专利名称：一种光纤干涉型传感信号解调的系统及方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种光纤干涉型传感信号解调的系统及方法。
背景技术：
光纤干涉型传感器本身具有灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、无源性、防爆、防电磁干扰、超高电绝缘、耐腐蚀、体积小、重量轻、成本低等优点，结合信号解调和多路复用技术它可以实现解调极低频信号，同时也具有高精度、高稳定度、高线性度、易于组网复用、谐波失真低的优点，在地震探测、海洋资源勘探、地球物理研究以及水下军事对抗等方面具有极其广泛的应用前途。在光纤干涉型传感器的多种解调方法中，相位生成载波(Phase GeneratorCarrier，简称PGC)解调技术是一种无源解调技术，其具有高分辨率、高线性度、低谐波失真、大动态范围、稳定性较好、不依赖于光器件、性能较为稳定、易于复用的优点，应用最为广泛。基于PGC解调技术的算法目前主要有两种微分交叉相乘(DCM)算法和反正切(Arctan)算法。前者对信号光强度变化十分敏感，它不仅增加了解调系统的噪声水平，同时还可能引入伪相位信息；而后者则不存在光强变化引起的干扰问题，具有较高的稳定性，但其要求调制深度C值严格等于2. 63，否则会出现较大的谐波失真。
发明内容
(一 )要解决的技术问题为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种光纤干涉型传感信号解调的系统及方法，以抑制谐波失真问题，提高稳定性。( 二 )技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种光纤干涉型传感信号解调的系统，该系统包括模数转换模块，其输入端与光纤干涉型传感信号的两输入端相连接，用于分别对输入的载波信号和光纤干涉信号进行模拟数字转换，生成第一数字采样结果和第二数字采样结果；滤波器模块，其输入端与模数转换模块的两输出端相连接，用于对模数转换模块输出的第一数字采样结果及其倍频和第二数字采样结果进行混频处理和低通滤波，生成第一滤波结果和第二滤波结果；信号解调计算模块，其输入端与滤波器模块的两输出端相连接，用于对滤波器模块输出的第一滤波结果和第二滤波结果采用微分自乘相加算法进行信号解调计算，生成信号解调计算结果。根据本发明的另一个方面，还提供了一种光纤干涉型传感信号解调的方法。该方法包括分别对输入的载波信号和光纤干涉信号进行模拟数字转换，生成第一数字采样结果和第二数字采样结果；对第一数字采样结果及其倍频和第二数字采样结果进行混频处理 和低通滤波，生成第一滤波结果和第二滤波结果；对第一滤波结果和第二滤波结果采用微分自乘相加算法进行信号解调计算，生成信号解调计算结果。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明光纤干涉型传感信号解调的系统及方法，具有如下有益效果I、谐波失真低结合微分自乘相加算法和低通滤波器与带通滤波器的设置，可以有效的降低谐波失真；2、稳定性高通过结果修正可以去除光强幅度的影响，能够抑制光强变化引起的干扰问题，具有较高的稳定性；3、操作方便可以通过全数字化实现，便于调整和应用。
图I为本发明实施例光纤干涉型传感信号解调系统的结构示意图；图2为本发明实施例光纤干涉型传感信号解调方法的流程示意图。主要元件符号说明10-模数转换模块；101-第一信号调理单元；102-第二信号调理单元；103-第一 AD采样单元； 104-第二 AD采样单元；20-滤波器模块；201-第一信号处理单元；202-第二信号处理单元；203-频率检测单元；204-第一低通滤波器；205-第二低通滤波器；30-信号解调计算模块；301-第一微分器；302-第二微分器；303-第一乘法器；304-第二乘法器；305-加法器；306-积分器；307-带通滤波器；40-信号检测结果存储及显示模块401_结果修正单兀；402_彳目号检测结果存储及显不单兀。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包括特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。本发明提出了一种区别于现有技术两种PGC解调方法-微分交叉相乘(DCM)算法和反正切(Arctan)算法的新方法，该方法采用微分自乘相加的算法，结合低通滤波器和带通滤波器的设置，并适当的对解调结果进行处理和标定，从而可以准确的解调传感信号。在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种光纤干涉型传感信号解调的系统。图I为本发明实施例光纤干涉型传感信号解调系统的结构示意图。如图I所示，本实施例包括模数转换模块10、滤波器模块20、信号解调计算模块30和信号检测结果存储及显示模块40。以下分别对各组成模块进行详细说明。
