基于数字化载波的相位解调方法、装置及存储介质

本发明涉及光纤传感，涉及到一种相位敏感型光时域反射系统数字化相位载波相位解调技术，用于对相位敏感型光时域反射计的信号解调方法。可实现数字化相位载波解调，对外界实时信号进行解析，获取外界振动等信息。

背景技术：

1、分布式光纤传感器相比传统的点式光纤传感器，具有更高的精度，更广的监测范围和更强的实时性，还具有耐腐蚀、易安装、抗电磁抗干扰等传统传感器不具备的优势。其中，相位敏感型光时域反射计作为分布式光纤传感器的一种，采用高相干的窄线宽激光器，通过分析后向瑞丽散射信号，可以快速探测振动位置及类型，实现对传感光线沿线的监测，在周界安防，管道安全监测，土木结构无损监测，地质勘测等诸多领域发挥重大作用。

2、系统通过对窄线宽激光器发出的连续光进行调制，向传感光纤不断发射脉冲光，通过对后向散射光携带的相位信息进行提取并分析，获得外界振动信息，因此相位解调在系统占很重要一部分，目前常见的三种相位解调方法包括正交解调，基于3*3耦合器的相位解调和相位生成载波。其中相位生成载波解调容易受到相位调制深度波动，混频信号与载波相位延迟和干涉臂偏振态变化等问题，造成解调信号信噪比变差，增加系统复杂程度导致成本过高且引入额外的噪声。

技术实现思路

1、本发明提供了一种解调过程中不受载波调制深度和载波信号与基频和倍频信号的相位延迟影响的基于数字化载波的相位解调方法、装置及存储介质。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于数字化载波的相位解调方法，包括：

4、滤除获取的拍频信号的直流信号，得到拍频信号中包含相位信息的交流部分；

5、对拍频信号中的交流部分采用希尔伯特得到正交信号；

6、去除得到的正交信号中的基频并进行载波调制，得到获得相位载波调制的载波信号；

7、将得到的载波信号与载波的基频信号进行混频并通过低通滤波器得到第一信号，将得到的载波信号与倍频信号进行混频并通过低通滤波器得到第二信号；将获得的第一信号和第二信号分别进行微分后交叉相乘提取相位。

8、本发明基于数字化载波的相位解调方法，用于相位敏感型光时域反射仪的相干光电信号的相位信息解调及恢复，具体实现是对于外差相干信号进行希尔伯提变换的基础上，通过三角函数交叉相乘构建一路具有载波调制的干涉信号，在该干涉信号的基础上进行与基频和倍频混频并通过低通滤波器获得携带有一阶和二阶bessel函数的信号，通过微分交叉相乘后积分相除bessel函数和光强等对解调信号振幅的影响，最终实现相位敏感型光时域反射计的相干信号实时解析，获得外界振动信息。

9、实现本发明的技术方案是通过传感光纤的后向瑞利散射光和光源分出的本振光进行相干获得拍频信号。拍频信号经过平衡探测器获得拍频信号并滤除直流成分得到包含相位信息的交流成分。通过采集模块对信号进行模数转换，送入信号处理模块，通过解调算法解调得到外界扰动的相位变化。本算法对于外差相干信号进行希尔伯提变换的基础上，通过三角函数交叉相乘构建一路具有载波调制的干涉信号，在该干涉信号的基础上进行与基频和倍频混频并通过低通滤波器获得携带有一阶和二阶bessel函数的信号，通过微分交叉相乘后积分相除bessel函数和光强等对解调信号振幅的影响，最终实现相位敏感型光时域反射计的相干信号实时解析，获得外界振动信息。

10、产生的拍频信号为：

11、

12、式中，i(t)为拍频信号的实时强度；el0(t)为本振光的实时强度；el0为本地光振幅；ω1为光场频率；为本地光的初始相位；er0为散射光的振幅；er0(t)为散射光的实时强度；δω为声光调制器(aom)引入的光频移；为干涉场的相位，t为时间。

13、通过平衡探测器后滤除直流成分获得拍频信号中交流成分，通过数采卡对平衡探测器获得相干信号il进行希尔伯特变换，取变换后信号的虚部，获得其信号所对应的正交信号拍频信号is。

