一种改进的生成载波相位pgc解调方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学干涉仪测量领域，具体涉及到一种干涉仪的改进的生成载波相位 PGC解调方法。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器被广泛应用于各个领域因为他的灵敏度高，线性度高，体积尺寸小，抗 电磁干扰，动态范围大等特点。光纤传感器的基本结构是利用干涉仪内部参数的变化来测 量其他物理量，其中精度比较高是相位型干涉仪。最典型的应用是光纤水听器与光纤地震 计。上世纪70年代美国海军实验室开始致力于光纤水听器的研究，其中1982年提出的相 位生成载波（PGC)算法与基于3X3耦合器的固定相移法（FPS)都是比较经典的水听器解 调方法。随着光纤制备技术提高与光器件生产技术的发展，这两种算法目前也在民用领域 内推行，主要依托产品为光纤地震计，光纤地震计相比于传统地震计在测量灵敏度与动态 范围上都有明显优势，尤其对于高频大幅度信号，如动态范围在180dB@lkHz左右的核爆信 号。
[0003] 传统的PGC解调算法需要进行混频、滤波等操作，还需要使用微分、积分等运算， 在许多步骤上对信号的带宽做出了限制，这就保证了其优越的噪声抑制特性，清华大学张 敏等人基于PGC原理的光纤水听器在降噪方面对此作了深入的研究，包括独立水听器（CN 201110191719. 4)与复用水听器阵列（CN201210143601.9)的噪声抑制。另一个研究比较 深入的方向是水听器列阵，中船重工715研究所谢勇等人发明了如何进行大规模阵列解调 的方法（CN200910100600. 4)，美国NorthropGrumman公司DavidB.Hall等人对阵列解调 也有相关专利发表（US7038784B2)。上述算法由于在计算中限制了带宽，降低了系统的解 调范围，在大信号解调过程中容易出现谐波失真。中国科学院研究生院的倪明博士学位论 文中也讨论过PGC动态范围的问题，结论是增加系统的动态范围必须要增加调制频率和数 据采样率，这样做无疑会极大增加硬件复杂程度和传感器成本（需要高频光学调制器）。对 于单个传感单元而言，如何能在尽量不增加硬件开销的基础上实现动态范围拓展，具有非 常重要的实用意义和价值。PGC解调算法的稳定性在使用过程中也是性能劣化的一个重要 影响因素，因为整个传感器系统包括光源，光路，换能器等部件，这些部件随着温度或应力 释放的变化会导致传感器的状态发生变化，如载波信号的频率与幅度，如果这个问题不被 及时校正就会导致系统的谐波失真或者直流漂移。基于3X3耦合器的固定相移法（FPS) 其优点在于解调动态范围大，但缺点是其没有对测量带宽进行必要的限制，导致更多的白 噪声直接进入解调结果，此外耦合器光学性能的畸变也会对解调产生较大的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种改进的生成载波相位PGC解调方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] -种改进的生成载波相位PGC解调方法，包括信号调制模块，采集预处理模块， PGC解算与失真分析模块，FPS解算模块，PGC与FPS算法融合模块，光纤干涉测量系统的工 作步骤如下：
[0007] (1. 1)首先启动信号调制模块，信号调制模块中的开始采集子模块用于采集放大 电路的输出结果；调制输出子模块输出的正弦波用于调制光源，经过调制后的光注入到干 涉仪中，其中调制频率为2kHz~50MHz，调制幅度在1~6rad范围内保证干涉条纹稳定；
[0008] (1. 2)运行采集预处理模块，采样率根据调制频率选择在2Mbps~100Mbps，光电 探测模块接收到光信号同时完成光电转换，输出第一路干涉信号、第二路干涉信号和第三 路干涉信号；这三路信号输入到放大电路中，经过开始采集子模块，输出第一路采集数据、 第二路采集数据和第三路采集数据；
[0009] (1. 3)采集预处理模块的输出结果，同时送入PGC解算与失真分析模块和FPS解算 模块中，并完成PGC解算与FPS解算；
[0010] (I. 4)FPS解算模块使用增益调节子模块的输出结果完成解算，FPS解算模块输出 FPS解调结果与校正参数；
