一种改进的生成载波相位PGC解调方法技术

本发明专利技术属于光学干涉仪测量领域，具体涉及到一种干涉仪的改进的生成载波相位PGC解调方法。本发明专利技术包括信号调制模块，采集预处理模块，PGC解算与失真分析模块，FPS解算模块，PGC与FPS算法融合模块，光纤干涉测量系统的工作步骤为：启动信号调制模块，信号调制模块中的开始采集子模块用于采集放大电路的输出结果；调制输出子模块输出的正弦波用于调制光源，经过调制后的光注入到干涉仪中。本发明专利技术在保持系统采样率不变的情况下拓展解调的动态范围，并同时使用FPS算法对PGC载波信号的调制幅度、频率与初始相位进行监测，有效增加了系统动态范围，提高了系统长期稳定性，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学干涉仪测量领域，具体涉及到一种干涉仪的改进的生成载波相位 PGC解调方法。
技术介绍
光纤传感器被广泛应用于各个领域因为他的灵敏度高，线性度高，体积尺寸小，抗 电磁干扰，动态范围大等特点。光纤传感器的基本结构是利用干涉仪内部参数的变化来测 量其他物理量，其中精度比较高是相位型干涉仪。最典型的应用是光纤水听器与光纤地震 计。上世纪70年代美国海军实验室开始致力于光纤水听器的研究，其中1982年提出的相 位生成载波（PGC)算法与基于3X3耦合器的固定相移法（FPS)都是比较经典的水听器解 调方法。随着光纤制备技术提高与光器件生产技术的发展，这两种算法目前也在民用领域 内推行，主要依托产品为光纤地震计，光纤地震计相比于传统地震计在测量灵敏度与动态 范围上都有明显优势，尤其对于高频大幅度信号，如动态范围在180dB@lkHz左右的核爆信 号。 传统的PGC解调算法需要进行混频、滤波等操作，还需要使用微分、积分等运算， 在许多步骤上对信号的带宽做出了限制，这就保证了其优越的噪声抑制特性，清华大学张 敏等人基于PGC原理的光纤水听器在降噪方面对此作了深入的研究，包括独立水听器（CN 201110191719. 4)与复用水听器阵列（CN201210143601.9)的噪声抑制。另一个研究比较 深入的方向是水听器列阵，中船重工715研究所谢勇等人专利技术了如何进行大规模阵列解调 的方法（CN200910100600. 4)，美国NorthropGrumman公司DavidB.Hall等人对阵列解调 也有相关专利发表（US7038784B2)。上述算法由于在计算中限制了带宽，降低了系统的解 调范围，在大信号解调过程中容易出现谐波失真。中国科学院研究生院的倪明博士学位论 文中也讨论过PGC动态范围的问题，结论是增加系统的动态范围必须要增加调制频率和数 据采样率，这样做无疑会极大增加硬件复杂程度和传感器成本（需要高频光学调制器）。对 于单个传感单元而言，如何能在尽量不增加硬件开销的基础上实现动态范围拓展，具有非 常重要的实用意义和价值。PGC解调算法的稳定性在使用过程中也是性能劣化的一个重要 影响因素，因为整个传感器系统包括光源，光路，换能器等部件，这些部件随着温度或应力 释放的变化会导致传感器的状态发生变化，如载波信号的频率与幅度，如果这个问题不被 及时校正就会导致系统的谐波失真或者直流漂移。基于3X3耦合器的固定相移法（FPS) 其优点在于解调动态范围大，但缺点是其没有对测量带宽进行必要的限制，导致更多的白 噪声直接进入解调结果，此外耦合器光学性能的畸变也会对解调产生较大的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种改进的生成载波相位PGC解调方法。 本专利技术的目的是这样实现的： -种改进的生成载波相位PGC解调方法，包括信号调制模块，采集预处理模块， PGC解算与失真分析模块，FPS解算模块，PGC与FPS算法融合模块，光纤干涉测量系统的工 作步骤如下： (1. 1)首先启动信号调制模块，信号调制模块中的开始采集子模块用于采集放大 电路的输出结果；调制输出子模块输出的正弦波用于调制光源，经过调制后的光注入到干 涉仪中，其中调制频率为2kHz~50MHz，调制幅度在1~6rad范围内保证干涉条纹稳定； (1. 