一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法。正弦相位调制干涉信号在放大滤波后由模数转换器转换为数字干涉信号，对数字干涉信号同时进行一阶、二阶和四阶谐波的正交下混频，获得3对正交谐波幅值信号，运用这3对正交谐波幅值信号提取出相位延迟量，运用相位延迟量计算出对应的相位延迟修正系数，用相位延迟修正系数乘以相应的等于正交谐波幅值信号绝对值之和的绝对谐波幅值信号，获得不受相位延迟影响的新谐波幅值信号，再通过反正切运算获得待测相位。本发明专利技术解决了PGC相位解调技术中相位延迟难以准确测量以及相位延迟引起的非线性误差难以实时补偿的问题，提高了相位测量精度，广泛应用于正弦调制干涉技术领域。

A Phase Delay Extraction and Compensation Method for PGC Phase Demodulation

The invention discloses a method for phase delay extraction and compensation in PGC phase demodulation method. The sinusoidal phase modulation interferometric signal is converted from analog-to-digital converter to digital interferometric signal after amplification and filtering. The digital interferometric signal is simultaneously offbeat down-mixing of the first, second and fourth order harmonics, and three pairs of orthogonal harmonic amplitude signals are obtained. The phase delay is extracted from the three pairs of orthogonal harmonic amplitude signals, and the corresponding phase delay correction coefficient is calculated by using the phase delay. The phase delay correction factor is multiplied by the corresponding absolute harmonic amplitude signal equal to the sum of the absolute values of the orthogonal harmonic amplitude signal to obtain the new harmonic amplitude signal which is not affected by the phase delay, and then the phase to be measured is obtained by the arc tangent operation. The invention solves the problem that the phase delay in the PGC phase demodulation technology is difficult to accurately measure and the non-linear error caused by the phase delay is difficult to compensate in real time, improves the phase measurement accuracy, and is widely used in the field of sinusoidal modulation interference technology.

【技术实现步骤摘要】
一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法
本专利技术属于激光干涉测量
，特别是一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法。
技术介绍
相位生成载波(PGC)调制解调技术因测相灵敏度高、动态范围大等优点，被广泛应用于干涉型光纤传感器和正弦相位调制干涉仪。PGC调制解调技术包括微分交叉相乘算法(PGC-DCM)和反正切算法(PGC-Arctan)。PGC-DCM法通过对正交分量进行微分交叉相乘以及积分等运算获得待测相位，这种方法容易受激光器光强、载波相位延迟、相位调制深度的影响。PGC-Arctan法将正交分量进行除法以及反正切运算直接得到待测相位，测量结果不受光强影响，但仍然会受相位延迟与调制深度的影响。相位延迟补偿是实现调制深度补偿的前提，为了精确获得待测相位，通常将相位延迟调整为零来实现相位延迟补偿。在实际中，相位延迟存在漂移，现有方法难以实现相位延迟的实时补偿，当相位延迟偏离零时，将会出现非线性误差，这限制了测相精度的提高。此外，当相位延迟等于特定角度时，部分谐波幅值信号将恒等于零，这将导致PGC-DCM和PGC-Arctan算法均无法计算待测相位。