一种具有高精度的光学信号相位解调系统及解调方法
一种具有高精度的光学信号相位解调系统及解调方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学(纤)干设仪测量领域，尤其设及一种具有高精度的光学信号相位 解调系统及解调方法。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器在振动信号探测方面具有灵敏度高，动态范围大，布设方便等优点，其 中，相位型光纤传感器广泛应用于水声信号监测，地震信号记录等领域内。相位型光纤传感 器的工作原理即通过测量应力，应变，位移W及加速度等物理量所引起的光路中的相位变 化来标定对应的物理量，如何准确测得相位信息成为了传感器的关键所在。1982年美国海 军实验室KI服ENDALL C K，DANDRIDGE A.等人提出了一种相位生成载波(PGC)的方法计算 干设光路的相位变化，该方法实现简单，计算精度高，广泛应用于干设型光纤传感器中，但 是又有着严重的问题。传统的PGC算法受环境影响很大，包括光源的抖动，调制器状态的漂 移等问题。在此基础上，人们致力于如何抑制外界的环境噪声，保证获取更为精准的测量信 号。
[0003] 清华大学在如何抑制噪声运方面做了很多研究，施清平发表的"一种消除伴生调 幅的光源调频型相位生成载波解调方法"提出了利用3X3禪合器构造辅助光路的办法，引 入额外的参考信号消除掉伴生调幅影响；张敏等人提出了一种去相关的方法（CN 201110191719.4)，通过在PGC系统中引入一个3X2禪合器，利用另外两路参考信号之间存 在固定相位差的特点实现消除同源噪声；美国化vid B.化11，La Crescenta，Calif等人提 出了一种多路归一化的方法化S006134015A)，通过同时测量6路相同的干设仪数据，然后将 数据做归一化处理得到更好的噪声结果。W上几种方法核屯、思想是利用多路信号之间的相 关性，将不相关的噪声进行剔除，从而获得更好的输出结果，但是在构造相关信号方面都增 加了光信号路数，无疑会带来额外的环境影响因素；
[0004] 另外美国的Antonio L.Deus，Gerald L.Assard等人提出一种改进型交叉微分相 乘方法化S6580314B1)，该方法不必额外增加光路结构，利用一路传感信号中的基频分量， 倍频分量开方结果引入求解过程，消除部分噪声，但是运种方法容易受伴生调幅影响，当基 频分量，倍频分量波动很大时，系统输出质量会下降；哈尔滨工程大学杨军等人也同时提出 一种利用楠圆拟合矫正的方法(CN 201510293443.9)?及一种增大动态范围、增强稳定性 的光学干设相位解调方法(201510293443.3)，来修正光源伴生调幅影响。W上运两种方法 都在光路结构上同时引入了3X3禪合器，利用另外一路或多路输出作为辅助计算信号，进 行相关运算，抑制噪声。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种能够进行独立的不相关解调的，一种具有高精度的光学 信号相位解调系统。本发明的目的还包括提供一种能够增强稳定性和精度的，一种具有高 精度的光学信号相位解调方法。
[0006] -种具有高精度的光学信号相位解调系统，包括前端采集模块、多路锁相模块和 数据解调模块，
[0007] 前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，调相波子模块输出N路信号， 包括基频信号cos(w化）、倍频信号cos(2w化）……N阶频信号cos(Nw化），数据采集子模块 采集并输出PGC干设信号；
[000引多路锁相模块包括N个乘法器和N个滤波器，PGC干设信号分别与调相波子模块输 出的N路信号中的一路信号经过一个乘法器后传入一个滤波器中，得到N路信号的谐波成 分；
[0009] 数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加子模块和降采样平滑滤 波子模块，N路信号的谐波成分分别经过一个希尔伯特变换子模块后传入一个相位累加子 模块，N个相位累加子模块将输出信号传送给降采样平滑滤波子模块，得到最终相位进行输 出。
[0010] -种具有高精度的光学信号相位解调方法，包括前端采集模块、多路锁相模块和 数据解调模块，前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，多路锁相模块包括N个 乘法器和N个滤波器，数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加子模块和降 采样平滑滤波子模块；
[0011] a、调相波子模块生成输出N路信号，包括基频信号cos(w化）、倍频信号cos(2w ot)……N阶频信号cos(Nw化），数据采集子模块采集并输出PGC干设信号：
[0012] 戶=.4 + 及口〇邑[(7005 邱？牛巧(0]
[001引其中P为信号幅度，A为光源直流项，B为光源交流项，C为调制深度，ω日为调制信号 频率，A (?)为待测量相位信号；
[0014] b、将调相波子模块生成输出的N路信号分别与PGC干设信号进行相乘，再进行滤波 操作，得到锁相后N路信号的谐波成分，包括基波成分、二次谐波成分……N次谐波成分；
[0015] C、调整调制深度C，得到调整后的N路信号的谐波成分；
[0016] d、对调整后的N路信号的谐波成分进行希尔伯特变换操作；
[0017] e、求取N路信号被测相位值；
[0018] f、对求得的相位值使用降采样平滑的方法得到最终相位输出。
[0019] 本发明一种具有高精度的光学信号相位解调方法，还可W包括：
[0020] 1、步骤b中调整后的基波成分为：
[0026]其中，Jk(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量，A为光强直流分量，B为交流幅 度，P，q代表不同阶数;m为伴生调幅系数。
[0027] 2、步骤c中调整后的基波成分为：
[002引-公/1(0111爭，
[00巧]二次谐波成分为：
[0030] BJ 40 cos(/>
[0031] N次谐波成分为：
[0032] 公A(('K〇s<75
[0033] 3、步骤e中N路信号被测相位值的第一路被测相位信号为：
[0039] 4、步骤f中，最终相位为：
[0040]
，
[0041] 有益效果：
[0042] 本发明公开一种增强稳定性，抑制系统噪声的光学测量方法，该方法针对W上方 法的不足，不需要额外增加参考光路，使用数学变换的方法引入相关信号，进行相关去噪运 算，在控制传感器制作成本W及体积外形基础上，提升了解调信噪比；该方法包括前端采集 模块，其作用是采集光路信号至解调装置内并输入至解调算法;多路锁相模块，其作用是根 据干设信号频率分量的不同提取各个频率成分，构造多路相位解调信号;数据解调模块，其 作用是利用希尔伯特变换构造正交分量进行相位解调。整个过程为，光纤干设仪输出信号 经光电探测器转换进入光学测量系统内，将该路信号作为原始基准，进行多路不同频次分 量锁相，得到各种频次信号分量，每一路分量可根据希尔伯特变换得到自身正交信号，通过 反正切查表计算的方法，进行独立的不相关解调;最终解调结果中，光路中实相位变化成相 关性，解调过程及外界引入噪声没有相关性，可W通过累加平均降噪的方法获得更高的信 噪比；本方法有效提高光学信号相位解调精度，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等 领域。
[0043] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0044] 1)在不改变原有的光路结构、不提升硬件性能的情况下，有效的消除伴生调幅，抑 制系统噪声，提高信噪比N倍。
