用于抑制信号串扰的pgc与反转剥层混合解调方法
【专利摘要】本发明公开了一种PGC与反转剥层混合解调方法，用于抑制时分复用FP腔传感阵列中的信号串扰，降低系统噪声。本发明涉及光纤传感【技术领域】，具体包括以下关键步骤：采用PGC方法对阵列的干涉脉冲采样结果进行处理，来获取计算冲击响应的关键参数；对于阵列中的每一个FP腔，首先采用反转剥层方法来剥除多次反射导致的干涉信号，然后采用PGC解调方法获取每个FP腔的相位信息，并用PGC解调参数来重构光栅的振幅反射率，同时获取进行下一步迭代的关键参数。本发明提出的PGC与反转剥层混合解调方法在解调信号的同时获取传递参数，大大提高了信号处理方法运行速度，进而提升系统的实用性。
【专利说明】用于抑制信号串扰的PGC与反转剥层混合解调方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感【技术领域】，涉及到时分复用法布里-珀罗腔(FP腔)光纤传感阵列、信号串扰、信号解调等技术内容，具体为一种相位调制载波(PGC)与反转剥层(Inverse Scattering)混合解调方法,用于抑制时分复用FP腔光纤传感阵列信号串扰。
【背景技术】
[0002]基于FP腔结构的时分复用光纤传感阵列具有结构简单、灵敏度高、体积小、重量轻等优点，在水声信号检测、地震波检测等领域有重要的应用。采用一对中心波长相同的布拉格光纤光栅(FBG)即可构成光纤光栅FP腔(FBG-FP)传感器,且随着光纤光栅制作技术的不断完善，在一根光纤上集成大量的(FBG-FP)传感器成为降低阵列体积和重量、提高阵列可靠性的最佳保障，特别适用于水下、井下等环境恶劣的条件中，例如美国的TB-33水声拖曳阵列、挪威的OBC海底监测系统等均采用这种结构。
[0003]当对这种FP传感阵列注入一对脉冲时，每个光栅也会反射回一对脉冲，若这些脉冲在时间上形成特定的对应关系，则反射回来的第二个脉冲为第一个FP腔的干涉信号，依次类推，即可获得所有脉冲的干涉信号，对这些干涉信号进行解调可获得每个FP腔对应的相位信号。在这种阵列中，波长相同的FBG-FP之间一般采用时分复用方式加以区分和编码。由于这些时分复用的FBG具有相同的反射中心，因此光在这些光栅之间的来回反射导致系统的不同传感器之间信号串扰严重，且时分复用的FBG-FP传感器数目越多，后端的信道串扰越严重。
[0004]信号串扰问题是限制光纤传感系统实际应用的技术因素之一，对信号串扰的抑制是这种时分复用FBG-FP阵列研究的重要内容，对于保证系统的指标并使之真正走向实际应用起着决定性作用。在这方面，挪威的OptoPlan小组做了卓越的工作。文献“Reduct1n of crosstalk in inline sensor arrays using inverse scattering，，(Proc.SPIE, 2008, Vol.704, paper 70044Z)报道了一种反转剥层方法，获得15_20dB的串扰抑制效果；专利“Method and apparatus for suppress1n of crosstalk and noisein time-divis1n multiplexed interferometer sensor systems (专利 号:US7，466，422B2) ”则详细描述了这种反转剥层方法的技术原理。在国内，文献“基于剥层算法的Fabry-Perot腔光纤光栅传感系统时分复用串扰抑制技术研究(路阳，国防科技大学硕士学位论文，2012)”提出反转剥层方法对外差结构的时分复用阵列信号串扰进行抑制，并报道了 6dB的抑制效果。
[0005]相位调制载波(PGC)解调方案是进行干涉信号相位解调的常用技术方法之一。目前国内外的反转剥层方法都是无法直接用于采用PGC解调的时分复用阵列中的，特别是经过PGC中的微分交叉相乘(DCM)算法后，现有反转剥层方法无法完全剥除串扰干涉项，反而会引起系统噪声增加。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种PGC与反转剥层混合解调方法，旨在抑制采用PGC方案的FP传感阵列信号串扰，提高阵列在实际探测应用中的准确性和可靠性。
[0007]为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是:
[0008]—种用于抑制信号串扰的PGC与反转剥层混合解调方法,对于由N个光纤光栅的组成的含有(N-1)个FP腔传感基元的时分复用阵列，该方法包括以下步骤:
[0009]S1.对阵列注入一对光脉冲，对反射回来的前N个光脉冲进行采样，按照采样时间间隔获取各FP腔的响应，其中第一个反射脉冲的采样结果为第一个光栅的强度反射响应，第二个脉冲的采样结果为第一个FP腔的干涉响应，第三个脉冲的采样结果为第二个FP腔的干涉响应，…，依此类推，第N个脉冲的采样结果为第(N-1)个FP腔的干涉响应；对于由N个光栅构成的(N-1)个FP腔时分复用阵列，通过本步骤可获得第一个光栅的强度反射响应和所有FP腔的干涉响应结果；
[0010]S2.在已知第一个光栅反射率和注入阵列的光脉冲对强度比前提下，对步骤SI中所获得的所有干涉响应结果进行预处理，获取每一个干涉响应的干涉项，定义该值为Hi, i=1,2,…，N-1 ；