所以，准确地提取与补偿PGC相位解调算法中的相位延迟是提高正弦调制干涉测量正确性和精度需要解决的关键技术问题。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术公开了一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法，本专利技术解决了正弦调制干涉仪中相位延迟难以准确测量以及相位延迟引起的非线性误差难以实时抑制的问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤1)通过带通滤波器去除正弦相位调制干涉信号中的直流成分与高频噪声，然后对滤波后的正弦相位调制干涉信号进行模数采样转换为数字信号S(t)，由此采样获得数字干涉信号S(t)，其中采样频率高于正弦调制信号频率的8倍，正弦调制信号是指用于正弦相位调制的调制信号，数字信号S(t)表示如下：其中，A表示数字干涉信号的幅值，m表示调制深度，θ表示相位延迟，ωc表示正弦调制信号的频率，表示待测相位，J0(m)表示第0阶的第一类贝塞尔函数，J2n(m)表示偶数阶的第一类贝塞尔函数，J2n-1(m)表示奇数阶的第一类贝塞尔函数；步骤2)数字干涉信号S(t)分别与通过第一数字频率合成器产生的一阶正交参考信号(sin(ωct)、cos(ωct))、第二数字频率合成器产生的二阶正交参考信号(cos(2ωct)、sin(2ωct))、第三数字频率合成器产生的四阶正交参考信号(cos(4ωct)、sin(4ωct))通过乘法器相乘以及低通滤波处理完成正交下混频运算，各滤波器输出的直流信号与数字干涉信号S(t)中对应谐波的幅值呈正比，定义为谐波幅值信号，对于同一阶谐波幅值信号按照其与相位延迟θ的余弦值呈正比还是与相位延迟θ的正弦值呈正比分别定义为信号Pi与Qi，即Pi与Qi是正交的，其中下标i表示阶数，取值范围为1,2,4，获得3对正交的谐波幅值信号、和，分别为一阶正交谐波幅值信号(P1,Q1)、二阶正交谐波幅值信号(P2,Q2)和四阶正交谐波幅值信号(P4,Q4)，,P1、Q1、P2、Q2、P4、Q4分别计算为：其中，LPF[]表示低通滤波运算，A表示数字干涉信号的幅值，m表示调制深度，θ表示相位延迟，表示待测相位，J1(m)表示第一阶第一类贝塞尔函数，J2(m)表示第二阶第一类贝塞尔函数，J4(m)表示第四阶第一类贝塞尔函数；ωc表示正弦调制信号的频率；步骤3)运用一阶正交谐波幅值信号(P1,Q1)、二阶正交谐波幅值信号(P2,Q2)和四阶正交谐波幅值信号(P4,Q4)进行运算得到不受待测相位影响的相位延迟量θc，计算公式如下：其中，假定实际相位延时取值为-π到π，运用上述公式提取的相位延迟量θc与实际相位延迟量θ的关系为θ＝θc+kπ。步骤4)一阶正交谐波幅值信号(P1,Q1)、二阶正交谐波幅值信号(P2,Q2)分别经绝对值加法器相加得到在任何角度的相位延迟下幅值都不为零的绝对谐波幅值信号，T1，T2分别表示一阶正交谐波幅值信号P1与Q1的绝对值之和以及二阶正交谐波幅值信号P2与Q2的绝对值之和，计算公式如下：步骤5)运用步骤3)得到的相位延迟量θc分别计算一阶绝对谐波幅值信号相位延迟修正系数G1、二阶绝对谐波幅值信号相位延迟修正系数G2，计算公式如下：其中，sign(P1)和sign(P2)分别表示P1与P2的符号；步骤6)将绝对谐波幅值信号分别乘以上述对应的相位延迟修正系数G1与G2，重构出幅度不受相位延迟影响的新谐波幅值信号，R1和R2分别表示绝对谐波幅值信号T1相位延迟修正系数G1的乘积以及绝对谐波幅值信号T2相位延迟修正系数G2的乘积，重构计算公式如下：步骤7)假定调制深度m＝2.63，J1(m)＝J2(m)；对新谐波幅值信号进行四象限反正切运算，得到待测相位，公式如下：其中，sign(R1)和sign(R2)分别表示R1与R2的符号；所述的方法计算过程采用相位处理系统，相位处理系统具体为：第一乘法器、第二乘法器、第五乘法器、第六乘法器、第七乘法器和第八乘法器的输入端均连接数字干涉信号S(t)，第一数字频率合成器连接在第一乘法器和第二乘法器的输入端，第二数字频率合成器连接在第五乘法器和第六乘法器的输入端，第三数字频率合成器连接在第七乘法器和第八乘法器的输入端；第一乘法器的输出端经第一低通滤波器分别连接到第一绝对值加法器的输入端和相位延时提取模块的输入端，第二乘法器的输出端经第二低通滤波器分别连接到第一绝对值加法器的输入端和相位延时提取模块的输入端，第五乘法器的输出端经第三低通滤波器分别连接到第二绝对值加法器的输入端和相位延时提取模块的输入端，第六乘法器的输出端经第四低通滤波器分别连接到第二绝对值加法器的输入端和相位延时提取模块的输入端，第七乘法器、第八乘法器的输出端分别经第五低通滤波器、第六低通滤波器连接到相位延时提取模块的输入端；相位延时提取模块的输出端连接到相位延时修正系数计算模块的输入端，第一绝对值加法器的输出端与相位延时修正系数计算模块的输出端经第三乘法器连接到第一反正切运算器的输入端，第二绝对值加法器的输出端与相位延时修正系数计算模块的输出端经过第四乘法器连接到第一反正切运算器的输入端，第一反正切运算器的输出端输出待测相位。所述的相位延时提取模块具体为：第九乘法器的输入端分别连接第一低通滤波器、第二低通滤波器的输出端，第一低通滤波器的输出端还与第一平方运算器的输入端相连，第九乘法器的输出端经倍乘器连接到第一加法器的输入端；第二低通滤波器的输出端还与第二平方运算器的输入端相连，第二平方运算器的输出端与第一平方运算器的输出端经第一减法器共同连接到第二加法器的输入端；第十三乘法器的输入端分别连接第三低通滤波器、第六低通滤波器的输出端，第十二乘法器的输入端分别连接第四低通滤波器、第五低通滤波器的输出端，第十二乘法器和第十三乘法器的输出端经第二减法器连接到第一加法器的输入端；第十乘法器的输入端分别连接第三低通滤波器、第五低通滤波器的输出端，第十一乘法器的输入端分别连接第四低通滤波器、第六低通滤波器的输出端，第十乘法器与第十一乘法器的输出端经第三加法器连接到第二加法器的输入端；第一加法器与第二加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)采样获得数字干涉信号S(t)，数字信号S(t)表示如下：