14、

15、

16、式中，

17、通过三角变换获得去除拍频信号的基频并进行相位调制的载波信号获得具有载波调制的信号

18、

19、式中，b＝el0er0，b为具有载波调制的信号i1光强幅值，c为载波调制深度，f0为载波调制频率；

20、对具有载波调制的信号进行相位解调，包括步骤如下

21、步骤一、生成基频和倍频信号分别为mod1、mod2与载波信号i1相乘为p1、p2；

22、步骤二、分别将p1、p2进行低通滤波处理获得x1、x2；

23、步骤三、将x1、x2分别进行微分得到dx1、dx2；

24、步骤四、将步骤二得到信号与步骤三得到信号交叉相乘相减的到待积分信号xd；

25、步骤五、将待积分信号xd积分，并相除光强等的影响，提取相位。

26、所述步骤一中，

27、mod1＝cos(2πf0t)；

28、mod2＝cos(4πf0t)；

29、

30、

31、所述步骤二中，

32、

33、

34、其中，j1(c)为一阶bessel函数，j2(c)为二阶bessel函数；

35、所述步骤三中，

36、

37、

38、式中，为t时刻外界振动相位的微分形式；

39、所述步骤四中，

40、所述步骤五中，

41、

42、提取相位

43、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

44、本发明通过数字化载波过程，实现载波深度的稳定不变，不因载波深度变化导致解调结果发生波动，数字化的过程避免了混频信号与载波相位延迟的问题和额外引入干涉仪导致的偏振态变化等问题。提高了解调信号的信噪比，降低成本。

45、本发明在基础的相位载波算法上，实现了对信号的数字化载波调制，能够产生稳定的载波调制信号，在解调过程中不受载波调制深度和载波信号与基频和倍频信号的相位延迟影响，提高解调精度，此外无需引入光纤干涉仪，有效改善信号强度和信噪比。

技术特征：

1.一种基于数字化载波的相位解调方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于数字化载波的相位解调方法，其特征在于，将获得的相位载波调制信号与载波的基频信号进行混频并通过低通滤波器得到第一滤波信号，将获得的相位载波调制信号与倍频信号进行混频并通过低通滤波器得到第二滤波信号；将获得的第一滤波信号和第二滤波信号分别进行微分后交叉相乘提取相位，包括：

3.根据权利要求2所述的基于数字化载波的相位解调方法，其特征在于，获得的相位载波调制信号i1为：

4.根据权利要求3所述的基于数字化载波的相位解调方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的基于数字化载波的相位解调方法，其特征在于，对得到的待积分信号xd进行积分，提取相位，包括：

6.根据权利要求5所述的基于数字化载波的相位解调方法，其特征在于，滤除获取的拍频信号的直流信号，得到的拍频信号中包含相位信息的交流部分为：

7.根据权利要求6所述的基于数字化载波的相位解调方法，其特征在于，对拍频信号中的交流部分采用希尔伯特得到的正交信号为：

8.一种基于数字化载波的相位解调装置，其特征是，包括处理器和存储器；所述存储器中存储有程序或指令，所述程序或指令由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任一所述基于数字化载波的相位解调方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其特征是，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1至7任一所述基于数字化载波的相位解调方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于数字化载波的相位解调方法、装置及存储介质，相位解调方法包括：滤除获取的拍频信号的直流信号，得到拍频信号中包含相位信息的交流部分；对拍频信号中的交流部分采用希尔伯特得到正交信号；去除得到的正交信号中的基频并进行载波调制，获得相位载波调制信号；将获得的相位载波调制信号与载波的基频信号进行混频并通过低通滤波器得到第一滤波信号，将获得的相位载波调制信号与倍频信号进行混频并通过低通滤波器得到第二滤波信号；将获得的第一滤波信号和第二滤波信号分别进行微分后交叉相乘提取相位。本发明通过数字化载波过程，实现载波深度的稳定不变，提高了解调信号的信噪比，提高解调精度。

技术研发人员：孙安,耿振杰
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15