一种相位差分解调方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种相位差分解调方法及系统，属于相位解调技术领域，方法包括：S1对待解调目标信号与参考噪底信号进行前置处理；S2初始化N＝1，初始化信号以截止频率进行低通滤波；S3低通滤波处理后的信号进行N阶信号压缩，信号解缠绕，N阶信号恢复，分离恢复信号，偏置补偿；S4目标信号若解调成功，则输出进行偏置补偿后的目标信号，否则判断偏置补偿后的参考噪底信号是否可以进行N+1阶信号解调，若可以，则N＝N+1，转至步骤S3；否则，若N阶截止频率不为0时则降低低通滤波的N阶截止频率，转至步骤S2。本发明专利技术扩大可相位解调目标信号的动态范围，使得所有相位解调型传感技术的应用范围更广。

【技术实现步骤摘要】
一种相位差分解调方法及系统
本专利技术属于相位解调
，更具体地，涉及一种相位差分解调方法及系统。
技术介绍
在光纤传感领域，基于相位敏感的光时域反射的分布式声波传感技术由于具有长距离、高精度、线性探测和稳定性高的优势，已经应用于铁路安全监测、管道监测和周界安全检测等诸多工程领域。在技术中使用光纤作为传感介质，声波作用在传感光纤上会使光纤产生轴向的伸缩。当光在光纤中传播时，光的相位也会随之改变，技术就是通过解调光的相位获知声波信号。由于相位信息具有周期性，解调结果被缠绕在一个2π的周期内，当声波信号较大时，不可避免的出现信号超出一个相位周期的情况，从而产生信号的失真。通常的恢复手段是使用解缠绕算法，即通过对每个时刻的相位信号加减2π的整数倍，从而将信号恢复到本应存在的周期内。这种方法可以恢复相邻两个时刻的相位之差小于等于π的信号，但是对于相邻两个时刻的相位之差大于π的信号仍然无能为力。这就大大的限制了在工程领域的应用，对工程应用产生很大的阻碍。现在也有提出通过改进结构来实现大信号恢复，比如双波长法同时发射不同波长的探测脉冲，对两个波长探测结果进行组合，来实现大信号的探测，这种方式不仅增加了硬件成本，而且由于两波长的损耗有较大的差距，探测距离较短，又从另一方面限制了在工程领域的应用。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提出一种相位差分解调方法及系统，扩大可解调目标信号的动态范围，让分布式声波传感技术的应用范围更广。为实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种相位差分解调方法，包括：S1：对待解调目标信号与待解调参考噪底信号进行前置处理，获取初始化信号；并设置低通滤波的初始截止频率为信号采样率；其中，待解调参考噪底信号是在与待解调目标信号相同探测条件下的噪底信号；S2：初始化N＝1，并初始化信号进行低通滤波；S3：低通滤波处理后的信号依次进行N阶信号压缩，信号解缠绕，N阶信号恢复，分离恢复信号中的目标信号和参考噪底信号，以及对分离后的信号进行偏置补偿；S4：判断N是否为1，若为1，则令N＝N+1，转至步骤S3；否则，转至步骤S5；S5：判断进行偏置补偿后的目标信号是否解调成功，若解调成功，则输出进行偏置补偿后的目标信号，解调结束，否则，转至S6；S6：判断进行偏置补偿后的参考噪底信号是否可以进行N+1阶信号解调，若可以，则N＝N+1，转至步骤S3；否则，转至步骤S7；S7：判断截止频率是否为0，若不是，则降低低通滤波的N阶截止频率，转至步骤S2；否则认为解调失败，解调结束。优选地，获取初始化信号的方法为：S1.1对待解调目标信号与待解调参考噪底信号均进行希尔伯特变换，获取待解调目标信号的正交信号与待解调参考噪底信号的正交信号；S1.2对待解调目标信号与其正交信号进行IQ(in-phasequadrature)解调，获取第一IQ解调信号；对待解调参考噪底信号与其正交信号进行IQ解调，获取第二IQ解调信号；S1.3将第一IQ解调信号与第二IQ解调信号进行拼接，获取初始化信号。优选地，N阶信号压缩的过程为：对低通滤波处理后的信号a(k)进行N阶差分获取dNa(k)，实现对低通滤波处理后信号的幅值压缩；dNa(k)的获取方法为：da(k)＝a(k+1)-a(k)；d2a(k)＝da(k+1)-da(k)；......dNa(k)＝dN-1a(k+1)-dN-1a(k)；其中，da(k)表示a(k)的一阶差分；dNa(k)表示a(k)的N阶差分；k为低通滤波处理的采样点编号，取值为从1开始的整数。