[0045] 2)提高系统稳定性与相位分辨率，在原有的光路基础上可W有效消除光源调制引 起的系统状态抖动。
[0046] 3)灵活性高，根据传感器需求修改算法层，即可完成对传感器信号处理性能的优 化。
【附图说明】
[0047] 图1为一种改进相位解调算法的流程图；
[0048] 图2为改进相位解调方法实验装置图；
[0049] 图3为希尔伯特变换及信号求解过程详细流程图；
[0050] 图4为N路叠加降噪效果图，图4(a)为N= 10时的N路叠加降噪效果图，图4(b)为N = 100时的N路叠加降噪效果图。
【具体实施方式】
[0051 ]下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0052] 1.-种提高光学信号相位解调精度的方法，包含前端采集模块10,多路锁相模块 11，数据解调模块12。
[0053] 1)调相波子模块101输出调相波信号cos(w化）至光源调制器223,同时生成本地 载波信号cos(w化）即基频信号103,倍频载波cos(2w化）即倍频信号104，W此规律生成信 号cos (N ω ot)即N阶频信号105，共计N路；
[0054] 2)数据采集子模块102采集放大器222输出，其形式为：
[0055] 户=:,4+-公 cosITcos 巧 Μ-??、(川 (I)
[0056] 旨PPGC干设信号106,其中Ρ为信号幅度，A为光源直流项，Β为光源交流项，C为调制 深度，ω〇为调制信号频率，PW为待测量相位信号；将公式（1)所示进行贝赛尔展开，可W 得到PGC干设信号106的频谱成分为：
[0057]
稱 [005引其中Jk(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量。
[0059] 3)将基频信号103,倍频信号104……N阶频信号105分别与PGC干设信号106进行相 乘运算，之后进行滤波运算可W得到锁相后的基波成分117,二次谐波成分118……N次谐波 成分119,其形式为：
[0063] 其中A为光强直流分量，B为交流幅度，p，q代表不同阶数;m为伴生调幅系数。
[0064] 4)调整调制深度C，使J1(C) - J3(C)、J0(C) - J2(C)，Jp(C) - Jq(C)就可W得到修 正基波成分117,二次谐波成分118……N次谐波成分119,再经过高通滤波处理即消除伴生 调幅系数m对解调结果的影响，得到
[00化] -皮/i(〇si凸 P (6)
[0066] .?A(C')cos</j (7)
[0067] Wj\(〇cos 口 （8)
[0068] 5)对调整后的基波成分117即公式(6)，二次谐波成分118即公式（7)……N次谐波 成分119即公式(8)进行希尔伯特变换操作，设任意需要进行变换的信号为x(t)，对应输出 结果为如），旨如下关系：
[0069]
(9)
[0070] 所W在公式(6)(7)(8)输入后即可得到对应的正交分量，使用反正切求解的方法 可W分别求得N路信号被测相位值：
[0074] 其中护備#納'…··卿巧分别为第一路被测相位信号3111，第二路被测相位信号 3112……第N路相位被测信号3113，H为希尔伯特变换过程。最后在输出末端使用降采样平 滑的方法得到最终输出结果：
[0075]
(13)
[0076] 2.所述的前端采集模块10,多路锁相模块11，数据解调模块12,其内部参数设定：
[0077] 1)调相波子模块101，根据光源调制器223增益倍数输出幅度为Irad-lOrad，频率 ω 0为20kHz-2MHz的正弦信号进行载波调制;调相波子模块101输出N路本地调相波信号，信 号频率为ω日，2 ω日……Νω日不等，根据系统采样率取Ν= 1-104皆可；
[0078] 2)数据采集子模块102根据调相波信号频率范围，设定采样率为IMHz-lOOMHz;
[0079] 3)多路锁相模块11中第一滤波器114,第二滤波器115W及第N滤波器116为低通滤 波器，截止频率根据调相波信号频率范围选定为10kHz-2MHz不等，衰减速度至少为-80dB/ 十倍频。
[0080] 4)数据解调模块12中第一希尔伯特变换子模块121，第二希尔伯特变换子模块122 W及第N希尔伯特变换子模块123根据采样率匹配运行速率为10MHZ-500MHZ。
[0081] ?发明原理：
[0082] 本算法用于解决干设仪的相位解调，干设仪基本结构C示，主要包括W下几个模 块:光源模块20，干设仪21，探测及控制模块22，数字解调模块23。
[0083] 系统工作开始，光源201输出调制后的稳定干设信号，经过隔离器202并通过衰减 器203注入到干设仪21中。其中隔离器202用来防止光路中的回光反射对光源造成伤害，衰 减器203用于调节光路的输出功率，控制光路的输出光强在被采样的时候能有更好的信噪 比。光源模块20输出光射入环形器211中，从环形器A口输入通过B口注入到2X2禪合器212 的一臂中，经过2X2禪合器212分成两路;第一路光经过光纤环213到达第一法拉第旋镜214 处，被法拉第旋镜反射回2X2禪合器212中；第二路光经过压电陶瓷环216到达第二法拉第 旋镜215处，同样被反射回2X2禪合器212中，并与第一路光在此发生干设。运两个法拉第旋 镜在此作用是消除光路中的偏振衰落现象。干设信号分别由2X2禪合器两路输出，一路光 经过环形器211的B 口并由C 口输出至差分探测器221处;另一路信号直接输出至差分探测器 211处；由于运两路信号具有半个周期的相位差，在差分后可W去掉一部分共光路的噪声。
[0084] 差分探测器221的输出连接至放大器222,将前端光信号调理至采集系统动态范围 内的电压信号。放大器222的增益倍数由增益控制器224控制，增益控制器根据采集模块231 的动态范围与实时信号值大小调节光信号增益倍数。放大器222输出连接至采集模块231， 采集到的电压值送入计算机232进行处理，同时计算机231将调相波信号送入采集模块231 中。为了能得到稳定可靠的高信噪比信号，需要设定调制深度在2-lOrad的一个合理范围 内，即通过光源调制器223,使光路的调相波在光路中的相位变化幅度为2-lOrad。由于光路 输出带有调相波信号，在放大器222的输出端得到干设信号如公式（1)所示;经过采集模块 231将数据送入计算机232中进行算法解调。
[0085] ?算法流程结构
[0086] 该算法由前端采集模块10,多路锁相模块11，数据解调模块12组成，其中前端采集 模块10采集干设信号，经过多路锁相模块11与数据解调模块12得到系统输出。
[0087] 前端采集模块10中调相波子模块101用于产生调相波与本地载波，数据采集子模 块102用于采集PGC干设信号106。
[0088] 多路锁相模块11完成对PGC干设信号106不同信号频率分量提取功能，经过第一乘 法器111，第二乘法器112……第N乘法器113等完成信号混频过程;经过第一滤波器114,第 二滤波器115……第N滤波器116等实现PGC干设信号106不同信号频率分量提取。
[0089] 数据解调模块12完成希尔伯特变换功能;通过第一希尔伯特变换子模块121，第二 希尔伯特变换子模块122……第N希尔伯特变换子模块123对基波成分117,二次谐波成分 118……N次谐波成分119进行希尔伯特变换操作。
[0090] ?希尔伯特变换解调原理
[0091] 基波成分117,二次谐波成分118，N次谐波成分119经过修正后，通过第一高通滤波 器301、第二高通滤波器303 W及第N高通滤波器306得到N组交流信号;希尔伯特变换过程为 自身与希尔伯特变换常量305作卷积运算，根据希尔伯特变换原 理如公式(9)所示。设原始 信号为h(t)则
