一种抑制光强波动噪声的相位解调装置及解调方法
一种抑制光强波动噪声的相位解调装置及解调方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学(纤)干设仪测量领域，尤其设及一种抑制光强波动噪声的相位解 调装置及解调方法。
【背景技术】
[0002] 光纤干设型传感器在所有光纤传感器类型中具有最高的灵敏度，动态范围，其基 本原理是利用干设仪中相位变化来测量其他物理量比如溫度，应力，位移，加速度等。美国 海军实验室在1982年提出的相位生成载波(PGC)算法是干设型光纤传感器相位解调中最经 典的算法之一，PGC算法可W直接通过调制光源实现，保证了传感器结构紧凑，体积小的特 点。
[0003] 传统的PGC解调算法过程是对干设信号进行混频、滤波等操作，通过锁相放大的原 理获得被测信号的高阶频分量，然后通过对不同高阶频分量的计算求解出相位变化量。运 种方法的缺点是在解调过程中系统容易受到调制深度C变化W及光强B波动影响，运会导致 解调噪声的增加。
[0004] 基于传统的PGC算法原理，国内外有很多研究单位设计并制作了相关测量仪器与 测量设备;2009年中国船舶重工集团屯一五研究所的谢勇等人提出一种便携式多工能光纤 水听器信号解调方法(CN 200910100835.3)，该方法实现于一套FPGA处理器内，使用FPGA完 成对干设的信号调制，采集，并在FPGA处理器内完成相位解调;该装置保证了算法执行实时 性，低成本，但并没有解决传统PGC算法容易受到调制深度C变化W及光强B波动影响等问 题，所W在解调精度W及相位分辨率方面存在一定的问题；同年，谢勇等人提出一种大规模 光纤水听器阵列PGC复解调方法(CN 200910100600)，本套装置与上一套装置区别在于支持 多路解调，但是没有从本质上解决稳定性与输出噪声问题。
[0005] 对于如何降低输出噪声清华大学张敏等人提出了一种去相关的方法 (CN201110191719.4)，通过在PGC光路中引入一个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。但是运种方法需要在光路上额外增加一个3X2 禪合器，同时也要额外采集2路参考信号，解调装置同时也要完成对运2路参考信号的计算， 即硬件的开销要增加3倍W上。另一个对水听器研究比较深入的机构是国防科技大学，梁迅 博±在学位论文中深入讨论过PGC解调算法中光强B值波动与调制深度C的变化会引入噪声 的大小，他提出了水听器阵列中利用多路信号求相关的方法抑制噪声值，同样的，运么做无 疑会带来更大的硬件开销。W上运两种方法都是利用解调光路的空间相关性，解调信号的 时间相关性来抑制噪声，优点是可W去除光源在每一路引起的共模噪声，缺点是会增加额 外的参考光路与参考光路对应的解调硬件。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种能够提高系统长期稳定性、应用范围广的，抑制光强波 动噪声的相位解调装置。本发明的目的还包括提供一种能够有效抑制光强波动引起的解调 噪声的，抑制光强波动噪声的相位解调方法。
[0007] -种抑制光强波动噪声的相位解调装置，包括光纤干设仪2和数字解调装置3，
[000引光纤干设仪2包括光源模块20、干设仪21和探测及控制模块22,干设仪包括环形器 211、2 X 2禪合器212、光纤环213、第一法拉第旋镜214、第二法拉第旋镜215和压电陶瓷216， 探测及控制模块22包括差分探测器221、光源调制器222、计算机224和压电陶瓷驱动器225，
[0009] 数字解调装置3发送信号经过光源调制器222进行频率调制，数字解调装置3同时 通过压电陶瓷驱动器225加载测试信号至压电陶瓷216上，光源模块20发送光通过环形器 211后，从2X2禪合器212的一臂注入，分成两路，一路光经过光纤环213W及第一法拉第旋 镜214反射至2 X 2禪合器212中，另一路光经过压电陶瓷216 W及第二法拉第旋镜215反射至 2 X 2禪合器212中，2 X 2禪合器212输出两路光，一路光经过环形器211输入到差分探测器 221中，另一路光直接输入到分探测器221中，差分探测器221输出干设信号给数字解调装置 3，数字解调装置3还与计算机224连接。
[0010] 本发明一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，还可W包括：
[0011] 1、数字解调装置3包括FPGA处理系统30和DSP处理系统31，
[0012] FPGA处理系统30包括模数转换器303、可编程放大器304、FPGA处理器305、电源 306、电源监测307,可编程放大器304接收差分探测器221输出的信号，经过模数转换器303 输出PGC干设信号至FPGA处理器305，FPGA处理器305连接有第一数模转换器301、第二数模 转换器302、程序存储309和时钟忍片310,第一数模转换器301与压电陶瓷驱动器225连接， 第二数模转换器302输出调相波信号给光源调制器222,电源306通过电源监测307与FPGA处 理器305连接；
[0013] DSP处理系统31包括数据缓存311、DSP处理器312、网线接口 313、第一数据总线315 和第二数据总线316，DSP处理器312通过第一数据总线315和FPGA处理器305连接，DSP处理 器312通过第二数据总线316连接数据缓存311，DSP处理器312通过网线接口 313连接计算机 224。
[0014] 2、FPGA处理器305包含锁相模块11、基频信号102、倍频信号104,锁相模块11包括 第一乘法器111、第二乘法器112、第一滤波器113、第二滤波器114、第一微分器115与第二微 分器116，DSP处理器312包括数据解调模块12、相位累加子模块131和降采样输出子模块 132,数据解调模块12包括第Ξ乘法器121、第四乘法器122、第二除法器123、绝对值子模块 124、开方子模块125和积分相位子模块126，
[0015] 基频信号102、倍频信号104和PGC干设信号同时传送给第一乘法器111与第二乘法 器112,输出两路信号分别经过第一滤波器113与第二滤波器114,继续输出两路信号分别通 过第一微分器115与第二微分器116;第一滤波器113与第二滤波器114的输出信号通过第一 数据总线315传送给DSP处理器312的第Ξ乘法器121，第一微分器115与第二微分器116的输 出信号通过第一数据总线315传送给DSP处理器312的第四乘法器122,输出结果输入到第二 除法器123，第二除法器123输出至绝对值子模块124之后连接开方子模块125，最后连接积 分相位子模块126,积分相位子模块126连接至相位累加子模块131，之后连接降采样输出子 模块132。
