一种含有相位载波调制信号的干涉光复光场合成方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，涉及到光纤干涉仪信号解调、光场变换、信号串扰、偏振抑制等技术内容，具体为一种含有相位载波(Phase Generated Carrier，PGC)调制信号的干涉光复光场合成方法，用于获取干涉光的复数表达形式，为光纤干涉仪传感系统的串扰抑制、偏振控制等提供可快速处理的信号基础。

背景技术：

光纤干涉仪以灵敏度高、结构简单、体积小、重量轻等优点，成为光纤传感领域最重要的传感形式之一，在光纤陀螺、光纤水声探测、地震波检测等领域有重要的应用。

光纤干涉仪的输出光强一般可表示为(公式1)

I(t)表示干涉仪输出的光强度，A表示直流量，B表示交流量幅度，Re表示取复数的实部运算，表示干涉仪的信号项，为干涉仪的噪声。

在很多干涉信号处理过程中，往往需要将多个干涉结果进行乘除法运算，以获得和频或者差频信号。当采用(公式1)计算时会同时获得和频与差频信号，导致后续计算错误。具体来讲，对于两个干涉信号I₁(t)和I₂(t)

期望获得干涉信号的和频或差频项，即获得或但在实际运算中，将I₁(t)和I₂(t)混频会同时获得和频项和差频项，并且二者无法分离，即：

一种简单的处理方法是，若能够获取干涉光场的复数表达形式，即

将两个干涉光场的复数表达形式直接进行乘法和除法运算，即可获得和再取实部运算即可得到和

可见干涉光场的复数表达形式在很多应用中是简化算法、提高计算效率的关键。文献“Reduction of crosstalk in inline sensor arrays using inverse scattering”(Proc.SPIE,2008,Vol.704,paper 70044Z)和专利“Method and apparatus for suppression of crosstalk and noise in time-division multiplexed interferometer sensor systems(专利号:US 7,466,422B2)”报道了一种反转剥层算法，这种剥层算法就是基于干涉结果的复数表达形式。但对于实际系统而言，光电探测器响应到的是干涉结果的实数表达形式(公式1)，因此干涉光场的复数还原方法是处理算法的关键环节。

一般而言，在已知一个表达式的实数表示时，通过希尔伯特变换可获得其复数表达形式，但这种方法只适用于简单的干涉信号。在实际系统中，为抑制光纤干涉仪的随机相位衰落现象，光纤干涉仪的输出干涉结果往往需要含有调制信号，其中PGC调制是最常见的一种调制方法，所输出的信号可表示为(公式2)

I_PGC(t)表示经过PGC调制后干涉仪输出的光强度，A表示直流量，B表示交流量幅度，Re表示取复数的实部运算，Ccos(2πω₀t)为PGC调制项，其中C为调制幅度，ω₀为调制频率，表示干涉仪的信号项，为干涉仪的噪声。

对于含有PGC调制项的干涉结果，期望获得如(公式3)所示的复数表达形式：

对于含有PGC调制项的信号而言，直接通过希尔伯特变换将获得(公式4)所示的表达式

可见，由于含有PGC调制项导致干涉结果的频谱成分复杂，直接通过希尔伯特变换无法获得如(公式3)所示的干涉信号光场的复数表达形式，也即干涉信号复光场表达形式。

技术实现要素：

本发明提供一种含有PGC调制信号的干涉光复光场合成方法，旨在获取干涉光的复数表达形式，为光纤干涉仪传感系统的串扰抑制、偏振抑制等提供可快速处理的信号基础。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：一种含有PGC调制信号的干涉光复光场合成方法，该方法包括以下步骤：

S1.通过光纤干涉仪系统的光电探测器获得含有PGC调制项的干涉结果的实数表达形式：

I_PGC(t)表示经过PGC调制后干涉仪输出的光强度，A表示直流量，B表示交流量幅度，Re表示取复数的实部运算，Ccos(2πω₀t)为PGC调制项，其中C为调制幅度，ω₀为调制频率，表示干涉仪的信号项，为干涉仪的噪声。

S2.由于PGC调制项Ccos(2πω₀t)为人为引入项，将I_PGC(t)分别与cos(2πω₀t)、cos(2π2ω₀t)混频，获得两个表达式I_ω和I_2ω，即：

I_ω＝I_PGC(t)×cos(2πω₀t)

I_2ω＝I_PGC(t)×cos(2π2ω₀t)；

S3.将I_ω和I_2ω分别进行低通滤波，保留小于ω₀的频谱成分，获得表达式I_{ω_low}和I_{2ω_low}：

其中J₁(C)为一阶Bessel函数，J₂(C)为二阶Bessel函数；

S4.生成相位项复光场表达形式

S5.合成含有PGC调制项的干涉结果复数表达形式I_com：

本发明的技术效果在于：通过获取干涉光的复数表达形式，为光纤干涉仪传感系统的串扰抑制、偏振抑制等提供可快速处理的信号基础。

附图说明

图1为本发明中含有PGC调制信号的干涉光复光场合成方法流程图，其中1、2、3是关键步骤。1为混频处理；2为低通滤波处理，分别获取复数表达式中关键的正弦和余弦表达形式；3是生成相位项复光场表达形式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，如附图1所示，本发明所述含有PGC调制信号的干涉光复光场合成方法包含如下步骤：

S1.通过光纤干涉仪系统的光电探测器获得含有PGC调制项的干涉结果的实数表达形式

I(t)表示干涉仪输出的光强度，A表示直流量，B表示交流量幅度，Re表示取复数的实部运算，Ccos(2πω₀t)为PGC调制项，其中C为调制幅度，ω₀为调制频率，表示干涉仪的信号项，为干涉仪的噪声。

S2.将I_PGC(t)分别与cos(2πω₀t)、cos(2π2ω₀t)混频，并定义获得两个表达式I_ω和I_2ω，其中

S3.将I_ω和I_2ω分别进行低通滤波，保留小于ω₀的频谱成分，获得：

S4.合成干涉结果的复数表达形式

S5.合成含有PGC调制项的干涉结果复数表达形式I_com

可以看出，采用本发明所述的干涉光复光场合成方法，可以获得干涉信号光场的复数表达形式，也即干涉信号的复光场，为偏振控制和抑制多通道串扰等提供信号基础。