[0092] h(t) = lAt (14)
[0093] 其希尔伯特变换的幅度，相位特性为
[0094]
(15)
[0095] 即通过希尔伯特变换为幅频特性为1的全通滤波器。任意信号通过希尔伯特变换 器后，其负频率成分作+90°相移，而正频率成分作一90°相移。
[0096] 基波变换分量311与基波成分117同时经过第一除法器314得到被测相位信号的正 切值;二次谐波变换分量312与二次谐波成分118同时通过第二除法器315也可得到被测信 号的正切值，依次类推，有N路信号。运几路信号分别由第一反正切子模块317,第二反正切 子模块318,第N反正切子模块319求解得到对应的第一路被测相位信号3111与第二路被测 相位信号3112,第N路被测相位信号3113;
[0097] ?多路降噪取平均原理
[0098] 当系统共有N路信号参与解调时，即有N路相关的信号，但是每路信号分别带有不 相关的噪声值，附图4说明N路取平均降噪结果，W下是证明过程：
[0099] 设任意信号x(t)，其对应的傅立叶变换为：
[0100]
舶）
[0101] 当取一定长度信号做傅里叶变换，得到对应频谱的幅度值为：
[0102]
(17)
[0103] 若N路信号相关，则将N路信号相加，可W得到N路信号累加后的频谱为：
[0104]
(18)：
[0105] 此时，求该信号的功率谱为傅里叶变换模值的平方：
[0106]
(巧）
[0107] 即N路信号叠加，信号功率为原单一信号功率的妒倍；
[0108] 但是对于噪声信号而言，N路噪声信号能量不同，根据化rseval定理，信号能量守 恒，时域能量等于频域能量，不会因为变换而发生改变，即函数平方的和(或积分)等于其傅 里叶转换式平方之和(或者积分）。此时，我们已知噪声为随机信号，服从概率分布，所W噪 声功率为:σ 2;此时可W计算出其对应的频域功率大小为：
[0109]
(20)
[0110] 当Ν路随进信号叠加，其噪声功率和为
[0111]
(21)
[0112]所W当信号路数叠加至Ν路情况下，其信噪比为：
[011引
（22)
[0114] 由此可W得出结论，在信号路数经过希尔伯特变换被拓展为Ν路情况下，其信噪比 为原来的Ν倍。
[0115] -种提高光学信号相位解调精度的方法，光纤干设仪输出信号经光电探测器转换 进入光学信号相位解调处理系统内，采集模块通过合理调节光源调制器增益倍数，抑制伴 生调幅现象的影响;相位计算过程中通过多通道，多频次锁相的办法构造出多路测量信号， 每一路信号分别进行希尔伯特变换得到自身的正交分量，各路信号通过与自身正交分量进 行反正切查表计算分别得到相位变化量，运些相位变化量呈相关性，且带有一定的共模噪 声，通过平均平滑的方法抑制共模噪声，使输出获得更好的信噪比;本方法有效提高光学信 号相位解调精度，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。
[0116] -种提高光学信号相位解调精度的方法，包含前端采集模块10,其特征是多路锁 相模块11，数据解调模块12。
[0117] 1)调相波子模块101输出调相波信号cos(w化）至光源调制器223,同时生成本地 载波信号cos(w化）即基频信号103,倍频载波cos(2w化）即倍频信号104，W此规律生成信 号cos (N ω ot)即N阶频信号105，共计N路；
[0118] 2)数据采集子模块102采集放大器222输出，其形式为：
[0119] 尸= ,4 + 6cos|_('cos?(j(+&(0] (.2.3)
[0120] 旨PPGC干设信号106,其中P为信号幅度，A为光源直流项，B为光源交流项，C为调制 深度，ω〇为调制信号频率，AW为待测量相位信号;将公式(23)所示进行贝赛尔展开，可W 得到PGC干设信号106的频谱成分为：
[0121]
(24)
[0122] 其中Jk(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量。
[0123] 3)将基频信号cos( 〇化）1〇3，倍频信号(3〇3(2〇化）1〇4……N阶频信号cos(N〇〇t) 105分别与PGC干设信号106进行相乘运算，之后进行滤波运算可W得到锁相后的基波成分 117,二次谐波成分118……N次谐波成分119,其形式为：
[0127] 其中A为光强直流分量，B为交流幅度，p，q代表不同阶数;m为伴生调幅系数。
[0128] 4)调整调制深度C，使Ji(C) - j3(C)、Jo(C) - j2(C)，Jp(C) - Jq(C)就可W得到修正 后的基波成分117,二次谐波成分118……N次谐波成分119,再经过高通滤波处理即消除伴 生调幅系数m对解调结果的影响，得到
[0129] -公/,((')sin0 (28)
[0130] 5./,(0 cos ?/? (29)
[0131] 公/、（〇cos 取 (30)
[0132] 5)对调整后的基波成分117即公式（28)，二次谐波成分118即公式(29)……N次谐 波成分119即公式(30)进行希尔伯特变换操作，设任意需要进行变换的信号为x(t)，对应输 出结果为苟。，有如下关系：
[0133]
(31)
[0134] 所W在公式(28)(29)(30)输入后即可得到对应的正交分量，使用反正切求解的方 法可W分别求得N路信号被测相位值：
[0137]
〇4)
[013引其中P1的，巧灼·……奶㈱分别为第一路被测相位信号3111，第二路被测相位信号 3112……第N路相位被测信号3113，H为希尔伯特变换过程。最后在输出末端使用降采样平 滑的方法得到最终输出结果：
[0139]
(35)
[0140] 前端采集模块10,多路锁相模块11，数据解调模块12,其内部参数是：
[0141] 1)调相波子模块101，根据光源调制器223增益倍数输出幅度为Irad-lOrad，频率 ω 0为20kHz-2MHz的正弦信号进行载波调制;调相波子模块101输出N路本地调相波信号，信 号频率为ω日，2 ω日……Νω日不等，根据系统采样率取Ν= 1-104皆可；
[0142] 2)数据采集子模块102根据调相波信号频率范围，设定采样率为IMHz-lOOMHz;
[0143] 3)多路锁相模块11中第一滤波器114,第二滤波器115W及第N滤波器116为低通滤 波器，截止频率根据调相波信号频率范围选定为10kHz-2MHz不等，衰减速度至少为-80dB/ 十倍频。
[0144] 4)数据解调模块12中第一希尔伯特变换子模块121，第二希尔伯特变换子模块122 W及第N希尔伯特变换子模块123根据采样率匹配运行速率为10MHZ-500MHZ。
[0145] 实施例一一增加 N路抑制系统噪声
[0146] 干设仪装置如图2所示，干设仪测量装置的器件选择与参数如下：
[0147] 1.光源201的中屯、波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于1~lOmW;
[0148] 2.光纤隔离器202工作波长1550nm± 5皿，插入损耗< 1.0地(23°C工作溫度时），回 波损耗^55地；
[0149] 3.环形器211工作波长1550nm&a mp;1310皿，插入损耗1.0地，隔离度28地，方向性50地， 工作溫度0~70°C，回波损耗45地；
[0150] 4.第一法拉第旋镜214、第二法拉第旋镜215工作波长1550nm±5nm，插入损耗 0.6地，法拉第旋转角度90°，旋转角误差@23°C为±1°，最大光源承受能力1W，工作溫度-40 至 85。。
[0151] 5.用于加载标定信号的压电陶瓷尺寸为24mm，电容22nF，耐压幅度0~120V;
[015^ 6.2 X 2禪合器212工作波长1550醒，使用2 X 2禪合器的1端口与2端口输入，1端口 输入对应2路输出分光比为49.8%，50.2 %，2端口输入对应2路输出分光比为49.6%， 50.4%;