优选地，信号解缠绕的过程为：将dNa(k)通过对每个时刻的相位加或减2π的整数倍，实现相邻时刻的相位之差小于等于π，获取的解缠绕结果为：其中，bN(k)为解缠绕结果；n的取值使|bN(k)-bN(k-1)|≤π成立，且取值为整数。优选地，N阶信号恢复具体为：通过对解缠绕后的信号进行N阶积分运算；优选地，偏置补偿为多项式拟合补偿法或参考信号补偿法；多项式拟合补偿法为：对N阶恢复信号中的目标信号进行N-1阶多项式拟合，获取目标信号的多项拟合式；将N阶恢复信号中的目标信号与分离后的参考噪底信号分别减去目标信号的多项拟合式，获取偏置补偿后的目标信号和偏置补偿后的参考噪底信号；参考信号补偿法为：D1：将分离后的参考噪底信号nN0(k)与第二IQ解调信号做差；D2：对D1的做差结果进行N-1阶多项式拟合，获取参考噪底信号的多项式拟合式；D3：将分离后的目标信号SN0(k)和分离后的参考噪底信号nN0(k)分别减去参考噪底信号的多项式拟合式，获取偏置补偿后的目标信号和偏置补偿后的参考噪底信号；k为低通滤波处理的采样点编号。优选地，判断是否解调成功的方法为：N阶目标信号SN(k)与N-1阶目标信号SN-1(k)进行互相关，若互相关结果大于0.99，则N阶目标信号SN(k)收敛，解调成功；优选地，S7具体为：具体地，将N阶参考噪底信号nN(k)与N-1阶参考噪底信号nN-1(k)进行互相关，若互相关结果大于0.99，则噪声水平未超过可解调极限，进行下一阶信号解调，转至步骤S5；反之，噪声水平已经超过可解调极限，不进行下一阶信号解调，转至步骤S8。另一方面，本专利技术提供了一种相位差分解调系统，包括：前置处理模块用于对待解调目标信号与待解调参考噪底信号进行前置处理，获取初始化信号；低通滤波器将接收的初始化信号以截止频率进行低通滤波；信号解调模块包括信号压缩模块、信号解缠绕模块、信号恢复模块、信号分离模块和偏置补偿模块；用于对初始化信号和低通滤波处理后的信号依次进行N阶信号压缩，信号解缠绕，N阶信号恢复，分离恢复信号中的目标信号和参考噪底信号，以及对分离后的信号进行偏置补偿；解调判断模块用于判断进行偏置补偿后的目标信号是否解调成功，若解调成功，则输出进行偏置补偿后的目标信号；噪底判断模块用于判断进行偏置补偿后的参考噪底信号是否可以进行N+1阶信号解调，若可以，则执行N＝N+1；参数控制模块用于设置低通滤波的初始截止频率为信号采样率且初始化N＝1；并用于判断N阶截止频率是否为0，若不是，则降低低通滤波的N阶截止频率，否则输出解调失败信号。优选地，前置处理模块包括：希尔伯特变换模块用于对待解调目标信号与待解调参考噪底信号均进行希尔伯特变换，获取待解调目标信号的正交信号与待解调参考噪底信号的正交信号；IQ解调模块用于对待解调目标信号与其正交信号进行IQ解调，获取第一IQ解调信号；且对待解调参考噪底信号与其正交信号进行IQ解调，获取第二IQ解调信号；拼接模块用于将第一IQ解调信号与第二IQ解调信号进行拼接，获取初始化信号。优选地，信号压缩模块对低通滤波处理后的信号a(k)进行N阶差分获取dNa(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相位差分解调方法，其特征在于，包括：/nS1：对待解调目标信号与待解调参考噪底信号进行前置处理，获取初始化信号；并设置低通滤波的初始截止频率为信号采样率；/n其中，待解调参考噪底信号是在与待解调目标信号相同探测条件下的噪底信号；/nS2：初始化N＝1，并初始化信号进行低通滤波；/nS3：低通滤波处理后的信号依次进行N阶信号压缩，信号解缠绕，N阶信号恢复，分离恢复信号中的目标信号和参考噪底信号，以及对分离后的信号进行偏置补偿；/nS4：判断N是否为1，若为1，则令N＝N+1，转至步骤S3；否则，转至步骤S5；/nS5：判断进行偏置补偿后的目标信号是否解调成功，若解调成功，则输出进行偏置补偿后的目标信号，解调结束，否则，转至S6；/nS6：判断进行偏置补偿后的参考噪底信号是否可以进行N+1阶信号解调，若可以，则N＝N+1，转至步骤S3；否则，转至步骤S7；/nS7：判断截止频率是否为0，若不是，则降低低通滤波的截止频率，转至步骤S2；否则认为解调失败，解调结束。/n