[0016] -种抑制光强波动噪声的相位解调方法，包括W下步骤，
[0017] 步骤一:第二数模转换器输出调相波信号COSO化，在差分探测器得到PGC干设信 号为：
[0018] P 二J + 度'co's[.Ccos 巧/ + (。、（/)J
[0019] 其中，A为光强直流分量，B为光强交流分量，C为调相波信号SI幅度，ω〇为调相波信 号S1频率，<Λ W为被测相位值；
[0020] 步骤二:使用基频信号、倍频信号与PGC干设信号进行乘法操作，然后进行滤波，得 到两路信号：
[0023] 其中，Β为光强交流分量，G与Η为调相波信号幅度，Ji(C)与J2(C)为贝塞尔函数系 数；
[0024] 步骤Ξ:对经过滤波后的信号进行微分操作，得到：
[0027]步骤四：将步骤Ξ得到的两个信号送入一个乘法器，将步骤二得到的两个信号送 入另一个乘法器，将两个乘法器的输出信号送入除法器，得到消除光强波动BW及调制深度 C影响的信号：
[002引
[0029] 步骤五:对上一步得到的信号取绝对值，得到全正信号量，进行开方运算后求得被 测相位的微分值
[0030]
[0031 ]进一步得到该时刻的相位值：
[0032]
[0033] 有益效果：
[0034] 1)在不改变原有光路结构的情况下，有效的抑制光强波动对解调精度及噪声的影 响。
[0035] 2)提高系统实时性，算法结合硬件设计，保证系统能工作在高速时钟状态下且保 持数据链路稳定可靠。
[0036] 3)适用范围广，任意光学干设仪都可使用该算法进行解调，如马赫泽德或迈克尔 逊干设仪等，即可W使用计算机配合采集卡，也可W采用特制硬件完成算法的实现。
[0037] 本装置在兼顾抑制解调噪声，保证系统处理速度W及不增加额外光路结构的基础 上，基于传统PGC算法进行优化。通过对干设信号正弦分量余弦分量进行微分交叉相除，构 造特征等式，使两项的系数分别为除法的分子与分母，从而保证最终输出结果与光强波动 w及调制深度无关，减小了因光强抖动导致的解调噪声w及调制深度波动引起的系统状态 漂移;本方法集成于FPGA与DSP数字处理器内，该算法结合FPGA并行处理特点，将数据前端 高速处理部分放入FPGA内执行，保证信号处理的实时性与数据量的丰富性，将改进的解调 算法放入DSP数字处理忍片内执行，并对数据进行缓存转发处理，保证 数据连接的可靠性。 本装置有效抑制了光强波动引起的解调噪声，提高了系统长期稳定性，可广泛用于高精度 光纤测量和光纤传感等领域。
【附图说明】
[0038] 图1为一种改进相位解调算法的流程图；
[0039] 图2为改进相位解调方法实验装置图；
[0040] 图3为数字解调装置图；
[0041] 图4为装置总体框图；
[0042] 图5为改进解调算法降噪结果图，图5(a)为原始算法对应的降噪结果图，图5(b)为 本发明对应的降噪结果图。
【具体实施方式】
[0043] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0044] 1.-种抑制光强波动噪声的相位解调装置，如图4所示，包括光纤干设仪2,数字解 调装置3,降噪解调算法1。
[0045] 1)第二数模转换器302输出调相波信号COSO化，在差分探测器221可W得到干设 信号形式为：
[0046] P- A + B cos[(； cos ca^t + (/)J (1.)
[0047] 目PPGC干设信号103其中Ρ为干设信号幅度，A为光强直流分量，Β为光强交流分量，C 为调相波信号S1幅度，ω〇为调相波信号S1频率，&脚为被测相位值；
[004引2)使用基频信号102,倍频信号104与PGC干设信号103进行乘法操作，然后进行滤 波，可W得到
[0051] 其中Β为光强交流分量，G，H为调相波信号幅度，Ji(C)与J2(C)为贝塞尔函数系数；
[0052] 3)对经过滤波后的信号公式(2) (3)进行微分操作，可W得到对应的微分值为
[0055]将微分运算前信号公式(2)(3)?及微分运算后的信号公式(4)(5)做如下处理，微 分后乘积除W原函数乘积，此时可消除光强波动BW及调制深度C的系数影响;得到信号如 下
[0056]
((、）
[0057] 4)对公式(6)信号取绝对值，得到全正信号量，然后进行开方运算，可W求得被测 相位的微分值
[005引
（7)
[0059] 最后使用积分的方法得到该时刻的相位值。
[0060]
銜
[0061 ] 2.所述的数字解调装置3,如图3所示，包括FPGA处理系统30与DSP处理系统31:
[0062] 1)FPGA处理系统30中，WFPGA处理器305为中屯、连接外围器件。FPGA处理器305连 接第一数模转换器301，同时连接第二数模转换器302;可编程放大器304通过模数转换器 303输出PGC干设信号103至FPGA处理器305;
[0063] 2)电源模块306,复位信号308通过电源监测307连接至FPGA处理器305;程序存储 309和时钟忍片310同时连接至FPGA处理器305;
[0064] 3)DSP处理系统31通过第一数据总线315连接FPGA处理系统30，DSP处理器312通过 第二数据总线316连接数据缓存311，通过网线接口 313连接计算机224;
[0065] 3.所述的降噪解调算法1是：
[0066] 1)降噪解调算法1实现于数字解调装置3中，其中FPGA处理器305内包含锁相模块 11;基频信号102,倍频信号104W及PGC干设信号103同时连接至锁相模块11内的第一乘法 器111与第二乘法器112,两路输出结果分别经过第一滤波器113与第二滤波器114连接至第 一微分器115与第二微分器116,之后通过第一数据总线315传送至DSP处理器312;
[0067] 2)DSP处理器312内包含数据解调模块12,其中第一滤波器113与第二滤波器114输 出结果输入第Ξ乘法器121;第一微分器115与第二微分器116输出结果输入第四乘法器 122;第Ξ乘法器121输出结果除W第四乘法器122输出结果，即通过第二除法器123;第二除 法器123输出至绝对值子模块124之后连接开方子模块125,最后连接积分相位子模块126; DSP处理器312内包含后端处理模块13,积分相位子模块126连接至相位累加子模块131，之 后连接降采样输出子模块132。
[0068] 实施例一-改进相位解调算法噪声抑制
[0069] 光纤干设仪装置如图2所示，干设仪测量装置的器件选择与参数如下：
[0070] 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;
[0071] 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；
