有相位载波的干涉光信号被第2光电探测通道探测并经过第2模-数转换器转换后获得第2数字信号。该装置中，第1模-数转换器与第2模-数转换器同步数字采样。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法，包括以下步骤：
S1：第1光电探测通道获得第1数字信号V1，第2光电探测通道获得第2数字信号V2；
第1数字信号V1可表示为：
Figure BDA0003440480630000031
第2数字信号V2可表示为：
Figure BDA0003440480630000032
其中，A＝σ1I1，B＝mσ1I1,σ1和σ2分别为第1光电探测通道和第2光电探测通道的光电转换效率，I1和I2分别为输入第1光电探测通道和第2光电探测通道的直流光强，m为激光器伴生调幅调制深度，
Figure BDA0003440480630000033
为伴生调幅与本地载波调制数字信号之间的相位差，nA1(t)和nA2(t)分别为第1光电探测通道和第2光电探测通道的附加噪声，υ为干涉条纹可见度，C为相位载波调制深度，ω0为相位载波调制频率，
Figure BDA0003440480630000034
为相位载波与载波调制数字信号之间的相位差，φs为干涉仪上的外界相位信号、噪声、初相位之和。
S2：对第1数字信号V1与载波调制数字信号Vcarrier＝cos(ω0t)采用对比处理方法，得到第1数字信号V1中的A，B和
Figure BDA0003440480630000035
三项参数；
S3：使用S2得到的A，B和
Figure BDA0003440480630000036
生成一个包含伴生调幅的参考数字信号
Figure BDA0003440480630000037
S4：使用第2数字信号V2除以参考数字信号Vref，即可得到无伴生调幅影响的干涉信号
Figure BDA0003440480630000041
而且避免在干涉信号Vpure中引入第1光电探测通道的附加噪声。
优选地，S2中，所述对比处理方法为椭圆拟合方法，所述椭圆拟合方法包括以下步骤：
S2.1：以所述第1数字信号V1和所述载波调制数字信号Vcarrier分别为正交坐标系横轴数据和纵轴数据，作出李萨如散点图，由于所述第1数字信号V1与所述载波调制数字信号Vcarrier频率相同但相位不同，因此李萨如散点图呈现椭圆形状；
S2.2：对所述李萨如散点图进行椭圆拟合，拟合出椭圆的一般方程
Figure BDA0003440480630000042
S2.3：根据所述椭圆的一般方程的5个系数a1、a2、a3、a4、a5，通过以下关系式即可得出A，B和
Figure BDA0003440480630000043
Figure BDA0003440480630000044
优选地，S2中，所述对比处理方法为傅里叶变换-相关函数法，所述傅里叶变换-相关函数法包括以下步骤：
S2.1：对所述第1数字信号进行傅里叶变换，得到所述第1数字信号的频谱；
S2.2：提取所述第1数字信号的所述频谱中零频处幅值和相位载波调制频率处幅值，其中所述零频处幅值即为所述第1数字信号的参数A，所述相位载波调制频率处幅值即为所述第1数字信号的参数B；
S2.3：将所述第1数字信号与所述载波调制数字信号进行互相关运算，可获得第1数字信号与载波调制数字信号之间的相位差，所述相位差即为所述第1数字信号的参数
Figure BDA0003440480630000045
本发明可以达到以下技术效果：
(1)本发明提供的一种测量与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法，能够有效消除伴生调幅对后续信号检测带来的谐波失真影响；
(2)本发明使用的椭圆拟合对比处理方法为低通滤波过程，对高频随机噪声信号起到较好的滤除效果，因此能够避免第1光电探测通道的附加噪声混入第2数字信号中进而抬升系统噪声水平；本发明使用的傅里叶变换-相关函数法在频谱上对第1数字信号的参数进行提取，去除了其他频率成分噪声的影响，因此也能够降低混入第2数字信号的附加噪声能量；
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为本发明所用系统示意图；
图3为第1数字信号和载波调制数字信号所作散点图和椭圆拟合图；
图4为参考数字信号和第1数字信号时域图；
图5为第2数字信号分别除以参考数字信号和第1数字信号后使用PGC方法检测出的本底相位噪声谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有消除激光器伴生调幅在干涉型光纤传感技术中的缺陷和需求，本发明提出一种计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法，按照如图1所示的流程对伴生调幅进行计算并消除其影响，可以在消除伴生调幅影响的同时，不引入附加噪声的影响，有利于基于内调制PGC信号检测的低噪声光纤传感技术的实现。
根据如图2所示的系统图，在内调制PGC信号检测技术中，相位载波由载波调制数字信号Vcarrier＝cos(ω0t)通过信号源进行数-模转换产生，并加载在激光器上。此时激光器将产生频率调制，同时产生同频的光强调制，即伴生调幅，该伴生调幅将混入信号频带内产生信号失真。