[0153] 7.差分探测器221为InGaAs型光电探测器，连接模式属于尾纤式FC/PC，工作波长 为llOOnm~1650nm，光强响应度R = 0.85A/W，电容为0.35pF;
[0154] 8.放大器222用于放大转换后的光电压信号，工作带宽为200曲Z，工作过程包括使 用MSP430单片机采集信号幅度，调节信号增益，保证信号幅度并不会饱和；
[01 W] 9 .采集模块231为NI-6366采集卡，采样率为2Mbps，同步采集，输入电压幅度± 10V，采样时钟为采集卡内部时钟，Ξ路同步误差小于10ns，输入电阻20kQ ;
[0156] 10.压电陶瓷驱动器233为功率放大器，使用AD公司的AD8040轨对轨功率放大器， 工作电压2.7V~12V，工作带宽125MHz，最大输出电流200mA，负载电容15pF;
[0157] 相位解调系统的调制深度稳定测试具体流程如附图1和图3所示：
[0158] 1.系统启动，信号采集模块10产生载波调制光源，采样率为2Mbps，载波频率为 20kHz，调制波形中混入调制深度C值得抖动与变化，将调制深度变化波动量设置为±10%， 压电陶瓷产生标定信号，频率为10化，随着调制电压增加，产生光路相位变化l(T 5rad~ lO^rad；
[0159] 2.经过数据采集子模块102得到PGC干设信号106,调相波子模块101产生基频信号 103,倍频信号104,设置本地调相波信号幅度为IV，频率为20曲Z，采样率为2MHz;
[0160] 3.锁相滤波模块11中，设置第一、第二、第N滤波器为FIR等纹波滤波器，参数为通 带lOkHz，截阻带12kHz，衰减-120地，通带纹波为0.01地，阶数为764阶，数据经过滤波器后 得到两路正交信号。
[0161] 4.设置第一，第二、第N乘法器为有符号同步乘法器，输入数据为16bi t单精度有符 号浮点数据，输出数据为32bit有符号双精度浮点类型数据。
[0162] 5.设置第一，第二、第N高通滤波器为FIR等纹波滤波器，参数为通带IHz，截阻带 IHz，衰减-120地，通带纹波为0.01地，阶数为953阶，数据经过滤波器后得到两路交流信号。
[0163] 6.设置第一，第二、第N卷积器为串行工作方式，卷积常量根据实际信号幅度大小 调节，卷积器工作时钟频率与乘法器相同。
[0164] 7.设置第一，第二、第N除法器为有符号除法器，输入数据为16bit单精度有符号浮 点数据，输出数据为32bit有符号双精度浮点类型数据，信号经过除法器得到消掉光强波动 与调制量波动的信号比值。
[0165] 8.设置第一，第二、第N相位累加器为串行工作模式，相位累计器内部采用二分查 表法与8分圆区间工作模式，保证信号每次变换不会超过系统解调的动态范围。
[0166] 9.设置平均降噪子模块为并行数据输出模式，对N路输入信号取平均值得到去掉 共模噪声的输出结果。
[0167] 10.经过改进后的光学干设相位解调方法，当变换路数N=10时，信噪比为26.9地， 当拓展计算路数N=100时，信噪比为38.3地，增加10地左右。
【主权项】
1. 一种具有高精度的光学信号相位解调系统，其特征在于:包括前端采集模块、多路锁 相模块和数据解调模块， 前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，调相波子模块输出N路信号，包括 基频信号(^^(??。、倍频信号⑶以]^^#)……N阶频信号C〇S(N?Qt)，数据采集子模块采集 并输出PGC干涉信号； 多路锁相模块包括N个乘法器和N个滤波器，PGC干涉信号分别与调相波子模块输出的N 路信号中的一路信号经过一个乘法器后传入一个滤波器中，得到N路信号的谐波成分； 数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加子模块和降采样平滑滤波子 模块，N路信号的谐波成分分别经过一个希尔伯特变换子模块后传入一个相位累加子模块， N个相位累加子模块将输出信号传送给降采样平滑滤波子模块，得到最终相位进行输出。2. -种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于:包括前端采集模块、多路锁 相模块和数据解调模块，前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，多路锁相模 块包括N个乘法器和N个滤波器，数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加 子模块和降采样平滑滤波子模块； a、 调相波子模块生成输出N路信号，包括基频信号…… N阶频信号C〇S(Nc〇Qt)，数据采集子模块采集并输出PGC干涉信号：其中P为信号幅度，A为光源直流项，B为光源交流项，C为调制深度，ω 〇为调制信号频率， ft W为待测量相位信号； b、 将调相波子模块生成输出的N路信号分别与PGC干涉信号进行相乘，再进行滤波操 作，得到锁相后N路信号的谐波成分，包括基波成分、二次谐波成分……N次谐波成分； c、 调整调制深度C，得到调整后的N路信号的谐波成分； d、 对调整后的N路信号的谐波成分进行希尔伯特变换操作； e、 求取N路信号被测相位值； f、 对求得的相位值使用降采样平滑的方法得到最终相位输出。3. 根据权利要求2所述的一种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于:所述 的步骤b中调整后的基波成分为：二次谐波成分为：N次谐波成分分别为：其中，Jk( C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量，A为光强直流分量，B为交流幅度，p，q 代表不同阶数;m为伴生调幅系数。4. 根据权利要求2所述的一种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于:所述 的步骤c中调整后的基波成分为：二次谐波成分为：N次谐波成分为：5. 根据权利要求2所述的一种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于:所述 的步骤e中N路信号被测相位值的第一路被测相位信号为：第二路被测相位信号为：第N路相位被测信号为：6. 根据权利要求2所述的一种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于:所述 的步骤f中，最终相位为：
【专利摘要】本发明公开了一种具有高精度的光学信号相位解调系统及解调方法。包括前端采集模块、多路锁相模块和数据解调模块，前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，多路锁相模块包括N个乘法器和N个滤波器，数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加子模块和降采样平滑滤波子模块。本发明能够进行独立的不相关解调，最终解调结果中，光路中实相位变化成相关性，解调过程及外界引入噪声没有相关性，可以通过累加平均降噪的方法获得更高的信噪比；本发明有效提高光学信号相位解调精度，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。
【IPC分类】G01D5/353
【公开号】CN105486331
【申请号】CN201510869444
【发明人】彭峰, 侯璐, 吴冰, 苑勇贵, 侯长波
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月1日
