一种基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法。本发明专利技术采用初始采样率为外差频率的N倍，降采样倍数M为N的整数倍，并且低通滤波器系数中的元素个数为降采样倍数M的整数倍；本发明专利技术通过合理设计滤波器系数，配合适当的降采样倍数，将原本分开进行的乘载波运算和低通滤波操作合在一个步骤中完成，降低了基于外差解调的光纤传感系统的运算量，同时保证了降采样后的两个正交系数中相邻两个采样时刻据点之间的连续性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法
本专利技术涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法。
技术介绍
在干涉型光纤传感器系统中，外差方案是一种广泛应用的解调方法，其具备算法稳定、动态范围大等优点[1]，并可以与多种复用方法相结合构成大规模的传感阵列或网络。在该方案中，系统所得到的干涉信号I(t)表达式为：其中I0为干涉信号的直流强度，υ为干涉信号对比度，ωc＝2πfc为外差角频率，为直流相位值，其变化非常缓慢，在传感器工作的频带范围内可以认为是常数，为传感器探测到的信号，需要被解调出来，解调结果是一种相位信息。的典型解调方案如图1所示[2]，干涉信号分别与载波cos(ωct)及其正交项-sin(ωct)相乘后，经过一个低通滤波器(low-frequencypassfilter，LPF)得到两个正交分量i(t)和q(t)，再使用相除反正切算法arctan和相位累积算法(unwrap)就可还原出传统的解调方案多采用DSP或者CPU进行，但是在大规模或者实时性要求较高的场合，需要采用现场可编辑逻辑门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)或者图形处理器(GraphicsProcessorUnit，GPU)进行数据解调，其具备实时性高、可并行处理的优势，可以满足这类应用环境下的需求。另一方面，表达式(1)的采样率往往较高，从几百kHz到几MHz不等，但是在大多数应用中，最终输出的相位信息并不需要如此高的采样率，如在地震勘探等领域，信号的带宽大部分时候只到1kHz[3]。因此解调结果还需要进行降采样处理。由此可见，乘载波、低通滤波和降采样是图1所示解调方案中重要的3步，当系统规模逐渐扩大时，需要对以上的算法进行优化以使得在不降低性能的前提下简化算法步骤。
技术实现思路
针对以上现有外差解调方案中，乘载波和低通滤波需要分开进行，本专利技术提出了一种基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法，将乘载波和低通滤波在一个步骤中完成。本专利技术中涉及的名词和所使用符号列举如下：(1)初始采样率：干涉信号的采样率，用fs表示(2)外差频率：相位项的载波频率，用fc表示；(3)降采样后采样率：解调结果的采样率，用fd表示；(4)降采样倍数：初始采样率与降采样后采样率之间的倍数关系，记为M，有fs＝Mfd；(5)低通滤波器系数：LPF的系数，在初始采样率下，用向量a表示，其中第k个的元素为a(k)，k＝0，1...L-1，L为滤波器系数中元素的个数，L∈Z+。本专利技术初始采样率、外差频率、降采样倍数以及滤波器系数a中的元素个数L分别满足以下条件：(1)初始采样率为外差频率的整数倍，即fsNfc，N为≥4的自然数，N不宜过大，一般要求4≤N≤10；(2)降采样倍数M为N的整数倍，即M＝kMN，kM∈Z+，根据实际要求，一般有4≤M≤20；(3)低通滤波器系数a中的元素个数L为M的整数倍，即L＝kLM＝kLkMN，kL∈Z+，为达到较好的滤波效果，L不可过小，一般要求50≤L≤200。本专利技术的基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法，包括以下步骤：1)获取干涉信号：系统所得到的干涉信号I(t)表达式为：其中，I0为干涉信号的直流强度，υ为干涉信号对比度，ωc＝2πfc为外差角频率，fc为外差频率，为直流相位值，为传感器探测到的信号，经过模数转换后，将干涉信号离散化为I(n)：其中，n∈Z；2)得到正交分量：初始采样率fs为外差频率fc的整数倍，即fs＝Nfc，N为≥4的自然数，并且降采样倍数M为N的整数倍，即M＝kMN，kM∈Z+，对离散化后的干涉信号I(n)进行滤波处理，再进行M倍的降采样，得到两个离散化的正交分量i(n)↓M和q(n)↓M：其中，滤波器系数b′1，b′2中的元素分别为：b′1(k)＝a(k)cos(2πk/N)b′2(k)＝a(k)sin(2πk/N)其中，N为初始采样率与外差频率倍数，a(k)为在初始采样率下的低通滤波器系数的向量a的第k个的元素，k＝0，1...L-1，L为滤波器系数中元素的个数，L∈Z+，并且L是降采样倍数M的整数倍，即L＝kLM＝kLkMN，kL∈Z+，从而保证了i(n)↓M和q(n)↓M中相邻两个采样时刻据点之间的连续性；3)进行反正切；得到正交分量后，通过反正切算法求得在区间(-π，π]上的初始解调结果其表达式如下：4)进行相位累积算法：将进行反正切得到的在区间(-π，π]上的初始解调结果扩展到(-∞，+∞)区间，得到相位累积后解调结果5)降采样到需要的速率：经过相位累积算法后得到的信号采样率为fd，根据实际需要进一步进行降采样，将相位累积后解调结果降采样至所需的采样率，得到所需的解调结果其中，在步骤2)中，4≤N≤10；4≤M≤20；50≤L≤200。