[0072] 3.环形器211工作波长1550nm&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；
[0073] 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°C;
[0074] 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;
[0075] 6. 2X2禪合器212工作波长1550nm，使用2X2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%;
[0076] 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;
[0077] 8.可编程放大器304用于调节差分探测器221输出至合理动态范围，通过FPGA控制 增益倍数；
[007引 9.FPGA处理器305为Altera公司Stratix系列高速处理忍片；
[0079] 10.压电陶瓷驱动器225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;
[0080] 相位解调装置的调制深度稳定测试具体流程如图1所示：
[0081 ] 1.装置启动，FPGA处理器305产生载波调制光源，采样率为2Mbps，载波频率为 20kHz，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〇-5rad~105rad;
[0082] 2.经过模数转换器303得到PGC干设信号103,基频信号102,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20MHz;
[0083] 3.设置第一滤波器113、第二滤波器模块114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。
[0084] 4.设置第一、第二微分器为矢量微分运算，微分过程为时域相邻信号点数值差，两 路数据分别经过两个微分器得到一个时钟延迟的微分时域信号值。
[0085] 5.设置第Ξ乘法器121为有符号同步乘法器，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。
[0086] 6.设置第二除法器123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。
[0087] 7.设置绝对值子模块124为补码形式输入输出，得到负数补码值并做取反码操作， 如果输入信号为正，则直接输出，如果输入信号为负，则取反码输出。
[0088] 8.设置开方子模块125输入输出为16bit单精度浮点型数据，输出信号为16bit单 精度浮点型数据，输出结果为被测信号的微分值。
[0089] 9.设置积分相位子模块126为矢量积分运算，运算过程为近似梯形面积算法，取得 时域上相邻长度内数据做和并乘W采样时间，积分后，得到被测信号值。
[0090] 10.设置相位累加子模块131为32bit数据长度，其中一周期2町ad信号细分为低 16bit，细分精度为±1/32767，高1661*为干设仪相位变化整数部分，上下动态范围为± 32767rad，时域信号累加求和得到真实相位变化值。
[0091] 11.经过改进后的光学干设相位解调方法，光强波动对本底噪声影响降低，原始 PGC算法再有光强波动的影响下本底噪声为-84.3地rad,经过改进后的算法消除光强波动 影响，其本底噪声为-97.8地rad，如图5所示。
[0092] ?发明原理：
[0093] 本系统用于解决干设仪的相位解调，光纤干设仪基本结构如图2所示，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。
[0094] 本系统工作开始，首先由数字解调装置3 对光源调制器222进行频率调制，同时使 用压电陶瓷驱动器225加载测试信号至压电陶瓷环216上，被调制光源201通过隔离器202W 及衰减器203将光注入到干设仪21中。光通过环形器211从2X2禪合器212的一臂注入，分成 两路，一路经过光纤环213W及第一法拉第旋镜214反射至禪合器中；另一路经过缠绕在压 电陶瓷(ΡΖΤ)216的光纤，第二法拉第旋镜215反射至禪合器中，运两束光在2X2禪合器212 中发生干设，干设后的光一路经过法拉第旋镜211输入到差分探测器221中，另一路直接输 入到差分探测器221中，由于两路光经过两次2 X 2禪合器212，所W输入到差分探测器221中 的两路光具有wad的相位差，通过差分相减的方法能去掉干设信号中的共模噪声。此时在 差分探测器221输出端得到干设信号如公式(1)所示；
[00M] ?锁相滤波过程
[0096] 将输入干设信号利用贝塞尔函数展开，得到输入信号的频谱成分
[0097]
[0098] 其中化(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量，PGC干设信号103与基频信号102 同时通过第一乘法器111，PGC干设信号103与倍频信号104同时通过第二乘法器112,分别得 到锁相信号如下
[0099]
[0100] 其中P为输入干设信号，G，H分别为本地载波信号幅度，运两路信号分别经过第一 滤波器113与第二滤波器114即得到被求信号的奇次频，偶次频，分别为公式(2)，公式(3);
[0101] ?改进解调算法原理
[0102] 获得奇次频，偶次频信号后，对运两路信号进行如下操作：
[0103] 首先使用第一微分器115与第二微分器116对运两路信号求微分，得到运两路信号 的微分值，如公式(4)(5)，使用交叉相除的办法，利用（2)(3)的乘积与(4)(5)乘积做除法， 经过交叉后的运算结果可W消除B值与C值的抖动，运算结果为公式(6)，该信号通过绝对值 子模块124后，得到数值为正的信号量，然后通过开方子125模块，可W求得被测相位的微分 值公式(7)，最后该信号经过积分相位子模块126得到该时刻的相位值公式(8)。
[0104] -种抑制光强波动噪声的相位解调装置，包括光纤干设仪，数字解调装置与降噪 解调算法。本装置对传统的相位生成载波(PGC)算法进行改进，将被测相位的基频分量与倍 频分量做乘积，同时将基频分量的微分值与倍频分量的微分值做乘积，利用运两个乘积项 包含光强参数运一关系，将运两个乘积相除从而去掉光强抖动引起的噪声，再通过积分的 方法求解被测相位;同时，本装置将降噪解调算法集成于FPGA与DSP大规模高速信号处理器 中，根据FPGA并行处理能力强W及DSP浮点运算性能优越的特点，分别将微分W及相位求解 部分实现于两个处理器内，保证算法的实时性;本装置有效抑制了光强波动引起的噪声，提 高了长期稳定性，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。
