一种改进的生成载波相位pgc解调方法
【技术领域】
[0001] 本发明设计属于光纤干涉仪测量领域，具体涉及到一种改进的生成载波相位PGC 解调方法。
【背景技术】
[0002] 干涉型光纤传感器是利用光路中的相位变化来测量物理量，包括震动，应力，位 移，速度等，这种方法具有灵敏度高，线性度高，体积尺寸小，动态范围大等特点。典型的光 纤传感器应用包括光纤水听器，光纤地震计，光纤应变仪等。光纤地震计可以监测地震，核 爆等大幅度信号，Zumberge等人指出其动态范围在180dB@lkHz左右；光纤水听器主要用于 对水下不可视目标，雷达无法探知的盲区进行监测，光纤水听器阵列相比于传统的水听器 具有方向性好，工作带宽大等特点。光纤应变仪可以测量超低频的物理过程，如潮汐，其工 作频段最低可达0.001Hz。对于光路中的相位变化需要通过特定的算法求解，常用的相位解 调算法可以分为：有源检测，无源检测，外差检测，零差检测等。其中有源零差法中的相位生 成载波算法（PGC)与无源零差法中的3X3固定相移法，具有结构简单，分辨率高的特定，被 广泛应用于光纤地震计，光纤水听器阵列等传感器中（CN 200810117296. X)。
[0003] PGC算法优点在于低噪声且对低频信号响应好，但是由于PGC算法对采样带宽进 行限制，从而抑制了可以解调信号的幅度与频率，削弱了对高频大信号的解调能力，降低了 系统的动态范围。而且PGC算法容易受到伴生调幅效应影响，导致系统产生较大的谐波失 真。清华大学张敏等人在基于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（CN 201210143601.9)。美国海军 实验室的Michael Amaral等人提出的水听器校正系统（US 6594198 B2)对PGC如何抑制 直流漂移作了分析。但是二人都没有对如何提PGC算法的解调信号动态范围与伴生调幅谐 波抑制做出详细说明。3X3耦合器固定相移算法优点在于充分利用采样带宽，将采样频率 内的信号全部参与运算，这样就能解调更大幅度与更高频率的信号，但是随之而来的就是 耦合进来更多的噪声，使系统的相位分辨率劣化。而且3X3耦合器固定相移算法要求耦合 器理想完全对称，3路输出具有相同的分光比与120°的固定相位差，当分光比与相位差发 生变化都会导致解调结果的劣化。中船715研究所谢勇等人提出一种便携式多功能光纤水 听器信号解调方法（CN200910100835. 3)将PGC解调方法与3X3固定相移解调方法固化到 一个装置中，但是该装置不能同时运行两种算法，无法同时拓展动态范围以及相位分辨率， 完成对谐波的抑制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种抑制伴生调幅效应、扩展动态范围的改进的生成载波 相位PGC解调方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 改进的生成载波相位PGC解调方法，用干涉仪后端的3 X 3耦合器输出的第一路固 定相移FPS信号和第二路FPS信号进行FPS算法相位解调；第一路PGC信号采用相位生成 载波算法进行解调，最后将两种算法解调结果进行合理融合；PGC算法中增加 PGC椭圆拟合 校正模块，FPS算法中增加 FPS椭圆拟合校正模块分别实现对伴生调幅效应的抑制；同时以 被测相位的幅度和频率乘积作为算法选择的判定条件，完成PGC算法和FPS算法的融合，解 调算法包含载波设定模块，PGC锁相模块，PGC椭圆拟合校正模块，PGC数字反正切模块，FPS 数据截取模块，FPS椭圆拟合校正模块，FPS数字反正切模块，数据融合模块组成：
[0007] (1)系统首先运行载波设定模块，其中载波输出子模块产生频率为20kHz~2MHz 的正弦信号给光源调制器，调制幅度根据光源状态设置为/2rad到π rad之间并维持干 涉条纹稳定即可，调制后的光注入到干涉仪中；干涉仪后端的放大电路连接至数据采集子 模块，采样率根据载波信号频率设定为IOOkbps~10Mbps，得到第一路PGC信号，第一路 FPS信号和第二路FPS信号；
[0008] (2) PGC锁相模块中，本地产生的基频信号与倍频信号以及第一路PGC信号分别同 时经过第一锁相子模块、第二锁相子模块，消除干涉信号中的载波成分，提取被测量信号的 正弦分量，余弦分量，补偿光纤，电路以及光源产生的非线性相移，附加相位差，根据系统状 态与载波频率选取锁相点数为每周期100~100000个点；