[0011] (I. 5)PGC解算与失真分析模块使用第一路采集数据与校正参数完成PGC解算，输 出解算结果；
[0012] (I. 6)PGC与FPS算法融合模块根据失真分析子模块的输出结果，选择PGC解调结 果或者FPS解调结果作为解调结果；
[0013] 所述的PGC解算与失真分析模块，包括基本PGC模块，谐波失真值分析模块，结果 输出模块，PGC解算的过程包括：
[0014] (1. 2. 1)采集预处理模块中的第一路采集数据形式为PGC干涉信号，分别与基频 信号倍频信号同时送入第一乘法器、第二乘法器，第一乘法器、第二乘法器的输出结果送入 第一低通滤波器、第二低通滤波器，截止频率根据载波信号频率选择在IkHz~25MHz之间， 衰减速度至少为_80dB至-120dB;
[0015] (1. 2. 2)基频信号滤波结果送入谐波失真值分析模块，第一低通滤波器输出结 果送入傅里叶变换子模块，傅里叶变换子模块输出结果为一组频域数据，对这组数据进 行两次积分，第一积分区间为（〇,《<：/2-A?)，输出有效信号频率成分，第二积分区间为 (A?，《。/2)，输出失真信号频率成分，其中近似区间A?大小根据调制频率《。范围在 IHz~IkHz之间，两个积分值经过第一除法器作相除运算后得到PGC谐波失真值；
[0016] (1. 2. 3)第一低通滤波器、第二低通滤波器输出结果经过第二除法器，得到未修正 PGC正切值；
[0017] 所述的FPS解算模块，利用三路固定相移信号完成FPS解算，具体过程为：
[0018] (1.3. 1)基本FPS子模块利用增益调节子模块输出的三路固定相移信号进行解 调，得到的解调结果包含载波信号与被测信号；
[0019] (1. 3. 2)基本FPS子模块输出结果经过FPS高通滤波器得到载波信号，载波信号通 过峰值探测子模块得到载波信号的幅度值，再通过状态求解子模块输出调制幅度；
[0020] (1. 3. 3)未修正PGC正切值与状态求解子模块的输出结果同时送入状态修正子模 块，得到修正后的反正切值，该值送入反正切子模块；
[0021] 所述的PGC与FPS算法融合模块，根据PGC谐波失真值大小进行算法融合，具体过 程为：
[0022] (I. 4. 1)基本FPS子模块输出结果经过FPS低通滤波器，其截止频率根据载波信号 频率选择在IkHz~25MHz之间，衰减至少速度为-80dB至-120dB，得到FPS解调结果并送 入输出判定子模块；
[0023] (1. 4. 2)状态修正子模块输出结果经过反正切子模块得到修正后的PGC解调结果 并送入输出判定子模块；
[0024] (1. 4. 3)谐波失真值分析模块输出PGC谐波失真值即失真频率部分所占的比重大 小，该值由被测信号幅度，频率决定，若PGC谐波失真值在1 %以下，系统选择PGC输出作为 解调结果；若PGC谐波失真值在1 %~10%之间，系统既可以选择PGC输出也可以选择FPS 输出作为解调结果；若PGC谐波失真值大于10 %，系统选择FPS输出作为解调结果保证解 调最大动态范围。
[0025] 本发明的有益效果在于：
[0026] 本发明公开一种具有增大动态范围、增强相位解调稳定性的方法，将传统PGC算 法与基于3X3耦合器的固定相移法（FPS)相融合，在保持系统采样率不变的情况下拓展解 调的动态范围，并同时使用FPS算法对PGC载波信号的调制幅度、频率与初始相位进行监 测，用于修正系统的低频漂移，实现相位解调稳定性的增强。本方法有效增加了系统动态范 围，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】
[0027] 图1为一种改进相位解调算法的流程图；
[0028] 图2为改进相位解调方法实验装置图；
[0029] 图3为PGC解算及谐波失真分析程序流程图；
[0030] 图4为FPS辅助算法及补偿程序流程图；
[0031] 图5为基本FPS程序流程图；
[0032] 图6为PGC算法对823Hz信号解调结果；
[0033] 图7为FPS辅助算法对823Hz测试信号以及20kHz载波信号解调结果；
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