【主权项】
1. 一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，其特征在于:包括光纤干涉仪(2)和数字解 调装置(3)， 光纤干涉仪(2)包括光源模块(20)、干涉仪(21)和探测及控制模块(22)，干涉仪包括环 形器(211)、2 X 2耦合器(212)、光纤环(213)、第一法拉第旋镜(214)、第二法拉第旋镜(215) 和压电陶瓷（216)，探测及控制模块(22)包括差分探测器(221)、光源调制器(222)、计算机 (224)和压电陶瓷驱动器(225)， 数字解调装置(3)发送信号经过光源调制器(222)进行频率调制，数字解调装置(3)同 时通过压电陶瓷驱动器(225)加载测试信号至压电陶瓷(216)上，光源模块(20)发送光通过 环形器(211)后，从2X2耦合器(212)的一臂注入，分成两路，一路光经过光纤环（213)以及 第一法拉第旋镜(214)反射至2 X 2耦合器(212)中，另一路光经过压电陶瓷(216)以及第二 法拉第旋镜(215)反射至2 X 2耦合器(212)中，2 X 2耦合器(212)输出两路光，一路光经过环 形器(211)输入到差分探测器(221)中，另一路光直接输入到分探测器(221)中，差分探测器 (221)输出干涉信号给数字解调装置(3)，数字解调装置(3)还与计算机(224)连接。2. 根据权利要求1所述的一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，其特征在于:所述的 数字解调装置(3)包括FPGA处理系统(30)和DSP处理系统(31)， FPGA处理系统（30)包括模数转换器(303)、可编程放大器(304)、FPGA处理器(305)、电 源(306)、电源监测（307)，可编程放大器(304)接收差分探测器(221)输出的信号，经过模数 转换器(303)输出PGC干涉信号至FPGA处理器(305)，FPGA处理器(305)连接有第一数模转换 器(301)、第二数模转换器(302)、程序存储(309)和时钟芯片（310)，第一数模转换器(301) 与压电陶瓷驱动器(225)连接，第二数模转换器(302)输出调相波信号给光源调制器(222)， 电源(306)通过电源监测（307)与FPGA处理器(305)连接； DSP处理系统（31)包括数据缓存(311)、DSP处理器(312)、网线接口（313)、第一数据总 线（315)和第二数据总线（316)，DSP处理器（312)通过第一数据总线（315)和FPGA处理器 (305)连接，DSP处理器(312)通过第二数据总线（316)连接数据缓存(311 )，DSP处理器(312) 通过网线接口（ 313)连接计算机(224)。3. 根据权利要求1所述的一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，其特征在于:所述的 FPGA处理器(305)包含锁相模块（I 1 )、基频信号（102 )、倍频信号（104 )，锁相模块（I 1)包括 第一乘法器（111)、第二乘法器（112)、第一滤波器（113)、第二滤波器（114)、第一微分器 (115)与第二微分器（116)，DSP处理器(312)包括数据解调模块（12)、相位累加子模块（131) 和降采样输出子模块（132)，数据解调模块（12)包括第三乘法器（121)、第四乘法器（122)、 第二除法器(123)、绝对值子模块(124)、开方子模块(125)和积分相位子模块(126)， 基频信号（102)、倍频信号（104)和PGC干涉信号同时传送给第一乘法器（111)与第二乘 法器(112)，输出两路信号分别经过第一滤波器(113)与第二滤波器(114)，继续输出两路信 号分别通过第一微分器(115)与第二微分器(116);第一滤波器(113)与第二滤波器(114)的 输出信号通过第一数据总线(315)传送给DSP处理器(312)的第三乘法器（121)，第一微分器 (115)与第二微分器（116)的输出信号通过第一数据总线(315)传送给DSP处理器(312)的第 四乘法器(122)，输出结果输入到第二除法器(123)，第二除法器(123)输出至绝对值子模块 (124)之后连接开方子模块（125)，最后连接积分相位子模块（126)，积分相位子模块（126) 连接至相位累加子模块(131)，之后连接降采样输出子模块(132)。4. 一种基于权利要求1所述的抑制光强波动噪声的相位解调装置的相位解调方法，其 特征在于:包括以下步骤， 步骤一:第二数模转换器输出调相波信号cos ω Qt，在差分探测器得到PGC干涉信号为：其中，A为光强直流分量，B为光强交流分量，C为调相波信号si幅度，ω〇为调相波信号si 频率，^ <0为被测相位值； 步骤二:使用基频信号、倍频信号与PGC干涉信号进行乘法操作，然后进行滤波，得到两 路信号：其中，B为光强交流分量，G与H为调相波信号幅度，^〇与上(〇为贝塞尔函数系数； 步骤三:对经过滤波后的信号进行微分操作，得到：步骤四：将步骤三得到的两个信号送入一个乘法器，将步骤二得到的两个信号送入另 一个乘法器，将两个乘法器的输出信号送入除法器，得到消除光强波动B以及调制深度C影 响的信号：步骤五:对上一步得到的信号取绝对值，得到全正信号量，进行开方运算后求得被测相 位的微分值进一步得到该时刻的相位值：
【专利摘要】本发明公开了一种抑制光强波动噪声的相位解调装置及解调方法。包括光纤干涉仪和数字解调装置；本发明对传统的相位生成载波算法进行改进，将被测相位的基频分量与倍频分量做乘积，同时将基频分量的微分值与倍频分量的微分值做乘积，将这两个乘积相除从而去掉光强抖动引起的噪声，再通过积分的方法求解被测相位；同时，本发明将降噪解调算法集成于FPGA与DSP大规模高速信号处理器中，根据FPGA并行处理能力强以及DSP浮点运算性能优越的特点，分别将微分以及相位求解部分实现于两个处理器内，保证实时性；本发明有效抑制了光强波动引起的噪声，提高了长期稳定性，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。
【IPC分类】G01B9/02
【公开号】CN105486225
【申请号】CN201510869463