【技术特征摘要】
1.一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)采样获得数字干涉信号S(t)，数字信号S(t)表示如下：其中，A表示数字干涉信号的幅值，m表示调制深度，θ表示相位延迟，ωc表示正弦调制信号的频率，表示待测相位，J0(m)表示第0阶的第一类贝塞尔函数，J2n(m)表示偶数阶的第一类贝塞尔函数，J2n-1(m)表示奇数阶的第一类贝塞尔函数；步骤2)数字干涉信号S(t)分别与通过数字频率合成器产生的一阶正交参考信号(sin(ωct)、cos(ωct))、二阶正交参考信号(cos(2ωct)、sin(2ωct))、四阶正交参考信号(cos(4ωct)、sin(4ωct))通过乘法器相乘以及低通滤波处理完成正交下混频运算，各滤波器输出的直流信号与数字干涉信号S(t)中对应谐波的幅值呈正比，定义为谐波幅值信号，对于同一阶谐波幅值信号按照其与相位延迟θ的余弦值呈正比还是与相位延迟θ的正弦值呈正比分别定义为信号Pi与Qi，即Pi与Qi是正交的，其中下标i表示阶数，取值范围为1,2,4，获得3对正交的谐波幅值信号(P1、Q1)、(P2、Q2)和(P4、Q4)，分别为一阶正交谐波幅值信号(P1,Q1)、二阶正交谐波幅值信号(P2,Q2)和四阶正交谐波幅值信号(P4,Q4)，P1、Q1、P2、Q2、P4、Q4分别计算为：其中，LPF[]表示低通滤波运算，A表示数字干涉信号的幅值，m表示调制深度，θ表示相位延迟，表示待测相位，J1(m)表示第一阶第一类贝塞尔函数，J2(m)表示第二阶第一类贝塞尔函数，J4(m)表示第四阶第一类贝塞尔函数；ωc表示正弦调制信号的频率；步骤3)运用一阶正交谐波幅值信号(P1,Q1)、二阶正交谐波幅值信号(P2,Q2)和四阶正交谐波幅值信号(P4,Q4)进行运算得到不受待测相位影响的相位延迟量θc，计算公式如下：步骤4)一阶正交谐波幅值信号(P1,Q1)、二阶正交谐波幅值信号(P2,Q2)分别经绝对值加法器相加得到在任何角度的相位延迟下幅值都不为零的绝对谐波幅值信号(T1，T2)，T1，T2分别表示一阶正交谐波幅值信号P1与Q1的绝对值之和以及二阶正交谐波幅值信号P2与Q2的绝对值之和，计算公式如下：步骤5)运用步骤3)得到的相位延迟量θc分别计算一阶绝对谐波幅值信号相位延迟修正系数G1、二阶绝对谐波幅值信号相位延迟修正系数G2，计算公式如下：其中，sign(P1)和sign(P2)分别表示P1与P2的符号；步骤6)将绝对谐波幅值信号(T1，T2)分别乘以上述对应的相位延迟修正系数G1与G2，重构出幅度不受相位延迟影响的新谐波幅值信号(R1，R2)，R1和R2分别表示绝对谐波幅值信号T1与相位延迟修正系数G1的乘积以及绝对谐波幅值信号T2与相位延迟修正系数G2的乘积，重构计算公式如下：步骤7)对新谐波幅值信号(R1，R2)进行四象限反正切运算，得到待测相位，公式如下：其中，sign(R1)和sign(R2)分别表示R1与R2的符号。2.根据权利要求1所述的一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法，其特征在于：所述的方法计算过程采用相位处理系统，相位处理系统具体为：第一乘法器(2)、第二乘法器(3)、第五乘法器(12)、第六乘法器(14)、第七乘法器(17)和第八乘法器(18)的输入端均连接数字干涉信号S(t)，第一数字频率合成器(1)连接在第一乘法器(2)和第二乘法器(3)的输入端，第二数字频率合成器(13)连接在第五乘法器(12)和第六乘法器(14)的输入端，第三数字频率合成器(16)连接在第七乘法器(17)和第八乘法器(18)的输入端；第一乘法器(2)的输出端经第一低通滤波器(4)分别连接到第一绝对值加法器(6)的输入端和相位延时提取模块(21)的输入端，第二乘法器(3)的输出端经第二低通滤波器(5)分别连接到第一绝对值加法器(6)的输入端和相位延时提取模块(21)的输入端，第五乘法器(12)的输出端经第三低通滤波器(11)分别连接到第二绝对值加法器(7)的输入端和相位延时提取模块(21)的输入端，第六乘法器(14)的输出端经第四低通滤波器(15)分别连接到第二绝对值加法器(7)的输入端和相位延时提取模块(21)的输入端，第七乘法器(17)、第八乘法器(18)的输出端分别经第五低通滤波器(19)、第六低通滤波器(20)连接到相位延时提取模块(21)的输入端；相位延时提取模块(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈本永，谢建东，严利平，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33