一種抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵解調(diào)方法，包括：將調(diào)制載波單倍頻信號(hào)與干涉信號(hào)相乘，產(chǎn)生信號(hào)S4；將調(diào)制載波二倍頻信號(hào)與干涉信號(hào)相乘，產(chǎn)生信號(hào)S5；低通濾波，用于濾除信號(hào)S4和S5中攜帶的高頻載波項(xiàng)及倍頻項(xiàng)，分別獲得攜帶被測信號(hào)的兩路正交正弦信號(hào)項(xiàng)S6和S7；雙微分交叉相乘處理步驟，用于獲得包含待測信號(hào)項(xiàng)和干擾因子項(xiàng)的S8以及干擾因子項(xiàng)S9；信號(hào)S8與信號(hào)S9相除，獲得與調(diào)制深度C無關(guān)的信號(hào)S10；對信號(hào)S10進(jìn)行積分，獲得被測信號(hào)S11；高通濾波，濾除信號(hào)S11中摻雜的噪聲信號(hào)，獲得最終被測信號(hào)S12。本發(fā)明的方法消除了傳統(tǒng)方法解調(diào)結(jié)果中受環(huán)境變化的參數(shù)項(xiàng)，抑制了調(diào)制深度對解調(diào)結(jié)果產(chǎn)生的影響，取得令人滿意的解調(diào)結(jié)果。
【專利說明】一種抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著光電技術(shù)及光信息通信技術(shù)的迅速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)受到人們廣泛的關(guān)注，其發(fā)展速度之迅疾、涉及領(lǐng)域的日益廣泛也備受矚目。光纖傳感器作為近二十年發(fā)展最迅速的產(chǎn)業(yè)之一，因?yàn)槠淇闺姶鸥蓴_、探頭小、靈敏度高及易組網(wǎng)復(fù)用的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于軍工、國防、海洋、橋梁等各個(gè)領(lǐng)域。而隨著光纖傳感器靈敏度越來越高，其對解調(diào)方法的要求也隨之提高。
[0003]原始的解調(diào)方法是利用光譜儀直接測量波長的變化，但這種方法分辨率很低，在精度較高的檢測中難以滿足要求，所以逐漸被傳統(tǒng)的解調(diào)方法所替代，如邊緣濾波法、F-P濾波器法、匹配光柵濾波法、體全息無柵法等。這些傳統(tǒng)解調(diào)方法的提出，使得解調(diào)方法在性能指標(biāo)上有了很大的提高，但仍然不能滿足高精度測量的要求。隨著光纖傳感的迅速發(fā)展，波長干涉式的解調(diào)方法脫穎而出，如有源零差法、外插法、基于3X 3耦合器法和相位生成載波法，這些干涉式的解調(diào)方法在分辨率、線性度和動(dòng)態(tài)范圍上相比于傳統(tǒng)的解調(diào)方法又有了很大的提高。其中相位生成載波方法除了運(yùn)算復(fù)雜之外，在性價(jià)比上都占有絕對優(yōu)勢。而隨著目前數(shù)字電路以及計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，這已經(jīng)不再是制約相位生成載波方法發(fā)展的因素，因此相位生成載波(PGC)法在傳感解調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，目前是應(yīng)用最為廣泛的光纖光柵解調(diào)方法，而且各種新型PGC法也應(yīng)運(yùn)而生。
[0004]經(jīng)典的PGC法是由美國海軍實(shí)驗(yàn)室A.Dandridge等在1982年首次提出的PGC-DCM法(A.Dandridge, “Fiber-optic sensors make waves in acoustics, control, andnavigat1n，，，Circuits and Devices Magazine, IEEE, vol.6, pp.12-19,1990),這種方法的提出大大提高了解調(diào)系統(tǒng)的分辨率，使傳感領(lǐng)域在解調(diào)方向上有了一次大的飛躍。