專利名稱：一種光纖干涉型傳感信號解調的系統及方法
技術領域：
本發明涉及光纖通信技術領域，尤其涉及一種光纖干涉型傳感信號解調的系統及方法。
背景技術：
光纖干涉型傳感器本身具有靈敏度高、響應速度快、動態范圍寬、無源性、防爆、防電磁干擾、超高電絕緣、耐腐蝕、體積小、重量輕、成本低等優點，結合信號解調和多路復用技術它可以實現解調極低頻信號，同時也具有高精度、高穩定度、高線性度、易于組網復用、諧波失真低的優點，在地震探測、海洋資源勘探、地球物理研究以及水下軍事對抗等方面具有極其廣泛的應用前途。在光纖干涉型傳感器的多種解調方法中，相位生成載波(Phase GeneratorCarrier，簡稱PGC)解調技術是一種無源解調技術，其具有高分辨率、高線性度、低諧波失真、大動態范圍、穩定性較好、不依賴于光器件、性能較為穩定、易于復用的優點，應用最為廣泛。基于PGC解調技術的算法目前主要有兩種微分交叉相乘(DCM)算法和反正切(Arctan)算法。前者對信號光強度變化十分敏感，它不僅增加了解調系統的噪聲水平，同時還可能引入偽相位信息；而后者則不存在光強變化引起的干擾問題，具有較高的穩定性，但其要求調制深度C值嚴格等于2. 63，否則會出現較大的諧波失真。
發明內容
(一 )要解決的技術問題為解決上述的一個或多個問題，本發明提供了一種光纖干涉型傳感信號解調的系統及方法，以抑制諧波失真問題，提高穩定性。( 二 )技術方案根據本發明的一個方面，提供了一種光纖干涉型傳感信號解調的系統，該系統包括模數轉換模塊，其輸入端與光纖干涉型傳感信號的兩輸入端相連接，用于分別對輸入的載波信號和光纖干涉信號進行模擬數字轉換，生成第一數字采樣結果和第二數字采樣結果；濾波器模塊，其輸入端與模數轉換模塊的兩輸出端相連接，用于對模數轉換模塊輸出的第一數字采樣結果及其倍頻和第二數字采樣結果進行混頻處理和低通濾波，生成第一濾波結果和第二濾波結果；信號解調計算模塊，其輸入端與濾波器模塊的兩輸出端相連接，用于對濾波器模塊輸出的第一濾波結果和第二濾波結果采用微分自乘相加算法進行信號解調計算，生成信號解調計算結果。根據本發明的另一個方面，還提供了一種光纖干涉型傳感信號解調的方法。該方法包括分別對輸入的載波信號和光纖干涉信號進行模擬數字轉換，生成第一數字采樣結果和第二數字采樣結果；對第一數字采樣結果及其倍頻和第二數字采樣結果進行混頻處理 和低通濾波，生成第一濾波結果和第二濾波結果；對第一濾波結果和第二濾波結果采用微分自乘相加算法進行信號解調計算，生成信號解調計算結果。(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明光纖干涉型傳感信號解調的系統及方法，具有如下有益效果I、諧波失真低結合微分自乘相加算法和低通濾波器與帶通濾波器的設置，可以有效的降低諧波失真；2、穩定性高通過結果修正可以去除光強幅度的影響，能夠抑制光強變化引起的干擾問題，具有較高的穩定性；3、操作方便可以通過全數字化實現，便于調整和應用。
圖I為本發明實施例光纖干涉型傳感信號解調系統的結構示意圖；圖2為本發明實施例光纖干涉型傳感信號解調方法的流程示意圖。主要元件符號說明10-模數轉換模塊；101-第一信號調理單元；102-第二信號調理單元；103-第一 AD采樣單元； 104-第二 AD采樣單元；20-濾波器模塊；201-第一信號處理單元；202-第二信號處理單元；203-頻率檢測單元；204-第一低通濾波器；205-第二低通濾波器；30-信號解調計算模塊；301-第一微分器；302-第二微分器；303-第一乘法器；304-第二乘法器；305-加法器；306-積分器；307-帶通濾波器；40-信號檢測結果存儲及顯示模塊401_結果修正單兀；402_彳目號檢測結果存儲及顯不單兀。