【技术特征摘要】
1.一种相位差分解调方法，其特征在于，包括：
S1：对待解调目标信号与待解调参考噪底信号进行前置处理，获取初始化信号；并设置低通滤波的初始截止频率为信号采样率；
其中，待解调参考噪底信号是在与待解调目标信号相同探测条件下的噪底信号；
S2：初始化N＝1，并初始化信号进行低通滤波；
S3：低通滤波处理后的信号依次进行N阶信号压缩，信号解缠绕，N阶信号恢复，分离恢复信号中的目标信号和参考噪底信号，以及对分离后的信号进行偏置补偿；
S4：判断N是否为1，若为1，则令N＝N+1，转至步骤S3；否则，转至步骤S5；
S5：判断进行偏置补偿后的目标信号是否解调成功，若解调成功，则输出进行偏置补偿后的目标信号，解调结束，否则，转至S6；
S6：判断进行偏置补偿后的参考噪底信号是否可以进行N+1阶信号解调，若可以，则N＝N+1，转至步骤S3；否则，转至步骤S7；
S7：判断截止频率是否为0，若不是，则降低低通滤波的截止频率，转至步骤S2；否则认为解调失败，解调结束。


2.根据权利要求1所述的相位差分解调方法，其特征在于，所述获取初始化信号的方法为：
S1.1对待解调目标信号与待解调参考噪底信号均进行希尔伯特变换，获取待解调目标信号的正交信号与待解调参考噪底信号的正交信号；
S1.2对待解调目标信号与其正交信号进行IQ解调，获取第一IQ解调信号；对待解调参考噪底信号与其正交信号进行IQ解调，获取第二IQ解调信号；
S1.3将第一IQ解调信号与第二IQ解调信号进行拼接，获取初始化信号。


3.根据权利要求2所述的相位差分解调方法，其特征在于，所述N阶信号压缩的过程为：
对低通滤波处理后的信号a(k)进行N阶差分获取dNa(k)，实现对低通滤波处理后信号的幅值压缩；dNa(k)的获取方法为：
da(k)＝a(k+1)-a(k)；
d2a(k)＝da(k+1)-da(k)；
......
dNa(k)＝dN-1a(k+1)-dN-1a(k)；
其中，da(k)表示a(k)的一阶差分；dNa(k)表示a(k)的N阶差分；k为低通滤波处理的采样点编号，取值为从1开始的整数。


4.根据权利要求3所述的相位差分解调方法，其特征在于，所述信号解缠绕的过程为：
将dNa(k)通过对每个时刻的相位加或减2π的整数倍，实现相邻时刻的相位之差小于等于π，获取的解缠绕结果为：



其中，bN(k)为解缠绕结果；n的取值使|bN(k)-bN(k-1)|≤π成立，且取值为整数。


5.根据权利要求3或4所述的相位差分解调方法，其特征在于，所述偏置补偿为多项式拟合补偿法或参考信号补偿法；
所述多项式拟合补偿法为：对N阶恢复信号中的目标信号进行N-1阶多项式拟合，获取目标信号的多项拟合式；将N阶恢复信号中的目标信号与分离后的参考噪底信号分别减去目标信号的多项拟合式，获取偏置补偿后的目标信号和偏置补偿后的参考噪底信号；
所述参考信号补偿法为：
D1：将分离后的参考噪底信号nN0(k)与第二IQ解调信号做差；
D2：对D1的做差结果进行N-1阶多项式拟合，获取参考噪底信号的多项式拟合式；
D3：将分离后的目标信号SN0(k)和分离后的参考噪底信号nN0(k)分别减去参考噪底信号的多项式拟合式，获取偏置补偿后的目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙琪真，范存政，李豪，刘涛，贺韬，闫志君，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42