但這種方法所解調(diào)的結(jié)果容易受光強(qiáng)擾動(dòng)及調(diào)制深度漂移的影響，針對光強(qiáng)擾動(dòng)的影響在1994年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室T.R.Christian等提出了基于反正切的PGC法，即PGC-Arctan方法，基本消除了光強(qiáng)擾動(dòng)對解調(diào)系統(tǒng)的影響(T.R.Christian, P.A.Frank, and B.H.Houston,“Real-time analog and digital demodulator for interferometric fiber opticsensors，，， inl994North American Conference on Smart Structures and Materials,1994，pp.324-336)，但這種方法又會(huì)由于調(diào)制深度的擾動(dòng)造成較大的諧波失真。而調(diào)制深度深受環(huán)境噪聲等方面的影響，尤其在復(fù)雜的工作環(huán)境下，它的擾動(dòng)會(huì)給解調(diào)結(jié)果以及系統(tǒng)的性能參數(shù)帶來嚴(yán)重的影響。
[0005]傳統(tǒng)的PGC-DCM法中，通過標(biāo)定C值的一階貝塞爾(Bessel)函數(shù)和二階貝塞爾函數(shù)的乘積，推算出最終的解調(diào)結(jié)果，還原出待測信號(hào)，當(dāng)C值產(chǎn)生漂移時(shí)，解調(diào)結(jié)果中與調(diào)制深度有關(guān)的系數(shù)項(xiàng)偏離標(biāo)定值，解調(diào)結(jié)果出現(xiàn)偏差。鑒于此，本發(fā)明提出了一種抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，通過約去傳統(tǒng)解調(diào)方法中與調(diào)制深度C值有關(guān)的系數(shù)項(xiàng)，消除C值的漂移對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，從而提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，以提高光纖傳感解調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并重點(diǎn)解決傳統(tǒng)PGC方法中解調(diào)結(jié)果由于調(diào)制深度的漂移產(chǎn)生的失真問題。
[0007]本發(fā)明提供了一種抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，包括下列步驟:
[0008]將調(diào)制載波單倍頻信號(hào)S2與干涉信號(hào)S1相乘，以產(chǎn)生信號(hào)S4,并通過貝塞爾函數(shù)將信號(hào)S4展開；
[0009]將調(diào)制載波二倍頻信號(hào)S3與干涉信號(hào)S1相乘，以產(chǎn)生信號(hào)S5,并通過貝塞爾函數(shù)將信號(hào)S5展開；
[0010]采用低通濾波，濾除信號(hào)S4和S5中攜帶的高頻載波項(xiàng)及其倍頻項(xiàng)，分別獲得攜帶被測信號(hào)的兩路正交正弦信號(hào)項(xiàng)S6和S7 ；
[0011]進(jìn)行雙微分交叉相乘處理，以獲得包含待測信號(hào)項(xiàng)和干擾因子項(xiàng)的信號(hào)S8以及包含干擾因子項(xiàng)的信號(hào)S9;
[0012]將信號(hào)S8與信號(hào)S9相除，以消除S8中由于調(diào)制深度的漂移而引起的干擾因子項(xiàng)，獲得與調(diào)制深度C無關(guān)的信號(hào)Sltl ；
[0013]對信號(hào)Sltl進(jìn)行積分，以獲得被測信號(hào)S11 ；
[0014]采用高通濾波，濾除信號(hào)S11中摻雜的噪聲信號(hào)，獲得最終被測信號(hào)S12。
[0015]其中，所述的調(diào)制載波單倍頻信號(hào)S2與干涉信號(hào)S1,由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集得到。
[0016]其中，所述的調(diào)制載波二倍頻信號(hào)S3是在計(jì)算機(jī)中由所述的調(diào)制載波單倍頻信號(hào)S2計(jì)算得到。
[0017]其中，所述的調(diào)制載波二倍頻信號(hào)S3的計(jì)算公式如下所示:
[0018]S3 = 2(S2)2-1o
[0019]其中，用于獲得包含待測信號(hào)項(xiàng)和干擾因子項(xiàng)的S8以及干擾因子項(xiàng)S9的所述雙微分交叉相乘處理步驟依次包括下列步驟:
[0020]步驟41:第一次微分交叉相乘處理，以獲得信號(hào)S411和S412 ；
[0021]步驟42:第二次微分交叉相乘處理，以獲得信號(hào)S421和S422 ；