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。雖然本文可提供包括特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。本發明提出了一種區別于現有技術兩種PGC解調方法-微分交叉相乘(DCM)算法和反正切(Arctan)算法的新方法，該方法采用微分自乘相加的算法，結合低通濾波器和帶通濾波器的設置，并適當的對解調結果進行處理和標定，從而可以準確的解調傳感信號。在本發明的一個示例性實施例中，提出了一種光纖干涉型傳感信號解調的系統。圖I為本發明實施例光纖干涉型傳感信號解調系統的結構示意圖。如圖I所示，本實施例包括模數轉換模塊10、濾波器模塊20、信號解調計算模塊30和信號檢測結果存儲及顯示模塊40。以下分別對各組成模塊進行詳細說明。
首先，為便于說明，設未經調理的載波信號al和光纖干涉信號a2分別如下式(I)、
(2)所示X (t) = acos (2 π ft) (I)
y(t) = A +B cos[C cos(2π ft) + φ{t)](2)其中，&、八和8為信號1(1:)、7(1:)的幅值，C為調制深度，f為調制信號頻率,爐0)為待解調的信號。模數轉換模塊10，其輸入端與光纖干涉型傳感信號的兩輸入端相連接，用于分別對輸入的載波信號al和光纖干涉信號a2進行模擬數字轉換，生成第一數字采樣結果bl和第二數字采樣結果b2，第一數字采樣結果bl和第二數字采樣結果b2輸出給濾波器模塊20。如圖I所示，模數轉換模塊10，包括第一信號調理單元101、第二信號調理單元102、第一 AD米樣單兀103和第二 AD米樣單兀104。其中第一信號調理單兀101,與光纖干涉型傳感信號的載波信號輸入端相連接，用于對輸入的載波信號al進行信號調理，使其電壓幅度在第一 AD采樣單元103所要求的范圍內。第二信號調理單元102，與光纖干涉型傳感信號的光纖干涉信號輸入端相連接，用于對輸入的光纖干涉信號a2進行信號調理，使其幅度在第二 AD采樣單元104所要求的范圍內。優選地，第一 AD采樣單元103和第二 AD米樣單兀104所要求的電壓幅度范圍為±10V。第一 AD米樣單兀103,用于對第一信號調理單元101的輸出進行數字化采集，完成模擬數字轉換，生成第一數字采樣結果bl。第二AD采樣單元104，用于對第一信號調理102的輸出進行數字化采集，完成模擬數字轉換，生成第二數字采樣結果b2，采樣速率與第一 AD采樣103保持同步。優選地，第一 AD采樣單元103和第二 AD采樣單元104的采樣速率為10KS/s-200KS/s，最優為2. 5KHz。本領域技術人員應當清楚，如果能夠保證輸入的光纖干涉型傳感信號的第一 AD采樣單元和第二 AD采樣單元的范圍，第一信號調理單元101和第二信號調理單元102也可以省略，并且第一 AD采樣單元103和第二 AD采樣單元104的電壓幅度范圍和采樣速率也可以根據實際情況進行調整。濾波器模塊20，其輸入端與模數轉換模塊10的兩輸出端相連接，用于對模數轉換模塊10輸出的第一數字采樣結果bl及其倍頻和第二數字采樣結果b2進行混頻處理和低通濾波，生成第一濾波結果Cl和第二濾波結果c2，以抑制諧波干擾，第一濾波結果Cl和第二濾波結果c2輸出給信號解調計算模塊30。