【发明人】吴冰, 侯璐, 彭峰, 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，尤其设及一种抑制光强波动噪声的相位解 调装置及解调方法。
【背景技术】
[0002] 光纤干设型传感器在所有光纤传感器类型中具有最高的灵敏度，动态范围，其基 本原理是利用干设仪中相位变化来测量其他物理量比如溫度，应力，位移，加速度等。美国 海军实验室在1982年提出的相位生成载波(PGC)算法是干设型光纤传感器相位解调中最经 典的算法之一，PGC算法可W直接通过调制光源实现，保证了传感器结构紧凑，体积小的特 点。
[0003] 传统的PGC解调算法过程是对干设信号进行混频、滤波等操作，通过锁相放大的原 理获得被测信号的高阶频分量，然后通过对不同高阶频分量的计算求解出相位变化量。运 种方法的缺点是在解调过程中系统容易受到调制深度C变化W及光强B波动影响，运会导致 解调噪声的增加。
[0004] 基于传统的PGC算法原理，国内外有很多研究单位设计并制作了相关测量仪器与 测量设备;2009年中国船舶重工集团屯一五研究所的谢勇等人提出一种便携式多工能光纤 水听器信号解调方法(CN 200910100835.3)，该方法实现于一套FPGA处理器内，使用FPGA完 成对干设的信号调制，采集，并在FPGA处理器内完成相位解调;该装置保证了算法执行实时 性，低成本，但并没有解决传统PGC算法容易受到调制深度C变化W及光强B波动影响等问 题，所W在解调精度W及相位分辨率方面存在一定的问题；同年，谢勇等人提出一种大规模 光纤水听器阵列PGC复解调方法(CN 200910100600)，本套装置与上一套装置区别在于支持 多路解调，但是没有从本质上解决稳定性与输出噪声问题。
[0005] 对于如何降低输出噪声清华大学张敏等人提出了一种去相关的方法 (CN201110191719.4)，通过在PGC光路中引入一个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。但是运种方法需要在光路上额外增加一个3X2 禪合器，同时也要额外采集2路参考信号，解调装置同时也要完成对运2路参考信号的计算， 即硬件的开销要增加3倍W上。另一个对水听器研究比较深入的机构是国防科技大学，梁迅 博±在学位论文中深入讨论过PGC解调算法中光强B值波动与调制深度C的变化会引入噪声 的大小，他提出了水听器阵列中利用多路信号求相关的方法抑制噪声值，同样的，运么做无 疑会带来更大的硬件开销。W上运两种方法都是利用解调光路的空间相关性，解调信号的 时间相关性来抑制噪声，优点是可W去除光源在每一路引起的共模噪声，缺点是会增加额 外的参考光路与参考光路对应的解调硬件。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种能够提高系统长期稳定性、应用范围广的，抑制光强波 动噪声的相位解调装置。本发明的目的还包括提供一种能够有效抑制光强波动引起的解调 噪声的，抑制光强波动噪声的相位解调方法。
[0007] -种抑制光强波动噪声的相位解调装置，包括光纤干设仪2和数字解调装置3，
[000引光纤干设仪2包括光源模块20、干设仪21和探测及控制模块22,干设仪包括环形器 211、2 X 2禪合器212、光纤环213、第一法拉第旋镜214、第二法拉第旋镜215和压电陶瓷216， 探测及控制模块22包括差分探测器221、光源调制器222、计算机224和压电陶瓷驱动器225，
[0009] 数字解调装置3发送信号经过光源调制器222进行频率调制，数字解调装置3同时 通过压电陶瓷驱动器225加载测试信号至压电陶瓷216上，光源模块20发送光通过环形器 211后，从2X2禪合器212的一臂注入，分成两路，一路光经过光纤环213W及第一法拉第旋 镜214反射至2 X 2禪合器212中，另一路光经过压电陶瓷216 W及第二法拉第旋镜215反射至 2 X 2禪合器212中，2 X 2禪合器212输出两路光，一路光经过环形器211输入到差分探测器 221中，另一路光直接输入到分探测器221中，差分探测器221输出干设信号给数字解调装置 3，数字解调装置3还与计算机224连接。
[0010] 本发明一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，还可W包括：
[0011] 1、数字解调装置3包括FPGA处理系统30和DSP处理系统31，
[0012] FPGA处理系统30包括模数转换器303、可编程放大器304、FPGA处理器305、电源 306、电源监测307,可编程放大器304接收差分探测器221输出的信号，经过模数转换器303 输出PGC干设信号至FPGA处理器305，FPGA处理器305连接有第一数模转换器301、第二数模 转换器302、程序存储309和时钟忍片310,第一数模转换器301与压电陶瓷驱动器225连接， 第二数模转换器302输出调相波信号给光源调制器222,电源306通过电源监测307与FPGA处 理器305连接；
[0013] DSP处理系统31包括数据缓存311、DSP处理器312、网线接口 313、第一数据总线315 和第二数据总线316，DSP处理器312通过第一数据总线315和FPGA处理器305连接，DSP处理 器312通过第二数据总线316连接数据缓存311，DSP处理器312通过网线接口 313连接计算机 224。
[0014] 2、FPGA处理器305包含锁相模块11、基频信号102、倍频信号104,锁相模块11包括 第一乘法器111、第二乘法器112、第一滤波器113、第二滤波器114、第一微分器115与第二微 分器116，DSP处理器312包括数据解调模块12、相位累加子模块131和降采样输出子模块 132,数据解调模块12包括第Ξ乘法器121、第四乘法器122、第二除法器123、绝对值子模块 124、开方子模块125和积分相位子模块126，
[0015] 基频信号102、倍频信号104和PGC干设信号同时传送给第一乘法器111与第二乘法 器112,输出两路信号分别经过第一滤波器113与第二滤波器114,继续输出两路信号分别通 过第一微分器115与第二微分器116;第一滤波器113与第二滤波器114的输出信号通过第一 数据总线315传送给DSP处理器312的第Ξ乘法器121，第一微分器115与第二微分器116的输 出信号通过第一数据总线315传送给DSP处理器312的第四乘法器122,输出结果输入到第二 除法器123，第二除法器123输出至绝对值子模块124之后连接开方子模块125，最后连接积 分相位子模块126,积分相位子模块126连接至相位累加子模块131，之后连接降采样输出子 模块132。
[0016] -种抑制光强波动噪声的相位解调方法，包括W下步骤，