[0009] (3)PGC椭圆拟合校正模块用于校正PGC锁相模块输出的正弦分量，余弦分量，校 正参数更新与否取决于低通滤波器的输出结果，即被测信号的时域幅度；
[0010] (4) PGC椭圆拟合校正模块输出结果经过PGC数字反正切模块得到PGC解调结果， 数字反正切精度根据实际情况在2 π周期内选取4096~12864个点，PGC解调结果送入PGC 数据缓存中；
[0011] (5) FPS数据截取模块用于将第一路FPS信号与第二路FPS信号分段，根据系统状 态不同，选取包含1~10个载波周期的时域信号作为一个数据包，送入FPS椭圆拟合校正 模块消除伴生调幅；
[0012] (6) FPS椭圆拟合校正模块将数据包形式的第一路FPS信号与第二路FPS信号校正 为标准正交信号；
[0013] (7) FPS椭圆拟合校正模块输出至FPS数字反正切模块，求解出被测信号并输出至 FPS数据缓存中，信号包含两个成分，调制光源信号与利用压电陶瓷驱动器及压电陶瓷环加 载的标定信号；
[0014] (8)数据融合模块根据被测相位的幅度和频率乘积大小选取PGC解调输出或FPS 解调输出作为解调结果；
[0015] 所述的PGC椭圆拟合校正模块，修正非线性相移，PGC椭圆拟合校正算法需要满足 信号相位变化大于JT rad，PGC椭圆拟合校正算法判定条件由FPS数字反正切模块提供，若 低通滤波器输出结果相位变化大于rad时，启动PGC椭圆拟合校正模块，使用正弦分量， 余弦分量构造 PGC椭圆矩阵，并通过PGC椭圆矩阵求解PGC椭圆参数，该参数用于PGC数据 校正；若低通滤波器输出结果相位变化小于rad则不进行椭圆参数更新，利用之前参数 进行PGC数据校正；
[0016] 所述的FPS数据截取模块，选取时域信号进行处理，保证数据段内包含31 rad的相 位变化，根据系统状态选取1~10个调制波周期信号；
[0017] 所述的FPS椭圆拟合校正模块输入信号相位变化大于31 rad，根据载波输出子模 块调制幅度为π /2rad到JT rad，使用FPS数据截取模块的输出结果构造 FPS椭圆矩阵，利 用矩阵求解FPS椭圆参数，使用FPS椭圆参数进行FPS数据校正；
[0018] 所述的数据融合模块根据被测相位的幅度和频率乘积大小选取PGC算法与FPS算 法最优输出结果作为系统的最终结果，FPS数字反正切模块输出结果经过低通滤波器分离 光源调制载波信号与标定信号，其中低通滤波器参数根据载波信号参数选择，包括滤波器 的通带频率为IOkHz~IMHz之间，衰减速度至少为60dB~120dB，FPS解调结果放入FPS 数据缓存中；PGC数字反正切模块结果放入PGC数据缓存中，结果判定子模块读取这两个缓 存数据；
[0019] 所述输出结果判定子模块，由数据读取模块，频谱计算模块，输出选择模块组成：
[0020] 数据读取模块中进行读取PGC缓存，读取FPS缓存操作，得到PGC数据与FPS数 据；
[0021 ] PGC数据经过傅里叶变换子模块得到PGC频率数据，PGC幅度数据与PGC频率数据 同时输入乘法器；
[0022] 输出选择模块根据PGC幅度数据与PGC频率数据乘积大小，载波信号频率做出判 断，系统载波为IOMHz，乘积值小于IradOlOMHz时，使用PGC数据作为解调结果，乘积值大于 IradOlOMHz时，使用FPS数据作为解调结果。
[0023] 本发明的有益效果在于：
[0024] 本发明公开一种具有伴生调幅抑制的大动态范围干涉相位解调方法，将基于3X3 耦合器的固定相移法与PGC算法相结合，使用PGC算法解调低频小信号，使用FPS算法输出 高频大信号，这样可以在保持原有的采样率的情况下提高系统的相位分辨率，增大动态范 围；因为整个过程容易受到因调制光源产生的伴生调幅效应影响，所以里面加入椭圆拟合 校正算法用于抑制因伴生调幅以及3X3耦合器不理想产生的相位，光强不对称导致的解 调结果谐波增加问题。最终实现保持采样率不变的情况下，增加相位分辨率与动态范围， 消除伴生调幅影响。
【附图说明】
[0025] 图1是一种具有伴生调幅抑制的大动态范围干涉相位解调方法流程图；
[0026] 图2是干涉仪调制解调探测光路装置图；
[0027] 图3是椭圆拟合校正算法消除伴生调幅效应绘制李萨茹图形；
[0028] 图4是PGC与FPS算法结合拓展动态范围；
[0029] 图5是椭圆拟合校正算法对最终解调结果的谐波失真抑制效果；
[0030] 图