本专利技术的优点：本专利技术采用初始采样率为外差频率的N倍，降采样倍数M为N的整数倍，并且低通滤波器系数中的元素个数为降采样倍数M的整数倍，通过合理设计滤波器系数，配合适当的降采样倍数，将原本分开进行的乘载波运算和低通滤波操作在一个步骤中完成，降低了基于外差解调的光纤传感系统的运算量，同时保证了降采样后的两个正交系数中相邻两个采样时刻据点之间的连续性。附图说明图1为现有技术的外差方案的干涉信号的解调算法的流程图；图2为本专利技术的基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法与现有技术的时域对比图；图3为本专利技术的基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法与现有技术的频域对比图；图4为本专利技术的基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法的流程图。具体实施方式下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本专利技术。离散化的干涉信号表达式为：当初始采样率为外差频率的整数倍，即fs＝Nfc时，载波cos(ωct)和-sin(ωct)在离散域中可以表示如下：其中，n∈Z，N为大于等于4的自然数。结合现有技术的解调算法，图1中的正交分量i(t)和q(t)写为：从式(3)可以看出，可以将载波预先存入滤波器系数中，从而构建新的滤波器系数b1(k)和b2(k)如下：但是此时新的滤波器系数是时间变量n的函数。此时可以通过降采样处理消除n的影响：进行降采样M倍处理，则式(3)改写为：这里所用的滤波器系数b′1，b′2为表达式(4)在采样时刻n＝k′M，k′∈Z+的值，由于M＝kMN，公式(4)的滤波器系数改写为：可以看出，此时，滤波器系数中已经不再包含有时间变量n。由此，得到了降采样之后的两个正交分量。在本实施例中，对于基于外差方案的光纤传感系统，初始采样率fs＝200kHz，外差频率fc＝50kHz，降采样后的频率fd＝50kHz，低通滤波器系数a有128个系数，即L＝128。为一峰值幅度为1，频率为400Hz的正弦信号，干涉信号采样点数为100,000。则N＝4，M＝4，L＝128。满足该方法使用所要满足的前提条件。在Matlab2015的运行环境中，对以上实例中的外差干涉信号进行解调，并最终降采样至50kHz，图2给出本专利技术与现有技术方法的解调结果时域对比图，可见两种方法均得到正确的波形，只是在初始相位上有所不同，这一点并不影响实际使用。经计算，两种方法得到的结果相关系数达到了0.9989，表明两种方法解调出的结果高度相似。图3给出了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法，其特征在于，所述解调方法包括以下步骤：1)获取干涉信号：系统所得到的干涉信号I(t)表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种基于外差方案的光纤传感系统数据解调方法，其特征在于，所述解调方法包括以下步骤：1)获取干涉信号：系统所得到的干涉信号I(t)表达式为：其中，I0为干涉信号的直流强度，υ为干涉信号对比度，ωc＝2πfc为外差角频率，fc为外差频率，为直流相位值，为传感器探测到的信号，经过模数转换后，将干涉信号离散化为I(n)：其中，n∈Z；2)得到正交分量：初始采样率fs为外差频率fc的整数倍，即fs＝Nfc，N为≥4的自然数，并且降采样倍数M为N的整数倍，即M＝kMN，kM∈Z+，对离散化后的干涉信号I(n)进行滤波处理，再进行M倍的降采样，得到两个离散化的正交分量i(n)↓M和q(n)↓M：其中，滤波器系数b′1,b′2中的元素分别为：b′1(k)＝a(k)cos(2πk/N)b′2(k)＝a(k)sin(2πk/N)其中，N为初始采样率与外差频率倍数，a(k)为在初始采样率下的低通滤波器系数的向量a的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏，刘飞，邱晓康，何向阁，易多，古利娟，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11