[0017] 步骤一:第二数模转换器输出调相波信号COSO化，在差分探测器得到PGC干设信 号为：
[0018] P 二J + 度'co's[.Ccos 巧/ + (。、（/)J
[0019] 其中，A为光强直流分量，B为光强交流分量，C为调相波信号SI幅度，ω〇为调相波信 号S1频率，<Λ W为被测相位值；
[0020] 步骤二:使用基频信号、倍频信号与PGC干设信号进行乘法操作，然后进行滤波，得 到两路信号：
[0023] 其中，Β为光强交流分量，G与Η为调相波信号幅度，Ji(C)与J2(C)为贝塞尔函数系 数；
[0024] 步骤Ξ:对经过滤波后的信号进行微分操作，得到：
[0027]步骤四：将步骤Ξ得到的两个信号送入一个乘法器，将步骤二得到的两个信号送 入另一个乘法器，将两个乘法器的输出信号送入除法器，得到消除光强波动BW及调制深度 C影响的信号：
[002引
[0029] 步骤五:对上一步得到的信号取绝对值，得到全正信号量，进行开方运算后求得被 测相位的微分值
[0030]
[0031 ]进一步得到该时刻的相位值：
[0032]
[0033] 有益效果：
[0034] 1)在不改变原有光路结构的情况下，有效的抑制光强波动对解调精度及噪声的影 响。
[0035] 2)提高系统实时性，算法结合硬件设计，保证系统能工作在高速时钟状态下且保 持数据链路稳定可靠。
[0036] 3)适用范围广，任意光学干设仪都可使用该算法进行解调，如马赫泽德或迈克尔 逊干设仪等，即可W使用计算机配合采集卡，也可W采用特制硬件完成算法的实现。
[0037] 本装置在兼顾抑制解调噪声，保证系统处理速度W及不增加额外光路结构的基础 上，基于传统PGC算法进行优化。通过对干设信号正弦分量余弦分量进行微分交叉相除，构 造特征等式，使两项的系数分别为除法的分子与分母，从而保证最终输出结果与光强波动 w及调制深度无关，减小了因光强抖动导致的解调噪声w及调制深度波动引起的系统状态 漂移;本方法集成于FPGA与DSP数字处理器内，该算法结合FPGA并行处理特点，将数据前端 高速处理部分放入FPGA内执行，保证信号处理的实时性与数据量的丰富性，将改进的解调 算法放入DSP数字处理忍片内执行，并对数据进行缓存转发处理，保证 数据连接的可靠性。 本装置有效抑制了光强波动引起的解调噪声，提高了系统长期稳定性，可广泛用于高精度 光纤测量和光纤传感等领域。
【附图说明】
[0038] 图1为一种改进相位解调算法的流程图；
[0039] 图2为改进相位解调方法实验装置图；
[0040] 图3为数字解调装置图；
[0041] 图4为装置总体框图；
[0042] 图5为改进解调算法降噪结果图，图5(a)为原始算法对应的降噪结果图，图5(b)为 本发明对应的降噪结果图。
【具体实施方式】
[0043] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0044] 1.-种抑制光强波动噪声的相位解调装置，如图4所示，包括光纤干设仪2,数字解 调装置3,降噪解调算法1。
[0045] 1)第二数模转换器302输出调相波信号COSO化，在差分探测器221可W得到干设 信号形式为：
[0046] P- A + B cos[(； cos ca^t + (/)J (1.)
[0047] 目PPGC干设信号103其中Ρ为干设信号幅度，A为光强直流分量，Β为光强交流分量，C 为调相波信号S1幅度，ω〇为调相波信号S1频率，&脚为被测相位值；
[004引2)使用基频信号102,倍频信号104与PGC干设信号103进行乘法操作，然后进行滤 波，可W得到
[0051] 其中Β为光强交流分量，G，H为调相波信号幅度，Ji(C)与J2(C)为贝塞尔函数系数；
[0052] 3)对经过滤波后的信号公式(2) (3)进行微分操作，可W得到对应的微分值为
[0055]将微分运算前信号公式(2)(3)?及微分运算后的信号公式(4)(5)做如下处理，微 分后乘积除W原函数乘积，此时可消除光强波动BW及调制深度C的系数影响;得到信号如 下
[0056]
((、）
[0057] 4)对公式(6)信号取绝对值，得到全正信号量，然后进行开方运算，可W求得被测 相位的微分值
[005引
（7)
[0059] 最后使用积分的方法得到该时刻的相位值。
[0060]
銜
[0061 ] 2.所述的数字解调装置3,如图3所示，包括FPGA处理系统30与DSP处理系统31:
[0062] 1)FPGA处理系统30中，WFPGA处理器305为中屯、连接外围器件。FPGA处理器305连 接第一数模转换器301，同时连接第二数模转换器302;可编程放大器304通过模数转换器 303输出PGC干设信号103至FPGA处理器305;
[0063] 2)电源模块306,复位信号308通过电源监测307连接至FPGA处理器305;程序存储 309和时钟忍片310同时连接至FPGA处理器305;
[0064] 3)DSP处理系统31通过第一数据总线315连接FPGA处理系统30，DSP处理器312通过 第二数据总线316连接数据缓存311，通过网线接口 313连接计算机224;
[0065] 3.所述的降噪解调算法1是：
[0066] 1)降噪解调算法1实现于数字解调装置3中，其中FPGA处理器305内包含锁相模块 11;基频信号102,倍频信号104W及PGC干设信号103同时连接至锁相模块11内的第一乘法 器111与第二乘法器112,两路输出结果分别经过第一滤波器113与第二滤波器114连接至第 一微分器115与第二微分器116,之后通过第一数据总线315传送至DSP处理器312;
[0067] 2)DSP处理器312内包含数据解调模块12,其中第一滤波器113与第二滤波器114输 出结果输入第Ξ乘法器121;第一微分器115与第二微分器116输出结果输入第四乘法器 122;第Ξ乘法器121输出结果除W第四乘法器122输出结果，即通过第二除法器123;第二除 法器123输出至绝对值子模块124之后连接开方子模块125,最后连接积分相位子模块126; DSP处理器312内包含后端处理模块13,积分相位子模块126连接至相位累加子模块131，之 后连接降采样输出子模块132。
[0068] 实施例一-改进相位解调算法噪声抑制
[0069] 光纤干设仪装置如图2所示，干设仪测量装置的器件选择与参数如下：
[0070] 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;
[0071] 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；
[0072] 3.环形器211工作波长1550nm&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；