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学(纤)干设仪测量领域，尤其设及一种具有高精度的光学信号相位 解调系统及解调方法。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器在振动信号探测方面具有灵敏度高，动态范围大，布设方便等优点，其 中，相位型光纤传感器广泛应用于水声信号监测，地震信号记录等领域内。相位型光纤传感 器的工作原理即通过测量应力，应变，位移W及加速度等物理量所引起的光路中的相位变 化来标定对应的物理量，如何准确测得相位信息成为了传感器的关键所在。1982年美国海 军实验室KI服ENDALL C K，DANDRIDGE A.等人提出了一种相位生成载波(PGC)的方法计算 干设光路的相位变化，该方法实现简单，计算精度高，广泛应用于干设型光纤传感器中，但 是又有着严重的问题。传统的PGC算法受环境影响很大，包括光源的抖动，调制器状态的漂 移等问题。在此基础上，人们致力于如何抑制外界的环境噪声，保证获取更为精准的测量信 号。
[0003] 清华大学在如何抑制噪声运方面做了很多研究，施清平发表的"一种消除伴生调 幅的光源调频型相位生成载波解调方法"提出了利用3X3禪合器构造辅助光路的办法，引 入额外的参考信号消除掉伴生调幅影响；张敏等人提出了一种去相关的方法（CN 201110191719.4)，通过在PGC系统中引入一个3X2禪合器，利用另外两路参考信号之间存 在固定相位差的特点实现消除同源噪声；美国化vid B.化11，La Crescenta，Calif等人提 出了一种多路归一化的方法化S006134015A)，通过同时测量6路相同的干设仪数据，然后将 数据做归一化处理得到更好的噪声结果。W上几种方法核屯、思想是利用多路信号之间的相 关性，将不相关的噪声进行剔除，从而获得更好的输出结果，但是在构造相关信号方面都增 加了光信号路数，无疑会带来额外的环境影响因素；
[0004] 另外美国的Antonio L.Deus，Gerald L.Assard等人提出一种改进型交叉微分相 乘方法化S6580314B1)，该方法不必额外增加光路结构，利用一路传感信号中的基频分量， 倍频分量开方结果引入求解过程，消除部分噪声，但是运种方法容易受伴生调幅影响，当基 频分量，倍频分量波动很大时，系统输出质量会下降；哈尔滨工程大学杨军等人也同时提出 一种利用楠圆拟合矫正的方法(CN 201510293443.9)?及一种增大动态范围、增强稳定性 的光学干设相位解调方法(201510293443.3)，来修正光源伴生调幅影响。W上运两种方法 都在光路结构上同时引入了3X3禪合器，利用另外一路或多路输出作为辅助计算信号，进 行相关运算，抑制噪声。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种能够进行独立的不相关解调的，一种具有高精度的光学 信号相位解调系统。本发明的目的还包括提供一种能够增强稳定性和精度的，一种具有高 精度的光学信号相位解调方法。
[0006] -种具有高精度的光学信号相位解调系统，包括前端采集模块、多路锁相模块和 数据解调模块，
[0007] 前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，调相波子模块输出N路信号， 包括基频信号cos(w化）、倍频信号cos(2w化）……N阶频信号cos(Nw化），数据采集子模块 采集并输出PGC干设信号；
[000引多路锁相模块包括N个乘法器和N个滤波器，PGC干设信号分别与调相波子模块输 出的N路信号中的一路信号经过一个乘法器后传入一个滤波器中，得到N路信号的谐波成 分；
[0009] 数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加子模块和降采样平滑滤 波子模块，N路信号的谐波成分分别经过一个希尔伯特变换子模块后传入一个相位累加子 模块，N个相位累加子模块将输出信号传送给降采样平滑滤波子模块，得到最终相位进行输 出。
[0010] -种具有高精度的光学信号相位解调方法，包括前端采集模块、多路锁相模块和 数据解调模块，前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，多路锁相模块包括N个 乘法器和N个滤波器，数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加子模块和降 采样平滑滤波子模块；
[0011] a、调相波子模块生成输出N路信号，包括基频信号cos(w化）、倍频信号cos(2w ot)……N阶频信号cos(Nw化），数据采集子模块采集并输出PGC干设信号：
[0012] 戶=.4 + 及口〇邑[(7005 邱？牛巧(0]
[001引其中P为信号幅度，A为光源直流项，B为光源交流项，C为调制深度，ω日为调制信号 频率，A (?)为待测量相位信号；
[0014] b、将调相波子模块生成输出的N路信号分别与PGC干设信号进行相乘，再进行滤波 操作，得到锁相后N路信号的谐波成分，包括基波成分、二次谐波成分……N次谐波成分；
[0015] C、调整调制深度C，得到调整后的N路信号的谐波成分；
[0016] d、对调整后的N路信号的谐波成分进行希尔伯特变换操作；
[0017] e、求取N路信号被测相位值；
[0018] f、对求得的相位值使用降采样平滑的方法得到最终相位输出。
[0019] 本发明一种具有高精度的光学信号相位解调方法，还可W包括：
[0020] 1、步骤b中调整后的基波成分为：
[0026]其中，Jk(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量，A为光强直流分量，B为交流幅 度，P，q代表不同阶数;m为伴生调幅系数。
[0027] 2、步骤c中调整后的基波成分为：
[002引-公/1(0111爭，
[00巧]二次谐波成分为：
[0030] BJ 40 cos(/>
[0031] N次谐波成分为：
[0032] 公A(('K〇s<75
[0033] 3、步骤e中N路信号被测相位值的第一路被测相位信号为：
[0039] 4、步骤f中，最终相位为：
[0040]
，
[0041] 有益效果：
[0042] 本发明公开一种增强稳定性，抑制系统噪声的光学测量方法，该方法针对W上方 法的不足，不需要额外增加参考光路，使用数学变换的方法引入相关信号，进行相关去噪运 算，在控制传感器制作成本W及体积外形基础上，提升了解调信噪比；该方法包括前端采集 模块，其作用是采集光路信号至解调装置内并输入至解调算法;多路锁相模块，其作用是根 据干设信号频率分量的不同提取各个频率成分，构造多路相位解调信号;数据解调模块，其 作用是利用希尔伯特变换构造正交分量进行相位解调。整个过程为，光纤干设仪输出信号 经光电探测器转换进入光学测量系统内，将该路信号作为原始基准，进行多路不同频次分 量锁相，得到各种频次信号分量，每一路分量可根据希尔伯特变换得到自身正交信号，通过 反正切查表计算的方法，进行独立的不相关解调;最终解调结果中，光路中实相位变化成相 关性，解调过程及外界引入噪声没有相关性，可W通过累加平均降噪的方法获得更高的信 噪比；本方法有效提高光学信号相位解调精度，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等 领域。
[0043] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0044] 1)在不改变原有的光路结构、不提升硬件性能的情况下，有效的消除伴生调幅，抑 制系统噪声，提高信噪比N倍。
