一種具有高精度的光學信號相位解調系統及解調方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學(纖)干設儀測量領域，尤其設及一種具有高精度的光學信號相位 解調系統及解調方法。
【背景技術】
[0002] 光纖傳感器在振動信號探測方面具有靈敏度高，動態范圍大，布設方便等優點，其 中，相位型光纖傳感器廣泛應用于水聲信號監測，地震信號記錄等領域內。相位型光纖傳感 器的工作原理即通過測量應力，應變，位移W及加速度等物理量所引起的光路中的相位變 化來標定對應的物理量，如何準確測得相位信息成為了傳感器的關鍵所在。1982年美國海 軍實驗室KI服ENDALL C K，DANDRIDGE A.等人提出了一種相位生成載波(PGC)的方法計算 干設光路的相位變化，該方法實現簡單，計算精度高，廣泛應用于干設型光纖傳感器中，但 是又有著嚴重的問題。傳統的PGC算法受環境影響很大，包括光源的抖動，調制器狀態的漂 移等問題。在此基礎上，人們致力于如何抑制外界的環境噪聲，保證獲取更為精準的測量信 號。
[0003] 清華大學在如何抑制噪聲運方面做了很多研究，施清平發表的"一種消除伴生調 幅的光源調頻型相位生成載波解調方法"提出了利用3X3禪合器構造輔助光路的辦法，引 入額外的參考信號消除掉伴生調幅影響；張敏等人提出了一種去相關的方法（CN 201110191719.4)，通過在PGC系統中引入一個3X2禪合器，利用另外兩路參考信號之間存 在固定相位差的特點實現消除同源噪聲；美國化vid B.化11，La Crescenta，Calif等人提 出了一種多路歸一化的方法化S006134015A)，通過同時測量6路相同的干設儀數據，然后將 數據做歸一化處理得到更好的噪聲結果。W上幾種方法核屯、思想是利用多路信號之間的相 關性，將不相關的噪聲進行剔除，從而獲得更好的輸出結果，但是在構造相關信號方面都增 加了光信號路數，無疑會帶來額外的環境影響因素；
[0004] 另外美國的Antonio L.Deus，Gerald L.Assard等人提出一種改進型交叉微分相 乘方法化S6580314B1)，該方法不必額外增加光路結構，利用一路傳感信號中的基頻分量， 倍頻分量開方結果引入求解過程，消除部分噪聲，但是運種方法容易受伴生調幅影響，當基 頻分量，倍頻分量波動很大時，系統輸出質量會下降；哈爾濱工程大學楊軍等人也同時提出 一種利用楠圓擬合矯正的方法(CN 201510293443.9)?及一種增大動態范圍、增強穩定性 的光學干設相位解調方法(201510293443.3)，來修正光源伴生調幅影響。W上運兩種方法 都在光路結構上同時引入了3X3禪合器，利用另外一路或多路輸出作為輔助計算信號，進 行相關運算，抑制噪聲。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種能夠進行獨立的不相關解調的，一種具有高精度的光學 信號相位解調系統。本發明的目的還包括提供一種能夠增強穩定性和精度的，一種具有高 精度的光學信號相位解調方法。
[0006] -種具有高精度的光學信號相位解調系統，包括前端采集模塊、多路鎖相模塊和 數據解調模塊，
[0007] 前端采集模塊包括數據采集子模塊和調相波子模塊，調相波子模塊輸出N路信號， 包括基頻信號cos(w化）、倍頻信號cos(2w化）……N階頻信號cos(Nw化），數據采集子模塊 采集并輸出PGC干設信號；
[000引多路鎖相模塊包括N個乘法器和N個濾波器，PGC干設信號分別與調相波子模塊輸 出的N路信號中的一路信號經過一個乘法器后傳入一個濾波器中，得到N路信號的諧波成 分；
