一种调频连续波干涉信号幅度归一化方法与流程

本发明涉及信号处理与分析技术领域，尤其涉及一种幅度归一化方法，进一步涉及一种调频连续波干涉信号幅度归一化方法。

背景技术：

调频连续波(fmcw)激光干涉技术起源于调频连续波雷达，以光程为测量对象，可以直接或者间接实现位移、应变、应力、温度、角速度、电流、磁场等多种物理量的测量。调频连续波光纤位移传感器基于调频连续波干涉原理，采用频率线性调制的半导体激光器发射出光频线性调制的光波，通过光纤法布里-珀罗干涉仪结构，由于参考光与信号光所传输光程不同，从而产生时间延迟，因此两束光之间存在频差，从而发生外差干涉形成干涉信号。该干涉信号的频率与绝对光程差有关，同时，干涉信号初始相位的变化(即相移)与光程差的变化量有关。通过对干涉信号进行鉴频、鉴相可得到其光程差，从而实现其多种物理量的测量。

由于半导体激光器采用驱动电流内调制的方法实现频率调制，但是半导体激光器的输出光功率也随其驱动电流而发生变化，因此在一个调制周期内，调频连续波干涉干涉信号幅值不相等，随调制电流而改变。同时，干涉信号的幅度也会随着探测距离的变化而改变。

在信号鉴频、鉴相中，干涉信号的幅度调制以及幅度的波动会导致鉴频、鉴相出现较大误差。因此，在进行信号鉴频、鉴相之前，对干涉信号进行幅度归一化，使干涉信号为幅值恒定的等幅振荡信号可以提高信号信号鉴频、鉴相的精度。

当调制电流线性变化时，干涉信号的幅值也是线性变化的。在这种情况下，可以通过干涉信号的寻峰、峰值点的直线拟合来计算干涉信号幅值的调制斜率，从而实现幅值解调。但该方法中寻峰和直线拟合的计算量较大，影响到干涉信号鉴相的实时性。对于调频连续波位移传感器，相邻两次测量期间如果位移变化超过1/4波长，则无法判断位移的方向以及位移增量。因此，在对快速运动目标进行测量时，现有的方法存在着实时性差的问题。而当调制电流不是线性变化时，上述的方法将失效。而且峰值定位灵敏度差，受信号噪声影响，峰值计算误差较大，对干涉信号信噪比要求高，通用型差。

技术实现要素：

本发明提供一种调频连续波干涉信号幅度归一化方法，要克服现有技术存在的实时性差和对干涉信号信噪比要求高的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种调频连续波干涉信号的幅度归一化方法，包含以下步骤：

步骤1，对干涉信号进行采样并经过模数转换得到数字信号；

步骤2，根据半导体激光器的pi特性对调频连续波干涉信号进行幅值解调：信号幅值解调的公式为：

其中st'为解调后的干涉信号，st为解调前的干涉信号，imean为驱动电流的平均值，it为驱动电流瞬时值，ith为激光器的阈值电流；

步骤3：计算幅值解调后干涉信号的有效值；

步骤4：计算幅值解调后干涉信号的信号幅值；

步骤5：计算增益系数，并对信号进行自适应增益。

所述步骤3中计算幅值解调后干涉信号的有效值，信号的有效值的计算公式为：

其中u为信号有效值，为信号的均值，n为样本点个数,i为样本点序号。

所述步骤4中计算信号幅值，调频连续波干涉信号的幅值ap与有效值u之间的关系为：

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明幅值解调去除了干涉信号的幅值调制，把干涉信号矫正为等幅振荡的正弦波，这有利于干涉信号鉴相精度的提高。

2、本发明根据半导体激光器的pi特性对数字干涉信号进行幅值解调，幅值校正过程中无需计算干涉信号的幅度调制斜率，减小了计算量，提高了位移测量算法的实时性以及可检测的目标速度上限。

3、本发明在幅值调解步骤后新增了数字自动增益控制，根据干涉信号有效值获得信号幅值，进而准确计算得到信号增益，将干涉信号放大到固定幅值，使干涉信号的幅值不会收到测量距离、目标反射率以及对准等因素的改变而改变，提高了系统的稳定性和适应性，同时提高了后续鉴频和鉴相算法的精度。

4、本发明具有通用性：对调制电流的波形没有要求，幅值解调效果不受干涉信号的噪声的影响，通用性强。

附图说明

图1是激光器的pi特性曲线和调频连续波干涉信号图；

图2是对调频连续波干涉信号进行幅度归一化,归一化幅值设定为3v。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明提供的一种调频连续波干涉信号幅度归一化方法，使用采样单元对一个调制周期内的干涉信号进行采样并转换得到数字信号，根据半导体激光器的pi特性对调频连续波干涉信号进行幅值解调。

其特点在于根据半导体激光器的调制电流对干涉信号的幅值调制进行幅值解调，同时根据干涉信号的有效值进行自适应增益，使干涉信号转变为振幅恒定的等幅振荡信号。

参见图1和图2，一种调频连续波干涉信号幅度归一化方法，具体包含以下步骤：

步骤1：对一个调制周期内干涉信号进行采样并经过模数转换得到数字信号；

步骤2，根据半导体激光器的pi特性对调频连续波干涉信号进行幅值解调，具体步骤如下：

根据半导体激光器的pi特性，激光器的输出功率可以表示为：

p＝k(it-ith)，

其中k为激光器pi特性曲线的斜率，it为驱动电流瞬时值，ith为激光器的阈值电流。

根据光外差探测的原理，光电探测器输出的光电流为：

其中r为探测器灵敏度，ps为信号光功率，pr为参考光功率，ps、pr与激光器的输出功率成正比，f为信号光与参考光的频率差。

激光器的功率与调制电流是线性关系；光电探测器输出的光电流(即干涉信号)与激光器的功率成正比。所以干涉信号幅值as是受激光器的驱动电流调制的，as与驱动电流的关系为：

as＝ks(it-ith)，

其中ks为比例系数，可得信号幅值解调的公式为：

其中st为解调后的干涉信号，st为解调前的干涉信号，imean为驱动电流的平均值。

步骤3，计算幅值解调后干涉信号的有效值：

信号的有效值的计算公式为

其中u为信号有效值，为信号的均值，n为样本点个数,i为样本点序号。

步骤4：计算幅值解调后干涉信号的幅值，调频连续波干涉信号为余弦信号，其信号幅值ap与有效值u之间的关系为：

步骤5：计算信号增益，设定的幅值为ar，例如幅值ar可设定为3v，其增益为

对幅值解调后信号以增益l进行信号放大，实现调频连续波干涉信号的自动增益控制。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。