[0045] 2)提高系统稳定性与相位分辨率，在原有的光路基础上可W有效消除光源调制引 起的系统状态抖动。
[0046] 3)灵活性高，根据传感器需求修改算法层，即可完成对传感器信号处理性能的优 化。
【附图说明】
[0047] 图1为一种改进相位解调算法的流程图；
[0048] 图2为改进相位解调方法实验装置图；
[0049] 图3为希尔伯特变换及信号求解过程详细流程图；
[0050] 图4为N路叠加降噪效果图，图4(a)为N= 10时的N路叠加降噪效果图，图4(b)为N = 100时的N路叠加降噪效果图。
【具体实施方式】
[0051 ]下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0052] 1.-种提高光学信号相位解调精度的方法，包含前端采集模块10,多路锁相模块 11，数据解调模块12。
[0053] 1)调相波子模块101输出调相波信号cos(w化）至光源调制器223,同时生成本地 载波信号cos(w化）即基频信号103,倍频载波cos(2w化）即倍频信号104，W此规律生成信 号cos (N ω ot)即N阶频信号105，共计N路；
[0054] 2)数据采集子模块102采集放大器222输出，其形式为：
[0055] 户=:,4+-公 cosITcos 巧 Μ-??、(川 (I)
[0056] 旨PPGC干设信号106,其中Ρ为信号幅度，A为光源直流项，Β为光源交流项，C为调制 深度，ω〇为调制信号频率，PW为待测量相位信号；将公式（1)所示进行贝赛尔展开，可W 得到PGC干设信号106的频谱成分为：
[0057]
稱 [005引其中Jk(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量。
[0059] 3)将基频信号103,倍频信号104……N阶频信号105分别与PGC干设信号106进行相 乘运算，之后进行滤波运算可W得到锁相后的基波成分117,二次谐波成分118……N次谐波 成分119,其形式为：
[0063] 其中A为光强直流分量，B为交流幅度，p，q代表不同阶数;m为伴生调幅系数。
[0064] 4)调整调制深度C，使J1(C) - J3(C)、J0(C) - J2(C)，Jp(C) - Jq(C)就可W得到修 正基波成分117,二次谐波成分118……N次谐波成分119,再经过高通滤波处理即消除伴生 调幅系数m对解调结果的影响，得到
[00化] -皮/i(〇si凸 P (6)
[0066] .?A(C')cos</j (7)
[0067] Wj\(〇cos 口 （8)
[0068] 5)对调整后的基波成分117即公式(6)，二次谐波成分118即公式（7)……N次谐波 成分119即公式(8)进行希尔伯特变换操作，设任意需要进行变换的信号为x(t)，对应输出 结果为如），旨如下关系：
[0069]
(9)
[0070] 所W在公式(6)(7)(8)输入后即可得到对应的正交分量，使用反正切求解的方法 可W分别求得N路信号被测相位值：
[0074] 其中护備#納'…··卿巧分别为第一路被测相位信号3111，第二路被测相位信号 3112……第N路相位被测信号3113，H为希尔伯特变换过程。最后在输出末端使用降采样平 滑的方法得到最终输出结果：
[0075]
(13)
[0076] 2.所述的前端采集模块10,多路锁相模块11，数据解调模块12,其内部参数设定：
[0077] 1)调相波子模块101，根据光源调制器223增益倍数输出幅度为Irad-lOrad，频率 ω 0为20kHz-2MHz的正弦信号进行载波调制;调相波子模块101输出N路本地调相波信号，信 号频率为ω日，2 ω日……Νω日不等，根据系统采样率取Ν= 1-104皆可；
[0078] 2)数据采集子模块102根据调相波信号频率范围，设定采样率为IMHz-lOOMHz;
[0079] 3)多路锁相模块11中第一滤波器114,第二滤波器115W及第N滤波器116为低通滤 波器，截止频率根据调相波信号频率范围选定为10kHz-2MHz不等，衰减速度至少为-80dB/ 十倍频。
[0080] 4)数据解调模块12中第一希尔伯特变换子模块121，第二希尔伯特变换子模块122 W及第N希尔伯特变换子模块123根据采样率匹配运行速率为10MHZ-500MHZ。
[0081] ?发明原理：
[0082] 本算法用于解决干设仪的相位解调，干设仪基本结构C示，主要包括W下几个模 块:光源模块20，干设仪21，探测及控制模块22，数字解调模块23。
[0083] 系统工作开始，光源201输出调制后的稳定干设信号，经过隔离器202并通过衰减 器203注入到干设仪21中。其中隔离器202用来防止光路中的回光反射对光源造成伤害，衰 减器203用于调节光路的输出功率，控制光路的输出光强在被采样的时候能有更好的信噪 比。光源模块20输出光射入环形器211中，从环形器A口输入通过B口注入到2X2禪合器212 的一臂中，经过2X2禪合器212分成两路;第一路光经过光纤环213到达第一法拉第旋镜214 处，被法拉第旋镜反射回2X2禪合器212中；第二路光经过压电陶瓷环216到达第二法拉第 旋镜215处，同样被反射回2X2禪合器212中，并与第一路光在此发生干设。运两个法拉第旋 镜在此作用是消除光路中的偏振衰落现象。干设信号分别由2X2禪合器两路输出，一路光 经过环形器211的B 口并由C 口输出至差分探测器221处;另一路信号直接输出至差分探测器 211处；由于运两路信号具有半个周期的相位差，在差分后可W去掉一部分共光路的噪声。
[0084] 差分探测器221的输出连接至放大器222,将前端光信号调理至采集系统动态范围 内的电压信号。放大器222的增益倍数由增益控制器224控制，增益控制器根据采集模块231 的动态范围与实时信号值大小调节光信号增益倍数。放大器222输出连接至采集模块231， 采集到的电压值送入计算机232进行处理，同时计算机231将调相波信号送入采集模块231 中。为了能得到稳定可靠的高信噪比信号，需要设定调制深度在2-lOrad的一个合理范围 内，即通过光源调制器223,使光路的调相波在光路中的相位变化幅度为2-lOrad。由于光路 输出带有调相波信号，在放大器222的输出端得到干设信号如公式（1)所示;经过采集模块 231将数据送入计算机232中进行算法解调。
[0085] ?算法流程结构
[0086] 该算法由前端采集模块10,多路锁相模块11，数据解调模块12组成，其中前端采集 模块10采集干设信号，经过多路锁相模块11与数据解调模块12得到系统输出。
[0087] 前端采集模块10中调相波子模块101用于产生调相波与本地载波，数据采集子模 块102用于采集PGC干设信号106。
[0088] 多路锁相模块11完成对PGC干设信号106不同信号频率分量提取功能，经过第一乘 法器111，第二乘法器112……第N乘法器113等完成信号混频过程;经过第一滤波器114,第 二滤波器115……第N滤波器116等实现PGC干设信号106不同信号频率分量提取。
[0089] 数据解调模块12完成希尔伯特变换功能;通过第一希尔伯特变换子模块121，第二 希尔伯特变换子模块122……第N希尔伯特变换子模块123对基波成分117,二次谐波成分 118……N次谐波成分119进行希尔伯特变换操作。
[0090] ?希尔伯特变换解调原理
[0091] 基波成分117,二次谐波成分118，N次谐波成分119经过修正后，通过第一高通滤波 器301、第二高通滤波器303 W及第N高通滤波器306得到N组交流信号;希尔伯特变换过程为 自身与希尔伯特变换常量305作卷积运算，根据希尔伯特变换原 理如公式(9)所示。设原始 信号为h(t)则
[0092] h(t) = lAt (14)
[0093] 其希尔伯特变换的幅度，相位特性为
[0094]