[0011]S3.由第一个光栅的强度反射响应获得第一个光栅的冲击响应Iitl ;由计算第一个FP腔的冲击响应Ii1 ;对Ii1进行PGC预处理，得到Ii1的幅度项Ii1 a和相位项Ii1 p，由H2、Ii1 a和Ii1 p计算第二个FP腔的冲击响应h2 ;对h2进行PGC预处理，得到h2的幅度项h2a和相位项h2 p，由H3、h2 a和h2j)计算第三个FP腔的冲击响应h3，…，依此类推，Hn^1 , h(N_2)a和h(N_2) p可以获得第(N-1)个FP腔的冲击响应Iv1，通过本步骤可获得N个FP腔的冲击响应 hj(j = 0,1, 2, 3,..., N-l)；
[0012]S4.定义入射和反射参数Ui和V」，并初始化为
[0013]U0 = I
[0014]Ui = O (i = 1,2,..., N-1)；
[0015]Vj = hj (j = O, I, 2,..., N-l)
[0016]S5.计算第一个光栅反射响应中携带的相位信息:令Rci = VciAici,对Rci进行PGC解调，解调出的相位信息即位该光栅的相位，由于此刻PGC所处理的数据对象为反射强度响应，不含有干涉项，因此相位解调结果为O ;
[0017]S6.定义传递参数:r =hn,(p = {RJrj:1，定义循环标志F=I;
[0018]S7.定义传递函数，令:
[0019]
【权利要求】
1.一种用于抑制信号串扰的PGC与反转剥层混合解调方法，对于由N个光纤光栅的组成的含有(N-1)个FP腔传感基元的时分复用阵列，其特征在于该方法包括以下步骤: s1.对阵列注入一对光脉冲，对反射回来的前N个光脉冲进行采样，按照采样时间间隔获取各FP腔的响应，其中第一个反射脉冲的采样结果为第一个光栅的强度反射响应，第二个脉冲的采样结果为第一个FP腔的干涉响应，第三个脉冲的采样结果为第二个FP腔的干涉响应，…，依此类推，第N个脉冲的采样结果为第(N-1)个FP腔的干涉响应，对于由N个光栅构成的(N-1)个FP腔时分复用阵列，通过本步骤可获得第一个光栅的强度反射响应和所有FP腔的干涉响应结果； s2.在已知第一个光栅反射率和注入阵列的光脉冲对强度比前提下，对步骤SI中所获得的所有干涉响应结果进行预处理，获取每一个干涉响应的干涉项，定义该值为Hi, i = 1，2,-,N-1 ； s3.由第一个光栅的强度反射响应获得第一个光栅的冲击响应Iitl;由Iic^PH1计算第一个FP腔的冲击响应Ii1 ;对Ii1进行PGC预处理，得到Ii1的幅度项Ii1 a和相位项Ii1 f，由H2A1 a和f计算第二个FP腔的冲击响应h2 ;对h2进行PGC预处理,得到h2的幅度项h2—a和相位项h2 f，由H3、h2 a和h2 f计算第三个FP腔的冲击响应h3，…，依此类推，由IVptv2 a和hN_2f可以获得第(N-1)个FP腔的冲击响应Iv1，通过本步骤可获得N个FP腔的冲击响应hj (j=O, I, 2, 3,..., N-l)； s4.定义入射和反射参数Ui和并初始化为
U0 = I
Ui = O (i = I, 2,..., N-1)；
Vj = hj (j = O, I, 2,..., N-l) s5.计算第一个光栅反射响应中携带的相位信息:令RtI= VcZuci,对Rtl进行PGC解调，解调出的相位信息即位该光栅的相位； s6.定义传递参数:r= (/? /r0 f2,定义循环标志F=I; s7.定义传递函数，令:
s8.对所有入射和反射参数u和V进行传递计算，计算方法如下:
Uk = tnuk+t12vk
(k = 0,1,2, —, N-1-F)
vk — t2iUk+1+t22Vk+1 通过本步骤迭代获取一组新的入射和反射参数Uk和Vk ; s9.计算第F个FP腔的相位信息，计算方法如下: 令R’ = VV对R’进行PGC解调，解调出的相位信息即位该FP的相位，并令r为解调得到的干涉项幅度，f = P'/r),/2; s10.令循环标志F增加I; s11.重复步骤(S7-S10)，重复(N-2)次后，获得所有FP腔的相位信息。
2.一种如权利要求1所述用于抑制信号串扰的PGC与反转剥层混合解调方法，其特征在于:所述PGC与反转剥层混合解调方法所适用的对象为普通单模光纤FBG-FP阵列或保偏光纤FBG-FP阵列。
3.—种如权利要求1所述用于抑制信号串扰的PGC与反转剥层混合解调方法，其特征在于:所述PGC与反转剥层混合解调方法对光纤光栅的反射率无特定要求。
4.一种如权利要求1所述用于抑制信号串扰的PGC与反转剥层混合解调方法，其特征在于:所述PGC与反转剥层混合解调方法对系统调制载波频率、采样率、采样长度等无特殊要求。
5.一种如权利要求1、2、3或4所述用于抑制信号串扰的PGC与反转剥层混合解调方法，其特征在于:所述由N个光纤光栅的组成的含有(N-1)个FP腔传感基元的时分复用阵列，其中的光纤光栅也可采用光纤耦合器代替来构造FP腔。
【文档编号】G01D5/353GK104197968SQ201410478159
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】马丽娜, 蒋鹏, 胡正良, 胡永明, 李海涛, 熊水东, 林惠祖 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学