光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统及其解调方法技术方案

本发明专利技术公开了光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统及其解调方法。该系统用于解调光纤激光传感器输出的光载微波信号，输出能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号，其包括光电转换模块、射频信号处理通道模块、高速模数转换模块、实时数字信号解调处理模块。射频信号处理通道模块依次对光电转换模块输出的外差调频信号进行自动增益放大和带通滤波，并由高速模数转换模块模数转换成数字化的射频信号。实时数字信号解调处理模块利用两路正交本振序列与数字化的射频信号分别相乘，且分别低通滤波后降采样得到两路正交基带信号，之后相除并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展；将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理。

Optical fiber laser sensor, optical microwave signal digital demodulation system and demodulation method thereof

The invention discloses an optical fiber laser sensor, an optical microwave signal digital demodulation system and a demodulation method thereof. The system is used for demodulation of fiber laser sensor output optical microwave signal demodulation, signal output can be real-time restoration of broadband and large dynamic sensor signals, which includes photoelectric conversion module, signal processing module, RF channel high-speed analog-to-digital conversion module, real-time digital signal demodulation module. The radio frequency signal processing channel module automatically amplifies and band-pass filtering the heterodyne FM signal output by the photoelectric conversion module in succession, and converts the analog to digital digital signal by the high-speed analog-to-digital conversion module. Real time digital signal demodulation module using two orthogonal local sequence and digital RF signals are multiplied by a low-pass filter and down sampled two orthogonal baseband signal, four to limit the arctangent computation after dividing and the arctangent, results of cycle expansion; phase signal will be obtained by digital differential phase demodulation processing.

【技术实现步骤摘要】
光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统及其解调方法
本专利技术涉及光纤传感信号解调
中的一种解调系统及其解调方法，尤其涉及一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统及其解调方法，其主要应用于极端环境下振动加速度、水声声压等微弱动态信号检测。
技术介绍
光纤传感与传统的各类传感技术相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、耗能少、测量安全、光纤柔性质轻、易于组网复用等优势，因此在很多特殊条件下应用广泛。光纤传感器是通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度(振幅)、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再对被调制的光信号进行检测，进而得出被测量的一种新型传感技术。根据对光调制方式的不同，光纤传感器可以分为强度调制型、相位调制型、频率调制型、偏振调制型、波长调制型等不同工作原理的光纤传感器。其中，干涉型光纤传感也就是相位调制型光纤传感器以波长为度量单位，所以干涉型光纤传感器测量精度最高。这是因为光波的振动频率很高，通常在1014Hz以上，因此直接测量光波的相位变化是不可能的。一般用干涉的方法把光的相位变化转换为光的强度变化进行测量。光纤光栅是一种简单的本征型传感元件，因固有的自参考能力及容易在一根光纤上复用，光纤光栅被广泛的应用于传感系统中。光纤激光传感器是一种有源的传感系统。与无源的光纤光栅传感系统相比具有信噪比更高、线宽更窄等优点，因此具有更高的分辨率。光纤激光传感器在无外界调制作用时，干涉输出的拍频为一固定值，而且往往频差极大，达到射频波段(数百MHz～数GHz)。在有外界调制作用于光纤激光传感器时，会改变其拍频频率，即发生频率偏移，通过检测出频率变化从而达到检测外界调制信号的目的。因光纤激光传感器灵敏度极高，如配以高性能的相位解调系统，可以实现对待测量的高灵敏、高精度、高分辨率、大动态范围、宽频带检测，因而其在一些特殊的测量领域具有广阔的应用前景，如用于卫星平台微振动加速度、水下声场微弱声压等信号的检测。通过对光纤传感器光载微波信号的解调，可以获得信号的频率、幅度等信息。常规的频谱分析技术只能获得频偏大小，难以动态地提供信号的频率、幅度等信息，因此需要借助专门的解调方式。另外，传统的光纤激光传感器解调系统多采用模拟方式，系统易受器件老化、温度漂移等影响，射频模拟电路频率响应带宽有限，对于大动态宽带光载微波信号解调能力不足。
技术实现思路
为解决现有模拟解调方案、频谱分析技术在解调动态传感信号中的不足，本专利技术提供一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统及其解调方法，其能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调技术。本专利技术的解决方案是：一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其用于解调光纤激光传感器输出的光载微波信号，输出能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号；该数字解调系统包括：光电转换模块，其用于将光信号的光载微波信号转换为电信号的外差调频信号；射频信号处理通道模块，其包括用于依次对该外差调频信号进行自动增益放大的自动增益放大单元和进行带通滤波的带通滤波器，输出带通射频信号；高速模数转换模块，其用于对该带通射频信号模数转换，输出数字化的射频信号；实时数字信号解调处理模块，其包括数控振荡器、两个数字低通滤波器、相位解调器、频率解调器；利用该数控振荡器产生的两路正交本振序列与该数字化的射频信号分别相乘，且分别通过该两个数字低通滤波器低通滤波后降采样得到两路正交基带信号；该相位解调器将该两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，实现大动态范围的相位解调；该频率解调器将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，实现频率解调得到实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号。作为上述方案的进一步改进，为实现自动增益放大功能，该自动增益放大单元包括低噪声放大器、数字程控衰减器、补偿放大器；该低噪声放大器接收该外差调频信号，并输出至该数字程控衰减器，该数字程控衰减器的输出经由该补偿放大器至该带通滤波器。进一步地，该数字程控衰减器为单片数控电调衰减器。作为上述方案的进一步改进，该数字解调系统还包括时钟信号产生模块，该时钟信号产生模块基于恒温晶振产生系统所需基准时钟、时序控制信号送入该高速模数转换模块、该实时数字信号解调处理模块。作为上述方案的进一步改进，该解调信号通过数字滤波、降采样处理后再传送至下一级控制处理单元。作为上述方案的进一步改进，该解调信号通过数字滤波、降采样处理后以总线、以太网信号传输方式传送至下一级控制处理单元。作为上述方案的进一步改进，该高速模数转换模块对该带通射频信号采用带通直采方式实现模数转换。作为上述方案的进一步改进，该实时数字信号解调处理模块事先在非易失存储器中存储传感器定标常数，用于该解调信号的定标转换处理，将定标常数与测频结果相乘，以得到最终的传感器测量输出。本专利技术还提供一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调方法，其用于解调光纤激光传感器输出的光载微波信号，输出能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号；该数字解调方法包括以下步骤：将光信号的光载微波信号转换为电信号的外差调频信号；依次对该外差调频信号进行自动增益放大、带通滤波，输出带通射频信号；对该带通射频信号模数转换，输出数字化的射频信号；利用数控振荡器产生的两路正交本振序列与该数字化的射频信号分别相乘，且分别低通滤波后降采样得到两路正交基带信号；将该两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，实现大动态范围的相位解调；将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，实现频率解调得到实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号。作为上述方案的进一步改进，该数字解调方法应用于上述任意光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统中。本专利技术基于软件无线电思想，用高速模数转换器对光纤激光传感器输出的光载微波宽带大动态传感信号进行直采，使用通用、标准化的数字信号处理平台实时解调传感信号，从而减轻了复杂、易老化的射频模拟电路设计负担。该系统的主要功能用软件方式实现，便于系统功能的调整、升级。系统架构简洁，鲁棒性强，适合各类苛刻环境条件下微弱振动信号的检测。基于高速数字信号处理平台的解调精度高、速度快，且无需系统参数校准。附图说明图1为本专利技术光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统的信号解调示意图；图2为本专利技术光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统的结构框图；图3为图2中实时数字信号解调处理模块的数字解调处理过程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术基于软件无线电思想，对光纤激光传感器输出的光载微波信号(也即光载微波宽带大动态传感信号)用高速模数转换器进行直采，用通用、标准化的数字信号处理平台实时解调传感信号，该系统减轻了复杂的射频模拟电路设计负担，系统架构简洁。系统的主要功能用软件方式实现，便于系统功能的调整、升级。基于高速数字信号处理平台的解调精度高、速度快、鲁棒性强，且无需系统参数校准。如图1所示为光纤激光传感器输出的光载微波信号的解调过程示意图，动态待测物理量作用于光纤激光传感器，调制光纤内的光波输出光载微波调频信号，经本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其用于解调光纤激光传感器输出的光载微波信号，输出能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号；其特征在于：该数字解调系统包括：光电转换模块，其用于将光信号的光载微波信号转换为电信号的外差调频信号；射频信号处理通道模块，其包括用于依次对该外差调频信号进行自动增益放大的自动增益放大单元和进行带通滤波的带通滤波器，输出带通射频信号；高速模数转换模块，其用于对该带通射频信号模数转换，输出数字化的射频信号；实时数字信号解调处理模块，其包括数控振荡器、两个数字低通滤波器、相位解调器、频率解调器；利用该数控振荡器产生的两路正交本振序列与该数字化的射频信号分别相乘，且分别通过该两个数字低通滤波器低通滤波后降采样得到两路正交基带信号；该相位解调器将该两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，实现大动态范围的相位解调；该频率解调器将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，实现频率解调得到实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号。