(15)
[0095] 即通过希尔伯特变换为幅频特性为1的全通滤波器。任意信号通过希尔伯特变换 器后，其负频率成分作+90°相移，而正频率成分作一90°相移。
[0096] 基波变换分量311与基波成分117同时经过第一除法器314得到被测相位信号的正 切值;二次谐波变换分量312与二次谐波成分118同时通过第二除法器315也可得到被测信 号的正切值，依次类推，有N路信号。运几路信号分别由第一反正切子模块317,第二反正切 子模块318,第N反正切子模块319求解得到对应的第一路被测相位信号3111与第二路被测 相位信号3112,第N路被测相位信号3113;
[0097] ?多路降噪取平均原理
[0098] 当系统共有N路信号参与解调时，即有N路相关的信号，但是每路信号分别带有不 相关的噪声值，附图4说明N路取平均降噪结果，W下是证明过程：
[0099] 设任意信号x(t)，其对应的傅立叶变换为：
[0100]
舶）
[0101] 当取一定长度信号做傅里叶变换，得到对应频谱的幅度值为：
[0102]
(17)
[0103] 若N路信号相关，则将N路信号相加，可W得到N路信号累加后的频谱为：
[0104]
(18)：
[0105] 此时，求该信号的功率谱为傅里叶变换模值的平方：
[0106]
(巧）
[0107] 即N路信号叠加，信号功率为原单一信号功率的妒倍；
[0108] 但是对于噪声信号而言，N路噪声信号能量不同，根据化rseval定理，信号能量守 恒，时域能量等于频域能量，不会因为变换而发生改变，即函数平方的和(或积分)等于其傅 里叶转换式平方之和(或者积分）。此时，我们已知噪声为随机信号，服从概率分布，所W噪 声功率为:σ 2;此时可W计算出其对应的频域功率大小为：
[0109]
(20)
[0110] 当Ν路随进信号叠加，其噪声功率和为
[0111]
(21)
[0112]所W当信号路数叠加至Ν路情况下，其信噪比为：
[011引
（22)
[0114] 由此可W得出结论，在信号路数经过希尔伯特变换被拓展为Ν路情况下，其信噪比 为原来的Ν倍。
[0115] -种提高光学信号相位解调精度的方法，光纤干设仪输出信号经光电探测器转换 进入光学信号相位解调处理系统内，采集模块通过合理调节光源调制器增益倍数，抑制伴 生调幅现象的影响;相位计算过程中通过多通道，多频次锁相的办法构造出多路测量信号， 每一路信号分别进行希尔伯特变换得到自身的正交分量，各路信号通过与自身正交分量进 行反正切查表计算分别得到相位变化量，运些相位变化量呈相关性，且带有一定的共模噪 声，通过平均平滑的方法抑制共模噪声，使输出获得更好的信噪比;本方法有效提高光学信 号相位解调精度，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。
[0116] -种提高光学信号相位解调精度的方法，包含前端采集模块10,其特征是多路锁 相模块11，数据解调模块12。
[0117] 1)调相波子模块101输出调相波信号cos(w化）至光源调制器223,同时生成本地 载波信号cos(w化）即基频信号103,倍频载波cos(2w化）即倍频信号104，W此规律生成信 号cos (N ω ot)即N阶频信号105，共计N路；
[0118] 2)数据采集子模块102采集放大器222输出，其形式为：
[0119] 尸= ,4 + 6cos|_('cos?(j(+&(0] (.2.3)
[0120] 旨PPGC干设信号106,其中P为信号幅度，A为光源直流项，B为光源交流项，C为调制 深度，ω〇为调制信号频率，AW为待测量相位信号;将公式(23)所示进行贝赛尔展开，可W 得到PGC干设信号106的频谱成分为：
[0121]
(24)
[0122] 其中Jk(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量。
[0123] 3)将基频信号cos( 〇化）1〇3，倍频信号(3〇3(2〇化）1〇4……N阶频信号cos(N〇〇t) 105分别与PGC干设信号106进行相乘运算，之后进行滤波运算可W得到锁相后的基波成分 117,二次谐波成分118……N次谐波成分119,其形式为：
[0127] 其中A为光强直流分量，B为交流幅度，p，q代表不同阶数;m为伴生调幅系数。
[0128] 4)调整调制深度C，使Ji(C) - j3(C)、Jo(C) - j2(C)，Jp(C) - Jq(C)就可W得到修正 后的基波成分117,二次谐波成分118……N次谐波成分119,再经过高通滤波处理即消除伴 生调幅系数m对解调结果的影响，得到
[0129] -公/,((')sin0 (28)
[0130] 5./,(0 cos ?/? (29)
[0131] 公/、（〇cos 取 (30)
[0132] 5)对调整后的基波成分117即公式（28)，二次谐波成分118即公式(29)……N次谐 波成分119即公式(30)进行希尔伯特变换操作，设任意需要进行变换的信号为x(t)，对应输 出结果为苟。，有如下关系：
[0133]
(31)
[0134] 所W在公式(28)(29)(30)输入后即可得到对应的正交分量，使用反正切求解的方 法可W分别求得N路信号被测相位值：
[0137]
〇4)
[013引其中P1的，巧灼·……奶㈱分别为第一路被测相位信号3111，第二路被测相位信号 3112……第N路相位被测信号3113，H为希尔伯特变换过程。最后在输出末端使用降采样平 滑的方法得到最终输出结果：
[0139]
(35)
[0140] 前端采集模块10,多路锁相模块11，数据解调模块12,其内部参数是：
[0141] 1)调相波子模块101，根据光源调制器223增益倍数输出幅度为Irad-lOrad，频率 ω 0为20kHz-2MHz的正弦信号进行载波调制;调相波子模块101输出N路本地调相波信号，信 号频率为ω日，2 ω日……Νω日不等，根据系统采样率取Ν= 1-104皆可；
[0142] 2)数据采集子模块102根据调相波信号频率范围，设定采样率为IMHz-lOOMHz;
[0143] 3)多路锁相模块11中第一滤波器114,第二滤波器115W及第N滤波器116为低通滤 波器，截止频率根据调相波信号频率范围选定为10kHz-2MHz不等，衰减速度至少为-80dB/ 十倍频。
[0144] 4)数据解调模块12中第一希尔伯特变换子模块121，第二希尔伯特变换子模块122 W及第N希尔伯特变换子模块123根据采样率匹配运行速率为10MHZ-500MHZ。
[0145] 实施例一一增加 N路抑制系统噪声
[0146] 干设仪装置如图2所示，干设仪测量装置的器件选择与参数如下：
[0147] 1.光源201的中屯、波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于1~lOmW;
[0148] 2.光纤隔离器202工作波长1550nm± 5皿，插入损耗< 1.0地(23°C工作溫度时），回 波损耗^55地；
[0149] 3.环形器211工作波长1550nm&a mp;1310皿，插入损耗1.0地，隔离度28地，方向性50地， 工作溫度0~70°C，回波损耗45地；
[0150] 4.第一法拉第旋镜214、第二法拉第旋镜215工作波长1550nm±5nm，插入损耗 0.6地，法拉第旋转角度90°，旋转角误差@23°C为±1°，最大光源承受能力1W，工作溫度-40 至 85。。
[0151] 5.用于加载标定信号的压电陶瓷尺寸为24mm，电容22nF，耐压幅度0~120V;
[015^ 6.2 X 2禪合器212工作波长1550醒，使用2 X 2禪合器的1端口与2端口输入，1端口 输入对应2路输出分光比为49.8%，50.2 %，2端口输入对应2路输出分光比为49.6%， 50.4%;