首先，为便于说明，设未经调理的载波信号al和光纤干涉信号a2分别如下式(I)、
(2)所示X (t) = acos (2 π ft) (I)
y(t) = A +B cos[C cos(2π ft) + φ{t)](2)其中，&、八和8为信号1(1:)、7(1:)的幅值，C为调制深度，f为调制信号频率,炉0)为待解调的信号。模数转换模块10，其输入端与光纤干涉型传感信号的两输入端相连接，用于分别对输入的载波信号al和光纤干涉信号a2进行模拟数字转换，生成第一数字采样结果bl和第二数字采样结果b2，第一数字采样结果bl和第二数字采样结果b2输出给滤波器模块20。如图I所示，模数转换模块10，包括第一信号调理单元101、第二信号调理单元102、第一 AD米样单兀103和第二 AD米样单兀104。其中第一信号调理单兀101,与光纤干涉型传感信号的载波信号输入端相连接，用于对输入的载波信号al进行信号调理，使其电压幅度在第一 AD采样单元103所要求的范围内。第二信号调理单元102，与光纤干涉型传感信号的光纤干涉信号输入端相连接，用于对输入的光纤干涉信号a2进行信号调理，使其幅度在第二 AD采样单元104所要求的范围内。优选地，第一 AD采样单元103和第二 AD米样单兀104所要求的电压幅度范围为±10V。第一 AD米样单兀103,用于对第一信号调理单元101的输出进行数字化采集，完成模拟数字转换，生成第一数字采样结果bl。第二AD采样单元104，用于对第一信号调理102的输出进行数字化采集，完成模拟数字转换，生成第二数字采样结果b2，采样速率与第一 AD采样103保持同步。优选地，第一 AD采样单元103和第二 AD采样单元104的采样速率为10KS/s-200KS/s，最优为2. 5KHz。本领域技术人员应当清楚，如果能够保证输入的光纤干涉型传感信号的第一 AD采样单元和第二 AD采样单元的范围，第一信号调理单元101和第二信号调理单元102也可以省略，并且第一 AD采样单元103和第二 AD采样单元104的电压幅度范围和采样速率也可以根据实际情况进行调整。滤波器模块20，其输入端与模数转换模块10的两输出端相连接，用于对模数转换模块10输出的第一数字采样结果bl及其倍频和第二数字采样结果b2进行混频处理和低通滤波，生成第一滤波结果Cl和第二滤波结果c2，以抑制谐波干扰，第一滤波结果Cl和第二滤波结果c2输出给信号解调计算模块30。如图I所示，滤波器模块20包括第一信号处理单元201、第二信号处理单元202、频率检测单元203、第一低通滤波器204和第二低通滤波器205。其中第一信号处理单元201，用于对第一数字采样结果bl与第二数字采样结果b2进行混频运算，并将运算结果输出到第一低通滤波器204。第二信号处理单元202，用于对第一数字采样结果bl的倍频与第二数字采样结果b2进行混频运算，并将运算结果输出到第二低通滤波器205。频率检测单元203，与第二 AD采样单元104的输出端相连接，用于从模数转换后的光纤干涉信号-第二数字采样结果b2中检测出其最高频率，将此频率的一倍至两倍作为第一低通滤波器204和第二低通滤波器205的低通截止频率，该低通截止频率通常为2KHz 4KHz。
第一低通滤波器204,用于对第一信号处理单兀201输出结果进行低通滤波,生成第一滤波结果cl,滤波结果如公式(3)所不。第二低通滤波器205,用于对第二信号处理202输出结果进行低通滤波，生成第二滤波结果c2。滤波器低通设置由频率检测单元203输出结果进行控制，第二低通滤波器205的滤波器设置与第一低通滤波器204保持相同，滤波结果如公式(4)所示。
权利要求
1.一种光纤干涉型传感信号解调的系统，其特征在于，包括 模数转换模块，其输入端与光纤干涉型传感信号的两输入端相连接，用于分别对输入的载波信号和光纤干涉信号进行模拟数字转换，生成第一数字采样结果和第二数字采样结果; 滤波器模块，其输入端与模数转换模块的两输出端相连接，用于对模数转换模块输出的第一数字采样结果及其倍频和第二数字采样结果进行混频处理和低通滤波，生成第一滤波结果和第二滤波结果； 信号解调计算模块，其输入端与滤波器模块的两输出端相连接，用于对滤波器模块输出的第一滤波结果和第二滤波结果采用微分自乘相加算法进行信号解调计算，生成信号解调计算结果。
2.根据权利要求I所述的光纤干涉型传感信号解调的系统，其特征在于，所述滤波器模块包括 第一信号处理单元，用于对第一数字采样结果与第二数字采样结果进行混频运算，并将混频运算结果输出到第一低通滤波器； 第一低通滤波器，用于对第一信号处理单元输出的混频运算结果进行低通滤波，生成第一滤波结果； 第二信号处理单元，用于对第一数字采样结果的倍频与第二数字采样结果进行混频运算，并将运算结果输出到第二低通滤波器。
第二低通滤波器，用于对第二信号处理单元输出的混频运算结果进行低通滤波，生成第二滤波结果。