[0073] 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°C;
[0074] 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;
[0075] 6. 2X2禪合器212工作波长1550nm，使用2X2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%;
[0076] 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;
[0077] 8.可编程放大器304用于调节差分探测器221输出至合理动态范围，通过FPGA控制 增益倍数；
[007引 9.FPGA处理器305为Altera公司Stratix系列高速处理忍片；
[0079] 10.压电陶瓷驱动器225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;
[0080] 相位解调装置的调制深度稳定测试具体流程如图1所示：
[0081 ] 1.装置启动，FPGA处理器305产生载波调制光源，采样率为2Mbps，载波频率为 20kHz，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〇-5rad~105rad;
[0082] 2.经过模数转换器303得到PGC干设信号103,基频信号102,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20MHz;
[0083] 3.设置第一滤波器113、第二滤波器模块114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。
[0084] 4.设置第一、第二微分器为矢量微分运算，微分过程为时域相邻信号点数值差，两 路数据分别经过两个微分器得到一个时钟延迟的微分时域信号值。
[0085] 5.设置第Ξ乘法器121为有符号同步乘法器，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。
[0086] 6.设置第二除法器123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。
[0087] 7.设置绝对值子模块124为补码形式输入输出，得到负数补码值并做取反码操作， 如果输入信号为正，则直接输出，如果输入信号为负，则取反码输出。
[0088] 8.设置开方子模块125输入输出为16bit单精度浮点型数据，输出信号为16bit单 精度浮点型数据，输出结果为被测信号的微分值。
[0089] 9.设置积分相位子模块126为矢量积分运算，运算过程为近似梯形面积算法，取得 时域上相邻长度内数据做和并乘W采样时间，积分后，得到被测信号值。
[0090] 10.设置相位累加子模块131为32bit数据长度，其中一周期2町ad信号细分为低 16bit，细分精度为±1/32767，高1661*为干设仪相位变化整数部分，上下动态范围为± 32767rad，时域信号累加求和得到真实相位变化值。
[0091] 11.经过改进后的光学干设相位解调方法，光强波动对本底噪声影响降低，原始 PGC算法再有光强波动的影响下本底噪声为-84.3地rad,经过改进后的算法消除光强波动 影响，其本底噪声为-97.8地rad，如图5所示。
[0092] ?发明原理：
[0093] 本系统用于解决干设仪的相位解调，光纤干设仪基本结构如图2所示，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。
[0094] 本系统工作开始，首先由数字解调装置3 对光源调制器222进行频率调制，同时使 用压电陶瓷驱动器225加载测试信号至压电陶瓷环216上，被调制光源201通过隔离器202W 及衰减器203将光注入到干设仪21中。光通过环形器211从2X2禪合器212的一臂注入，分成 两路，一路经过光纤环213W及第一法拉第旋镜214反射至禪合器中；另一路经过缠绕在压 电陶瓷(ΡΖΤ)216的光纤，第二法拉第旋镜215反射至禪合器中，运两束光在2X2禪合器212 中发生干设，干设后的光一路经过法拉第旋镜211输入到差分探测器221中，另一路直接输 入到差分探测器221中，由于两路光经过两次2 X 2禪合器212，所W输入到差分探测器221中 的两路光具有wad的相位差，通过差分相减的方法能去掉干设信号中的共模噪声。此时在 差分探测器221输出端得到干设信号如公式(1)所示；
[00M] ?锁相滤波过程
[0096] 将输入干设信号利用贝塞尔函数展开，得到输入信号的频谱成分
[0097]
[0098] 其中化(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量，PGC干设信号103与基频信号102 同时通过第一乘法器111，PGC干设信号103与倍频信号104同时通过第二乘法器112,分别得 到锁相信号如下
[0099]
[0100] 其中P为输入干设信号，G，H分别为本地载波信号幅度，运两路信号分别经过第一 滤波器113与第二滤波器114即得到被求信号的奇次频，偶次频，分别为公式(2)，公式(3);
[0101] ?改进解调算法原理
[0102] 获得奇次频，偶次频信号后，对运两路信号进行如下操作：
[0103] 首先使用第一微分器115与第二微分器116对运两路信号求微分，得到运两路信号 的微分值，如公式(4)(5)，使用交叉相除的办法，利用（2)(3)的乘积与(4)(5)乘积做除法， 经过交叉后的运算结果可W消除B值与C值的抖动，运算结果为公式(6)，该信号通过绝对值 子模块124后，得到数值为正的信号量，然后通过开方子125模块，可W求得被测相位的微分 值公式(7)，最后该信号经过积分相位子模块126得到该时刻的相位值公式(8)。
[0104] -种抑制光强波动噪声的相位解调装置，包括光纤干设仪，数字解调装置与降噪 解调算法。本装置对传统的相位生成载波(PGC)算法进行改进，将被测相位的基频分量与倍 频分量做乘积，同时将基频分量的微分值与倍频分量的微分值做乘积，利用运两个乘积项 包含光强参数运一关系，将运两个乘积相除从而去掉光强抖动引起的噪声，再通过积分的 方法求解被测相位;同时，本装置将降噪解调算法集成于FPGA与DSP大规模高速信号处理器 中，根据FPGA并行处理能力强W及DSP浮点运算性能优越的特点，分别将微分W及相位求解 部分实现于两个处理器内，保证算法的实时性;本装置有效抑制了光强波动引起的噪声，提 高了长期稳定性，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。