【技术特征摘要】
1.一种光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其用于解调光纤激光传感器输出的光载微波信号，输出能够实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号；其特征在于：该数字解调系统包括：光电转换模块，其用于将光信号的光载微波信号转换为电信号的外差调频信号；射频信号处理通道模块，其包括用于依次对该外差调频信号进行自动增益放大的自动增益放大单元和进行带通滤波的带通滤波器，输出带通射频信号；高速模数转换模块，其用于对该带通射频信号模数转换，输出数字化的射频信号；实时数字信号解调处理模块，其包括数控振荡器、两个数字低通滤波器、相位解调器、频率解调器；利用该数控振荡器产生的两路正交本振序列与该数字化的射频信号分别相乘，且分别通过该两个数字低通滤波器低通滤波后降采样得到两路正交基带信号；该相位解调器将该两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，实现大动态范围的相位解调；该频率解调器将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，实现频率解调得到实时恢复宽带大动态传感信号的解调信号。2.如权利要求1所述的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其特征在于：为实现自动增益放大功能，该自动增益放大单元包括低噪声放大器、数字程控衰减器、补偿放大器；该低噪声放大器接收该外差调频信号，并输出至该数字程控衰减器，该数字程控衰减器的输出经由该补偿放大器至该带通滤波器。3.如权利要求2所述的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其特征在于：该数字程控衰减器为单片数控电调衰减器。4.如权利要求1所述的光纤激光传感器光载微波信号数字解调系统，其特征在于：该数字解调系统还包括时钟信号产生模块，该时钟信号产生模块基于恒温晶振产生系统所需基准时钟、时序控制信号送入该高速模数转换模块、该实时数字信号解...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，李成强，武帅，李武建，汪灏，李季，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34