3.根据权利要求2所述的光纤干涉型传感信号解调的系统，其特征在于，所述滤波器模块还包括 频率检测单元，与模数转换模块的输出端相连接，用于从第二数字采样结果中检测出光纤干涉信号的最高频率，将该最高频率的一倍至两倍作为第一低通滤波器和第二低通滤波器的低通截止频率。
4.根据权利要求2所述的光纤干涉型传感信号解调的系统，其特征在于，所述信号解调计算模块包括 第一微分器，用于对第一滤波结果进行微分运算； 第一乘法器，用于对第一微分器的输出的微分运算结果进行平方运算； 第二微分器，用于对第二滤波结果进行微分运算； 第二乘法器，用于对第二微分器的输出的微分运算结果进行平方运算； 加法器，用于对第一乘法器输出的平方运算结果和第二乘法器的输出的平方运算结果进行加法运算； 积分器，用于对加法器的输出的加法运算结果进行积分运算； 带通滤波器，用于对积分器输出的积分运算结果进行带通滤波，生成信号解调计算结果O
5.根据权利要求4所述的光纤干涉型传感信号解调的系统，其特征在于，所述模数转换模块包括 第一信号调理单元，与光纤干涉型传感信号的载波信号输入端相连接，用于对输入的载波信号进行信号调理，使其电压幅度在第一 AD采样单元所要求的范围内； 第一 AD采样单元，用于对第一信号调理单元的输出信号进行数字化采集，生成第一数字采样结果； 第二信号调理单元，与光纤干涉型传感信号的光纤干涉信号输入端相连接，用于对输入的光纤干涉信号进行信号调理，使其幅度在第二 AD采样单元所要求的范围内； 第二 AD采样单元，用于对第一信号调理的输出信号进行数字化采集，生成第二数字采样结果。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的光纤干涉型传感信号解调的系统，其特征在于，还包括 信号检测结果修正模块，用于对信号解调计算模块输出的信号解调计算结果进行归一化修正运算。
7.根据权利要求6所述的光纤干涉型传感信号解调的系统，其特征在于，所述信号检测结果修正模块包括 结果修正单元，用于对信号解调计算模块输出的信号解调计算结果进行归一化修正运算； 信号检测结果存储及显示单元，用于对修正运算后的信号解调计算结果进行数字化存储和显示。
8.一种光纤干涉型传感信号解调的方法，其特征在于，包括 分别对输入的载波信号和光纤干涉信号进行模拟数字转换，生成第一数字采样结果和第二数字采样结果； 对第一数字采样结果及其倍频和第二数字采样结果进行混频处理和低通滤波，生成第一滤波结果和第二滤波结果； 对第一滤波结果和第二滤波结果采用微分自乘相加算法进行信号解调计算，生成信号解调计算结果。
9.根据权利要求8所述的光纤干涉型传感信号解调的方法，其特征在于，所述对第一数字采样结果及其倍频和第二数字采样结果进行混频处理和低通滤波，生成第一滤波结果和第二滤波结果的步骤包括 对第一数字采样结果与第二数字采样结果进行混频运算，对混频运算结果进行低通滤波，生成第一滤波结果； 对第一数字采样结果的倍频与第二数字采样结果进行混频运算，对混频运算结果进行低通滤波，生成第二滤波结果。
10.根据权利要求9所述的光纤干涉型传感信号解调的方法，其特征在于，所述对第一滤波结果和第二滤波结果采用微分自乘相加算法进行信号解调计算，生成信号解调计算结果的步骤包括 对第一滤波结果进行微分运算，对第一滤波结果的微分运算结果进行平方运算，生成第一平方运算结果； 对第二滤波结果进行微分运算，对第二滤波结果的微分运算结果进行平方运算，生成第二平方运算结果； 对第一平方运算结果和第二平方运算结果进行加法运算；对加法运算结果进行积分运算； 对积分运算结果进行带通滤波，生成信号解调计算结果。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的光纤干涉型传感信号解调的方法，其特征在于，所述对第一滤波结果和第二滤波结果采用微分自乘相加算法进行信号解调计算，生成信号解调计算结果的步骤之后还包括 对信号解调计算结果进行归一化修正运算。
全文摘要
本发明公开了一种光纤干涉型传感信号解调的系统及方法。该系统包括模数转换模块，用于分别对输入的载波信号和光纤干涉信号进行模拟数字转换，生成第一数字采样结果和第二数字采样结果；滤波器模块，用于对模数转换模块输出的第一数字采样结果及其倍频和第二数字采样结果进行混频处理和低通滤波，生成第一滤波结果和第二滤波结果；信号解调计算模块，用于对滤波器模块输出的第一滤波结果和第二滤波结果采用微分自乘相加算法进行信号解调计算，生成信号解调计算结果。本发明结合微分自乘相加算法和低通滤波器与带通滤波器的设置，其能够有效的抑制调制深度C值变化带来的谐波失真问题。
文档编号H04B10/12GK102624456SQ20121004159
公开日2012年8月1日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日
发明者徐团伟, 李芳 , 王国庆 申请人:中国科学院半导体研究所