[0153] 7.差分探测器221为InGaAs型光电探测器，连接模式属于尾纤式FC/PC，工作波长 为llOOnm~1650nm，光强响应度R = 0.85A/W，电容为0.35pF;
[0154] 8.放大器222用于放大转换后的光电压信号，工作带宽为200曲Z，工作过程包括使 用MSP430单片机采集信号幅度，调节信号增益，保证信号幅度并不会饱和；
[01 W] 9 .采集模块231为NI-6366采集卡，采样率为2Mbps，同步采集，输入电压幅度± 10V，采样时钟为采集卡内部时钟，Ξ路同步误差小于10ns，输入电阻20kQ ;
[0156] 10.压电陶瓷驱动器233为功率放大器，使用AD公司的AD8040轨对轨功率放大器， 工作电压2.7V~12V，工作带宽125MHz，最大输出电流200mA，负载电容15pF;
[0157] 相位解调系统的调制深度稳定测试具体流程如附图1和图3所示：
[0158] 1.系统启动，信号采集模块10产生载波调制光源，采样率为2Mbps，载波频率为 20kHz，调制波形中混入调制深度C值得抖动与变化，将调制深度变化波动量设置为±10%， 压电陶瓷产生标定信号，频率为10化，随着调制电压增加，产生光路相位变化l(T 5rad~ lO^rad；
[0159] 2.经过数据采集子模块102得到PGC干设信号106,调相波子模块101产生基频信号 103,倍频信号104,设置本地调相波信号幅度为IV，频率为20曲Z，采样率为2MHz;
[0160] 3.锁相滤波模块11中，设置第一、第二、第N滤波器为FIR等纹波滤波器，参数为通 带lOkHz，截阻带12kHz，衰减-120地，通带纹波为0.01地，阶数为764阶，数据经过滤波器后 得到两路正交信号。
[0161] 4.设置第一，第二、第N乘法器为有符号同步乘法器，输入数据为16bi t单精度有符 号浮点数据，输出数据为32bit有符号双精度浮点类型数据。
[0162] 5.设置第一，第二、第N高通滤波器为FIR等纹波滤波器，参数为通带IHz，截阻带 IHz，衰减-120地，通带纹波为0.01地，阶数为953阶，数据经过滤波器后得到两路交流信号。
[0163] 6.设置第一，第二、第N卷积器为串行工作方式，卷积常量根据实际信号幅度大小 调节，卷积器工作时钟频率与乘法器相同。
[0164] 7.设置第一，第二、第N除法器为有符号除法器，输入数据为16bit单精度有符号浮 点数据，输出数据为32bit有符号双精度浮点类型数据，信号经过除法器得到消掉光强波动 与调制量波动的信号比值。
[0165] 8.设置第一，第二、第N相位累加器为串行工作模式，相位累计器内部采用二分查 表法与8分圆区间工作模式，保证信号每次变换不会超过系统解调的动态范围。
[0166] 9.设置平均降噪子模块为并行数据输出模式，对N路输入信号取平均值得到去掉 共模噪声的输出结果。
[0167] 10.经过改进后的光学干设相位解调方法，当变换路数N=10时，信噪比为26.9地， 当拓展计算路数N=100时，信噪比为38.3地，增加10地左右。
【主权项】
1. 一种具有高精度的光学信号相位解调系统，其特征在于:包括前端采集模块、多路锁 相模块和数据解调模块， 前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，调相波子模块输出N路信号，包括 基频信号(^^(??。、倍频信号⑶以]^^#)……N阶频信号C〇S(N?Qt)，数据采集子模块采集 并输出PGC干涉信号； 多路锁相模块包括N个乘法器和N个滤波器，PGC干涉信号分别与调相波子模块输出的N 路信号中的一路信号经过一个乘法器后传入一个滤波器中，得到N路信号的谐波成分； 数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加子模块和降采样平滑滤波子 模块，N路信号的谐波成分分别经过一个希尔伯特变换子模块后传入一个相位累加子模块， N个相位累加子模块将输出信号传送给降采样平滑滤波子模块，得到最终相位进行输出。2. -种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于:包括前端采集模块、多路锁 相模块和数据解调模块，前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，多路锁相模 块包括N个乘法器和N个滤波器，数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加 子模块和降采样平滑滤波子模块； a、 调相波子模块生成输出N路信号，包括基频信号…… N阶频信号C〇S(Nc〇Qt)，数据采集子模块采集并输出PGC干涉信号：其中P为信号幅度，A为光源直流项，B为光源交流项，C为调制深度，ω 〇为调制信号频率， ft W为待测量相位信号； b、 将调相波子模块生成输出的N路信号分别与PGC干涉信号进行相乘，再进行滤波操 作，得到锁相后N路信号的谐波成分，包括基波成分、二次谐波成分……N次谐波成分； c、 调整调制深度C，得到调整后的N路信号的谐波成分； d、 对调整后的N路信号的谐波成分进行希尔伯特变换操作； e、 求取N路信号被测相位值； f、 对求得的相位值使用降采样平滑的方法得到最终相位输出。3. 根据权利要求2所述的一种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于:所述 的步骤b中调整后的基波成分为：二次谐波成分为：N次谐波成分分别为：其中，Jk( C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量，A为光强直流分量，B为交流幅度，p，q 代表不同阶数;m为伴生调幅系数。4. 根据权利要求2所述的一种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于:所述 的步骤c中调整后的基波成分为：二次谐波成分为：N次谐波成分为：5. 根据权利要求2所述的一种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于:所述 的步骤e中N路信号被测相位值的第一路被测相位信号为：第二路被测相位信号为：第N路相位被测信号为：6. 根据权利要求2所述的一种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于:所述 的步骤f中，最终相位为：
【专利摘要】本发明公开了一种具有高精度的光学信号相位解调系统及解调方法。包括前端采集模块、多路锁相模块和数据解调模块，前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，多路锁相模块包括N个乘法器和N个滤波器，数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加子模块和降采样平滑滤波子模块。本发明能够进行独立的不相关解调，最终解调结果中，光路中实相位变化成相关性，解调过程及外界引入噪声没有相关性，可以通过累加平均降噪的方法获得更高的信噪比；本发明有效提高光学信号相位解调精度，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。
【IPC分类】G01D5/353
【公开号】CN105486331
【申请号】CN201510869444
【发明人】彭峰, 侯璐, 吴冰, 苑勇贵, 侯长波
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月1日
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