如圖I所示，濾波器模塊20包括第一信號處理單元201、第二信號處理單元202、頻率檢測單元203、第一低通濾波器204和第二低通濾波器205。其中第一信號處理單元201，用于對第一數字采樣結果bl與第二數字采樣結果b2進行混頻運算，并將運算結果輸出到第一低通濾波器204。第二信號處理單元202，用于對第一數字采樣結果bl的倍頻與第二數字采樣結果b2進行混頻運算，并將運算結果輸出到第二低通濾波器205。頻率檢測單元203，與第二 AD采樣單元104的輸出端相連接，用于從模數轉換后的光纖干涉信號-第二數字采樣結果b2中檢測出其最高頻率，將此頻率的一倍至兩倍作為第一低通濾波器204和第二低通濾波器205的低通截止頻率，該低通截止頻率通常為2KHz 4KHz。
第一低通濾波器204,用于對第一信號處理單兀201輸出結果進行低通濾波,生成第一濾波結果cl,濾波結果如公式(3)所不。第二低通濾波器205,用于對第二信號處理202輸出結果進行低通濾波，生成第二濾波結果c2。濾波器低通設置由頻率檢測單元203輸出結果進行控制，第二低通濾波器205的濾波器設置與第一低通濾波器204保持相同，濾波結果如公式(4)所示。
權利要求
1.一種光纖干涉型傳感信號解調的系統，其特征在于，包括 模數轉換模塊，其輸入端與光纖干涉型傳感信號的兩輸入端相連接，用于分別對輸入的載波信號和光纖干涉信號進行模擬數字轉換，生成第一數字采樣結果和第二數字采樣結果; 濾波器模塊，其輸入端與模數轉換模塊的兩輸出端相連接，用于對模數轉換模塊輸出的第一數字采樣結果及其倍頻和第二數字采樣結果進行混頻處理和低通濾波，生成第一濾波結果和第二濾波結果； 信號解調計算模塊，其輸入端與濾波器模塊的兩輸出端相連接，用于對濾波器模塊輸出的第一濾波結果和第二濾波結果采用微分自乘相加算法進行信號解調計算，生成信號解調計算結果。
2.根據權利要求I所述的光纖干涉型傳感信號解調的系統，其特征在于，所述濾波器模塊包括 第一信號處理單元，用于對第一數字采樣結果與第二數字采樣結果進行混頻運算，并將混頻運算結果輸出到第一低通濾波器； 第一低通濾波器，用于對第一信號處理單元輸出的混頻運算結果進行低通濾波，生成第一濾波結果； 第二信號處理單元，用于對第一數字采樣結果的倍頻與第二數字采樣結果進行混頻運算，并將運算結果輸出到第二低通濾波器。
第二低通濾波器，用于對第二信號處理單元輸出的混頻運算結果進行低通濾波，生成第二濾波結果。
3.根據權利要求2所述的光纖干涉型傳感信號解調的系統，其特征在于，所述濾波器模塊還包括 頻率檢測單元，與模數轉換模塊的輸出端相連接，用于從第二數字采樣結果中檢測出光纖干涉信號的最高頻率，將該最高頻率的一倍至兩倍作為第一低通濾波器和第二低通濾波器的低通截止頻率。
4.根據權利要求2所述的光纖干涉型傳感信號解調的系統，其特征在于，所述信號解調計算模塊包括 第一微分器，用于對第一濾波結果進行微分運算； 第一乘法器，用于對第一微分器的輸出的微分運算結果進行平方運算； 第二微分器，用于對第二濾波結果進行微分運算； 第二乘法器，用于對第二微分器的輸出的微分運算結果進行平方運算； 加法器，用于對第一乘法器輸出的平方運算結果和第二乘法器的輸出的平方運算結果進行加法運算； 積分器，用于對加法器的輸出的加法運算結果進行積分運算； 帶通濾波器，用于對積分器輸出的積分運算結果進行帶通濾波，生成信號解調計算結果O