[0009] 數據解調模塊包括N個希爾伯特變換子模塊、N個相位累加子模塊和降采樣平滑濾 波子模塊，N路信號的諧波成分分別經過一個希爾伯特變換子模塊后傳入一個相位累加子 模塊，N個相位累加子模塊將輸出信號傳送給降采樣平滑濾波子模塊，得到最終相位進行輸 出。
[0010] -種具有高精度的光學信號相位解調方法，包括前端采集模塊、多路鎖相模塊和 數據解調模塊，前端采集模塊包括數據采集子模塊和調相波子模塊，多路鎖相模塊包括N個 乘法器和N個濾波器，數據解調模塊包括N個希爾伯特變換子模塊、N個相位累加子模塊和降 采樣平滑濾波子模塊；
[0011] a、調相波子模塊生成輸出N路信號，包括基頻信號cos(w化）、倍頻信號cos(2w ot)……N階頻信號cos(Nw化），數據采集子模塊采集并輸出PGC干設信號：
[0012] 戶=.4 + 及口〇邑[(7005 邱？牛巧(0]
[001引其中P為信號幅度，A為光源直流項，B為光源交流項，C為調制深度，ω日為調制信號 頻率，A (?)為待測量相位信號；
[0014] b、將調相波子模塊生成輸出的N路信號分別與PGC干設信號進行相乘，再進行濾波 操作，得到鎖相后N路信號的諧波成分，包括基波成分、二次諧波成分……N次諧波成分；
[0015] C、調整調制深度C，得到調整后的N路信號的諧波成分；
[0016] d、對調整后的N路信號的諧波成分進行希爾伯特變換操作；
[0017] e、求取N路信號被測相位值；
[0018] f、對求得的相位值使用降采樣平滑的方法得到最終相位輸出。
[0019] 本發明一種具有高精度的光學信號相位解調方法，還可W包括：
[0020] 1、步驟b中調整后的基波成分為：
[0026]其中，Jk(C)為貝塞爾函數系數，k為信號高階分量，A為光強直流分量，B為交流幅 度，P，q代表不同階數;m為伴生調幅系數。
[0027] 2、步驟c中調整后的基波成分為：
[002引-公/1(0111爭，
[00巧]二次諧波成分為：
[0030] BJ 40 cos(/>
[0031] N次諧波成分為：
[0032] 公A(('K〇s<75
[0033] 3、步驟e中N路信號被測相位值的第一路被測相位信號為：
[0039] 4、步驟f中，最終相位為：
[0040]
，
[0041] 有益效果：
[0042] 本發明公開一種增強穩定性，抑制系統噪聲的光學測量方法，該方法針對W上方 法的不足，不需要額外增加參考光路，使用數學變換的方法引入相關信號，進行相關去噪運 算，在控制傳感器制作成本W及體積外形基礎上，提升了解調信噪比；該方法包括前端采集 模塊，其作用是采集光路信號至解調裝置內并輸入至解調算法;多路鎖相模塊，其作用是根 據干設信號頻率分量的不同提取各個頻率成分，構造多路相位解調信號;數據解調模塊，其 作用是利用希爾伯特變換構造正交分量進行相位解調。整個過程為，光纖干設儀輸出信號 經光電探測器轉換進入光學測量系統內，將該路信號作為原始基準，進行多路不同頻次分 量鎖相，得到各種頻次信號分量，每一路分量可根據希爾伯特變換得到自身正交信號，通過 反正切查表計算的方法，進行獨立的不相關解調;最終解調結果中，光路中實相位變化成相 關性，解調過程及外界引入噪聲沒有相關性，可W通過累加平均降噪的方法獲得更高的信 噪比；本方法有效提高光學信號相位解調精度，可廣泛用于高精度光纖測量和光纖傳感等 領域。
[0043] 與現有技術相比，本發明的優點在于：
[0044] 1)在不改變原有的光路結構、不提升硬件性能的情況下，有效的消除伴生調幅，抑 制系統噪聲，提高信噪比N倍。
[0045] 2)提高系統穩定性與相位分辨率，在原有的光路基礎上可W有效消除光源調制引 起的系統狀態抖動。
[0046] 3)靈活性高，根據傳感器需求修改算法層，即可完成對傳感器信號處理性能的優 化。