【主权项】
1. 一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，其特征在于:包括光纤干涉仪(2)和数字解 调装置(3)， 光纤干涉仪(2)包括光源模块(20)、干涉仪(21)和探测及控制模块(22)，干涉仪包括环 形器(211)、2 X 2耦合器(212)、光纤环(213)、第一法拉第旋镜(214)、第二法拉第旋镜(215) 和压电陶瓷（216)，探测及控制模块(22)包括差分探测器(221)、光源调制器(222)、计算机 (224)和压电陶瓷驱动器(225)， 数字解调装置(3)发送信号经过光源调制器(222)进行频率调制，数字解调装置(3)同 时通过压电陶瓷驱动器(225)加载测试信号至压电陶瓷(216)上，光源模块(20)发送光通过 环形器(211)后，从2X2耦合器(212)的一臂注入，分成两路，一路光经过光纤环（213)以及 第一法拉第旋镜(214)反射至2 X 2耦合器(212)中，另一路光经过压电陶瓷(216)以及第二 法拉第旋镜(215)反射至2 X 2耦合器(212)中，2 X 2耦合器(212)输出两路光，一路光经过环 形器(211)输入到差分探测器(221)中，另一路光直接输入到分探测器(221)中，差分探测器 (221)输出干涉信号给数字解调装置(3)，数字解调装置(3)还与计算机(224)连接。2. 根据权利要求1所述的一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，其特征在于:所述的 数字解调装置(3)包括FPGA处理系统(30)和DSP处理系统(31)， FPGA处理系统（30)包括模数转换器(303)、可编程放大器(304)、FPGA处理器(305)、电 源(306)、电源监测（307)，可编程放大器(304)接收差分探测器(221)输出的信号，经过模数 转换器(303)输出PGC干涉信号至FPGA处理器(305)，FPGA处理器(305)连接有第一数模转换 器(301)、第二数模转换器(302)、程序存储(309)和时钟芯片（310)，第一数模转换器(301) 与压电陶瓷驱动器(225)连接，第二数模转换器(302)输出调相波信号给光源调制器(222)， 电源(306)通过电源监测（307)与FPGA处理器(305)连接； DSP处理系统（31)包括数据缓存(311)、DSP处理器(312)、网线接口（313)、第一数据总 线（315)和第二数据总线（316)，DSP处理器（312)通过第一数据总线（315)和FPGA处理器 (305)连接，DSP处理器(312)通过第二数据总线（316)连接数据缓存(311 )，DSP处理器(312) 通过网线接口（ 313)连接计算机(224)。3. 根据权利要求1所述的一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，其特征在于:所述的 FPGA处理器(305)包含锁相模块（I 1 )、基频信号（102 )、倍频信号（104 )，锁相模块（I 1)包括 第一乘法器（111)、第二乘法器（112)、第一滤波器（113)、第二滤波器（114)、第一微分器 (115)与第二微分器（116)，DSP处理器(312)包括数据解调模块（12)、相位累加子模块（131) 和降采样输出子模块（132)，数据解调模块（12)包括第三乘法器（121)、第四乘法器（122)、 第二除法器(123)、绝对值子模块(124)、开方子模块(125)和积分相位子模块(126)， 基频信号（102)、倍频信号（104)和PGC干涉信号同时传送给第一乘法器（111)与第二乘 法器(112)，输出两路信号分别经过第一滤波器(113)与第二滤波器(114)，继续输出两路信 号分别通过第一微分器(115)与第二微分器(116);第一滤波器(113)与第二滤波器(114)的 输出信号通过第一数据总线(315)传送给DSP处理器(312)的第三乘法器（121)，第一微分器 (115)与第二微分器（116)的输出信号通过第一数据总线(315)传送给DSP处理器(312)的第 四乘法器(122)，输出结果输入到第二除法器(123)，第二除法器(123)输出至绝对值子模块 (124)之后连接开方子模块（125)，最后连接积分相位子模块（126)，积分相位子模块（126) 连接至相位累加子模块(131)，之后连接降采样输出子模块(132)。4. 一种基于权利要求1所述的抑制光强波动噪声的相位解调装置的相位解调方法，其 特征在于:包括以下步骤， 步骤一:第二数模转换器输出调相波信号cos ω Qt，在差分探测器得到PGC干涉信号为：其中，A为光强直流分量，B为光强交流分量，C为调相波信号si幅度，ω〇为调相波信号si 频率，^ <0为被测相位值； 步骤二:使用基频信号、倍频信号与PGC干涉信号进行乘法操作，然后进行滤波，得到两 路信号：其中，B为光强交流分量，G与H为调相波信号幅度，^〇与上(〇为贝塞尔函数系数； 步骤三:对经过滤波后的信号进行微分操作，得到：步骤四：将步骤三得到的两个信号送入一个乘法器，将步骤二得到的两个信号送入另 一个乘法器，将两个乘法器的输出信号送入除法器，得到消除光强波动B以及调制深度C影 响的信号：步骤五:对上一步得到的信号取绝对值，得到全正信号量，进行开方运算后求得被测相 位的微分值进一步得到该时刻的相位值：
【专利摘要】本发明公开了一种抑制光强波动噪声的相位解调装置及解调方法。包括光纤干涉仪和数字解调装置；本发明对传统的相位生成载波算法进行改进，将被测相位的基频分量与倍频分量做乘积，同时将基频分量的微分值与倍频分量的微分值做乘积，将这两个乘积相除从而去掉光强抖动引起的噪声，再通过积分的方法求解被测相位；同时，本发明将降噪解调算法集成于FPGA与DSP大规模高速信号处理器中，根据FPGA并行处理能力强以及DSP浮点运算性能优越的特点，分别将微分以及相位求解部分实现于两个处理器内，保证实时性；本发明有效抑制了光强波动引起的噪声，提高了长期稳定性，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。
【IPC分类】G01B9/02
【公开号】CN105486225
【申请号】CN201510869463
【发明人】吴冰, 侯璐, 彭峰, 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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