2)运行采集预处理模块，采样率根据调制频率选择在2Mbps~100Mbps，光电 探测模块接收到光信号同时完成光电转换，输出第一路干涉信号、第二路干涉信号和第三 路干涉信号；这三路信号输入到放大电路中，经过开始采集子模块，输出第一路采集数据、 第二路采集数据和第三路采集数据； (1. 3)采集预处理模块的输出结果，同时送入PGC解算与失真分析模块和FPS解算 模块中，并完成PGC解算与FPS解算； (I. 4)FPS解算模块使用增益调节子模块的输出结果完成解算，FPS解算模块输出 FPS解调结果与校正参数； (I. 5)PGC解算与失真分析模块使用第一路采集数据与校正参数完成PGC解算，输 出解算结果； (I. 6)PGC与FPS算法融合模块根据失真分析子模块的输出结果，选择PGC解调结 果或者FPS解调结果作为解调结果； 所述的PGC解算与失真分析模块，包括基本PGC模块，谐波失真值分析模块，结果 输出模块，PGC解算的过程包括： (1. 2. 1)采集预处理模块中的第一路采集数据形式为PGC干涉信号，分别与基频 信号倍频信号同时送入第一乘法器、第二乘法器，第一乘法器、第二乘法器的输出结果送入 第一低通滤波器、第二低通滤波器，截止频率根据载波信号频率选择在IkHz~25MHz之间， 衰减速度至少为_80dB至-120dB; (1. 2. 2)基频信号滤波结果送入谐波失真值分析模块，第一低通滤波器输出结 果送入傅里叶变换子模块，傅里叶变换子模块输出结果为一组频域数据，对这组数据进 行两次积分，第一积分区间为（〇,《<：/2-A?)，输出有效信号频率成分，第二积分区间为 (A?，《。/2)，输出失真信号频率成分，其中近似区间A?大小根据调制频率《。范围在 IHz~IkHz之间，两个积分值经过第一除法器作相除运算后得到PGC谐波失真值； (1. 2. 3)第一低通滤波器、第二低通滤波器输出结果经过第二除法器，得到未修正 PGC正切值； 所述的FPS解算模块，利用三路固定相移信号完成FPS解算，具体过程为： (1.3. 1)基本FPS子模块利用增益调节子模块输出的三路固定相移信号进行解 调，得到的解调结果包含载波信号与被测信号； (1. 3. 2)基本FPS子模块输出结果经过FPS高通滤波器得到载波信号，载波信号通 过峰值探测子模块得到载波信号的幅度值，再通过状态求解子模块输出调制幅度； (1. 3. 3)未修正PGC正切值与状态求解子模块的输出结果同时送入状态修正子模 块，得到修正后的反正切值，该值送入反正切子模块； 所述的PGC与FPS算法融合模块，根据PGC谐波失真值大小进行算法融合，具体过 程为： (I. 4. 1)基本FPS子模块输出结果经过FPS低通滤波器，其截止频率根据载波信号 频率选择在IkHz~25MHz之间，衰减至少速度为-80dB至-120dB，得到FPS解调结果并送 入输出判定子模块； (1. 4. 2)状态修正子模块输出结果经过反正切子模块得到修正后的PGC解调结果 并送入输出判定子模块； (1. 4. 3)谐波失真值分析模块输出PGC谐波失真值即失真频率部分所占的比重大 小，该值由被测信号幅度，频率决定，若PGC谐波失真值在1 %以下，系统选择PGC输出作为 解调结果；若PGC谐波失真值在1 %~10%之间，系统既可以选择PGC输出也可以选择FPS 输出作为解调结果；若PGC谐波失真值大于10 %，系统选择FPS输出作为解调结果保证解 调最大动态范围。 