激光器输出经分光器分出一部分经过第1光电探测通道光电转换并经模-数转换后获得第1数字信号可以表示为
Figure BDA0003440480630000051
其中，A＝σ1I1，B＝mσ1I1,σ1为第1光电探测通道的光电转换效率，I1为输入第1光电探测通道的直流光强，m为激光器伴生调幅调制深度，
Figure BDA0003440480630000052
为伴生调幅与载波调制数字信号之间的相位差，nA1(t)为第1光电探测通道的附加噪声，ω0为激光器调制频率。
干涉信号经过第2光电探测通道光电转换并经模-数转换后的第2数字信号可以表示为
Figure BDA0003440480630000053
其中，
Figure BDA0003440480630000061
项即为伴生调幅叠加在干涉信号上的体现，σ2为第2光电探测通道的光电转换效率，I2为第2光电探测通道的直流光强，nA2(t)为第2光电探测通道的附加噪声，υ为干涉条纹可见度，C为相位载波调制深度，ω0为激光器调制频率，
Figure BDA0003440480630000062
为相位载波与载波调制数字信号之间的相位差，φs为干涉仪上的外界相位信号、噪声、初相位之和。
如图3所示，利用第1数字信号V1与载波调制数字信号Vcarrier分别作为正交坐标系的纵、横坐标，作出x-y李萨如散点图，由于V1与Vcarrier频率相同但相位不同，因此李萨如散点图呈现椭圆形状。对该李萨如散点图作椭圆拟合后得到该椭圆的一般方程
Figure BDA0003440480630000063
再根据公式(3)求出A，B和
Figure BDA0003440480630000064
Figure BDA0003440480630000065
使用上述测量出的A，B和
Figure BDA0003440480630000066
根据公式(4)生成一个包含伴生调幅的参考数字信号，该参考数字信号无第1光电探测通道的附加噪声nA1(t)影响：
Figure BDA0003440480630000067
此时使用第2数字信号除以本地参考数字信号，可得如公式(5)所示的消除伴生调幅影响的干涉信号，同时不会引入第1光电探测通道的附加噪声。
Figure BDA0003440480630000068
图4示出了噪声影响下的第1数字信号和根据公式(4)创建出的本地参考数字信号时域对比图，可以看出，第1数字信号受到噪声影响，在正弦波的基础上呈现出一些随机的波动，而根据本发明生成的本地参考数字信号则没有类似随机波动的影响。
图5示出了将第2光电探测通道获得的干涉信号分别除以第1数字信号和根据本发明生成的本地参考数字信号后，使用PGC信号检测方法测试出的本底相位噪声对比图。可以看出，直接除以第1数字信号后，由于引入了第1光电探测通道的附加噪声，系统本底噪声被抬升，由此体现了本发明提出的方法的优势。

Claims (2)

1.一种计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：第1光电探测通道获得第1数字信号V1，第2光电探测通道获得第2数字信号V2；
第1数字信号V1可表示为：
Figure FDA0003716637010000011
第2数字信号V2可表示为：
Figure FDA0003716637010000012
其中，A＝σ1I1，B＝mσ1I1,σ1和σ2分别为第1光电探测通道和第2光电探测通道的光电转换效率，I1和I2分别为输入第1光电探测通道和第2光电探测通道的直流光强，m为激光器伴生调幅调制深度，
Figure FDA0003716637010000013
为伴生调幅与本地载波调制数字信号之间的相位差，nA1(t)和nA2(t)分别为第1光电探测通道和第2光电探测通道的附加噪声，υ为干涉条纹可见度，C为相位载波调制深度，ω0为相位载波调制频率，
Figure FDA0003716637010000014
为相位载波与载波调制数字信号之间的相位差，φs为干涉仪上的外界相位信号、噪声、初相位之和；
S2：对第1数字信号V1与载波调制数字信号Vcarrier＝cos(ω0t)采用椭圆拟合的对比处理方法，得到第1数字信号V1中的A，B和
Figure FDA0003716637010000015
三项参数；
S3：使用S2得到的A，B和
Figure FDA0003716637010000016
生成一个包含伴生调幅的参考数字信号
Figure FDA0003716637010000017
S4：使用第2数字信号V2除以参考数字信号Vref，即可得到无伴生调幅影响的干涉信号
Figure FDA0003716637010000018
而且避免在干涉信号Vpure中引入第1光电探测通道的附加噪声。
2.一种根据权利要求1所述计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法，其特征在于：S2中，所述对比处理方法还可以为傅里叶变换-相关函数法。
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