5.根據權利要求4所述的光纖干涉型傳感信號解調的系統，其特征在于，所述模數轉換模塊包括 第一信號調理單元，與光纖干涉型傳感信號的載波信號輸入端相連接，用于對輸入的載波信號進行信號調理，使其電壓幅度在第一 AD采樣單元所要求的范圍內； 第一 AD采樣單元，用于對第一信號調理單元的輸出信號進行數字化采集，生成第一數字采樣結果； 第二信號調理單元，與光纖干涉型傳感信號的光纖干涉信號輸入端相連接，用于對輸入的光纖干涉信號進行信號調理，使其幅度在第二 AD采樣單元所要求的范圍內； 第二 AD采樣單元，用于對第一信號調理的輸出信號進行數字化采集，生成第二數字采樣結果。
6.根據權利要求I至5中任一項所述的光纖干涉型傳感信號解調的系統，其特征在于，還包括 信號檢測結果修正模塊，用于對信號解調計算模塊輸出的信號解調計算結果進行歸一化修正運算。
7.根據權利要求6所述的光纖干涉型傳感信號解調的系統，其特征在于，所述信號檢測結果修正模塊包括 結果修正單元，用于對信號解調計算模塊輸出的信號解調計算結果進行歸一化修正運算； 信號檢測結果存儲及顯示單元，用于對修正運算后的信號解調計算結果進行數字化存儲和顯示。
8.一種光纖干涉型傳感信號解調的方法，其特征在于，包括 分別對輸入的載波信號和光纖干涉信號進行模擬數字轉換，生成第一數字采樣結果和第二數字采樣結果； 對第一數字采樣結果及其倍頻和第二數字采樣結果進行混頻處理和低通濾波，生成第一濾波結果和第二濾波結果； 對第一濾波結果和第二濾波結果采用微分自乘相加算法進行信號解調計算，生成信號解調計算結果。
9.根據權利要求8所述的光纖干涉型傳感信號解調的方法，其特征在于，所述對第一數字采樣結果及其倍頻和第二數字采樣結果進行混頻處理和低通濾波，生成第一濾波結果和第二濾波結果的步驟包括 對第一數字采樣結果與第二數字采樣結果進行混頻運算，對混頻運算結果進行低通濾波，生成第一濾波結果； 對第一數字采樣結果的倍頻與第二數字采樣結果進行混頻運算，對混頻運算結果進行低通濾波，生成第二濾波結果。
10.根據權利要求9所述的光纖干涉型傳感信號解調的方法，其特征在于，所述對第一濾波結果和第二濾波結果采用微分自乘相加算法進行信號解調計算，生成信號解調計算結果的步驟包括 對第一濾波結果進行微分運算，對第一濾波結果的微分運算結果進行平方運算，生成第一平方運算結果； 對第二濾波結果進行微分運算，對第二濾波結果的微分運算結果進行平方運算，生成第二平方運算結果； 對第一平方運算結果和第二平方運算結果進行加法運算；對加法運算結果進行積分運算； 對積分運算結果進行帶通濾波，生成信號解調計算結果。
11.根據權利要求8至10中任一項所述的光纖干涉型傳感信號解調的方法，其特征在于，所述對第一濾波結果和第二濾波結果采用微分自乘相加算法進行信號解調計算，生成信號解調計算結果的步驟之后還包括 對信號解調計算結果進行歸一化修正運算。
全文摘要
本發明公開了一種光纖干涉型傳感信號解調的系統及方法。該系統包括模數轉換模塊，用于分別對輸入的載波信號和光纖干涉信號進行模擬數字轉換，生成第一數字采樣結果和第二數字采樣結果；濾波器模塊，用于對模數轉換模塊輸出的第一數字采樣結果及其倍頻和第二數字采樣結果進行混頻處理和低通濾波，生成第一濾波結果和第二濾波結果；信號解調計算模塊，用于對濾波器模塊輸出的第一濾波結果和第二濾波結果采用微分自乘相加算法進行信號解調計算，生成信號解調計算結果。本發明結合微分自乘相加算法和低通濾波器與帶通濾波器的設置，其能夠有效的抑制調制深度C值變化帶來的諧波失真問題。
文檔編號H04B10/12GK102624456SQ20121004159
公開日2012年8月1日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者徐團偉, 李芳 , 王國慶 申請人:中國科學院半導體研究所