本专利技术的有益效果在于： 本专利技术公开一种具有增大动态范围、增强相位解调稳定性的方法，将传统PGC算 法与基于3X3耦合器的固定相移法（FPS)相融合，在保持系统采样率不变的情况下拓展解 调的动态范围，并同时使用FPS算法对PGC载波信号的调制幅度、频率与初始相位进行监 测，用于修正系统的低频漂移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的生成载波相位PGC解调方法，包括信号调制模块，采集预处理模块，PGC解算与失真分析模块，FPS解算模块，PGC与FPS算法融合模块，其特征在于：光纤干涉测量系统的工作步骤如下：(1.1)首先启动信号调制模块，信号调制模块中的开始采集子模块用于采集放大电路的输出结果；调制输出子模块输出的正弦波用于调制光源，经过调制后的光注入到干涉仪中，其中调制频率为2kHz～50MHz，调制幅度在1～6rad范围内保证干涉条纹稳定；(1.2)运行采集预处理模块，采样率根据调制频率选择在2Mbps～100Mbps，光电探测模块接收到光信号同时完成光电转换，输出第一路干涉信号、第二路干涉信号和第三路干涉信号；这三路信号输入到放大电路中，经过开始采集子模块，输出第一路采集数据、第二路采集数据和第三路采集数据；(1.3)采集预处理模块的输出结果，同时送入PGC解算与失真分析模块和FPS解算模块中，并完成PGC解算与FPS解算；(1.4)FPS解算模块使用增益调节子模块的输出结果完成解算，FPS解算模块输出FPS解调结果与校正参数；(1.5)PGC解算与失真分析模块使用第一路采集数据与校正参数完成PGC解算，输出解算结果；(1.6)PGC与FPS算法融合模块根据失真分析子模块的输出结果，选择PGC解调结果或者FPS解调结果作为解调结果；所述的PGC解算与失真分析模块，包括基本PGC模块，谐波失真值分析模块，结果输出模块，PGC解算的过程包括：(1.2.1)采集预处理模块中的第一路采集数据形式为PGC干涉信号，分别与基频信号倍频信号同时送入第一乘法器、第二乘法器，第一乘法器、第二乘法器的输出结果送入第一低通滤波器、第二低通滤波器，截止频率根据载波信号频率选择在1kHz～25MHz之间，衰减速度至少为‑80dB至‑120dB；(1.2.2)基频信号滤波结果送入谐波失真值分析模块，第一低通滤波器输出结果送入傅里叶变换子模块，傅里叶变换子模块输出结果为一组频域数据，对这组数据进行两次积分，第一积分区间为(0，ω0/2‑Δω)，输出有效信号频率成分，第二积分区间为(Δω,ω0/2)，输出失真信号频率成分，其中近似区间Δω大小根据调制频率ω0范围在1Hz～1kHz之间，两个积分值经过第一除法器作相除运算后得到PGC谐波失真值；(1.2.3)第一低通滤波器、第二低通滤波器输出结果经过第二除法器，得到未修正PGC正切值；所述的FPS解算模块，利用三路固定相移信号完成FPS解算，具体过程为：(1.3.1)基本FPS子模块利用增益调节子模块输出的三路固定相移信号进行解调，得到的解调结果包含载波信号与被测信号；(1.3.2)基本FPS子模块输出结果经过FPS高通滤波器得到载波信号，载波信号通过峰值探测子模块得到载波信号的幅度值，再通过状态求解子模块输出调制幅度；(1.3.3)未修正PGC正切值与状态求解子模块的输出结果同时送入状态修正子模块，得到修正后的反正切值，该值送入反正切子模块；所述的PGC与FPS算法融合模块，根据PGC谐波失真值大小进行算法融合，具体过程为：(1.4.1)基本FPS子模块输出结果经过FPS低通滤波器，其截止频率根据载波信号频率选择在1kHz～25MHz之间，衰减至少速度为‑80dB至‑120dB，得到FPS解调结果并送入输出判定子模块；(1.4.2)状态修正子模块输出结果经过反正切子模块得到修正后的PGC解调结果并送入输出判定子模块；(1.4.3)谐波失真值分析模块输出PGC谐波失真值即失真频率部分所占的比重大小，该值由被测信号幅度，频率决定，若PGC谐波失真值在1％以下，系统选择PGC输出作为解调结果；若PGC谐波失真值在1％～10％之间，系统既可以选择PGC输出也可以选择FPS输出作为解调结果；若PGC谐波失真值大于10％，系统选择FPS输出作为解调结果保证解调最大动态范围。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭峰，侯璐，杨军，苑勇贵，吴冰，苑立波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23