[0022]步驟43:將/[目號(hào)S411和S412相減，得到/[目號(hào)S8 ；
[0023]步驟44:將/[目號(hào)S421和S422相減，得到/[目號(hào)S44 ；
[0024]步驟45:將信號(hào)S8三次方，得到信號(hào)S45 ；
[0025]步驟46:將信號(hào)S45與信號(hào)S44相除，得到信號(hào)S46 ；
[0026]步驟47:對信號(hào)S46開方，得到信號(hào)S9。
[0027]其中，步驟41中所述的第一次微分交叉相乘步驟獲得信號(hào)S411和S412的計(jì)算公式如下所示:

【權(quán)利要求】
1.一種抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，包括下列步驟: 將調(diào)制載波單倍頻信號(hào)S2與干涉信號(hào)S1相乘，以產(chǎn)生信號(hào)S4,并通過貝塞爾函數(shù)將信號(hào)S4展開； 將調(diào)制載波二倍頻信號(hào)S3與干涉信號(hào)S1相乘，以產(chǎn)生信號(hào)S5,并通過貝塞爾函數(shù)將信號(hào)S5展開； 采用低通濾波，濾除信號(hào)S4和S5中攜帶的高頻載波項(xiàng)及其倍頻項(xiàng)，分別獲得攜帶被測信號(hào)的兩路正交正弦信號(hào)項(xiàng)S6和S7 ； 進(jìn)行雙微分交叉相乘處理，以獲得包含待測信號(hào)項(xiàng)和干擾因子項(xiàng)的信號(hào)S8以及包含干擾因子項(xiàng)的信號(hào)S9; 將信號(hào)S8與信號(hào)S9相除，以消除S8中由于調(diào)制深度的漂移而引起的干擾因子項(xiàng)，獲得與調(diào)制深度C無關(guān)的信號(hào)Sltl; 對信號(hào)Sltl進(jìn)行積分，以獲得被測信號(hào)S11 ； 采用高通濾波，濾除信號(hào)S11中摻雜的噪聲信號(hào)，獲得最終被測信號(hào)s12。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，其中所述的調(diào)制載波單倍頻信號(hào)S2與干涉信號(hào)S1,由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，其中所述的調(diào)制載波二倍頻信號(hào)S3是在計(jì)算機(jī)中由所述的調(diào)制載波單倍頻信號(hào)S2計(jì)算得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，其中所述的調(diào)制載波二倍頻信號(hào)S3的計(jì)算公式如下所示:
S3= 2(s2)2-l。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，其中用于獲得包含待測信號(hào)項(xiàng)和干擾因子項(xiàng)的S8以及干擾因子項(xiàng)S9的所述雙微分交叉相乘處理步驟依次包括下列步驟: 步驟41:第一次微分交叉相乘處理，以獲得信號(hào)S411和S412 ； 步驟42:第二次微分交叉相乘處理，以獲得信號(hào)S421和S422 ； 步驟43:將信號(hào)S411和S412相減，得到信號(hào)S8 ； 步驟44:將信號(hào)S421和S422相減，得到信號(hào)S44 ； 步驟45:將信號(hào)S8三次方，得到信號(hào)S45 ； 步驟46:將信號(hào)S45與信號(hào)S44相除，得到信號(hào)S46 ； 步驟47:對信號(hào)S46開方，得到信號(hào)S9。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，其中步驟41中所述的第一次微分交叉相乘步驟獲得信號(hào)S411和S412的計(jì)算公式如下所示:
其中，G、H載波前的系數(shù)，B是與光強(qiáng)和干涉條紋的可見度有關(guān)的常數(shù)，φ8是傳感器探測的待測信號(hào)，Φο是環(huán)境噪聲和干涉儀的靜態(tài)臂長差等引起的初始相位漂移，C是調(diào)制深度，Jk(C)是C的第k階貝塞爾函數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，其中步驟42中所述的第二次微分交叉相乘步驟獲得信號(hào)S421和S422的計(jì)算公式如下所示:
其中，B是與光強(qiáng)和干涉條紋的可見度有關(guān)的常數(shù)，φ8是傳感器探測的待測信號(hào)，Φο是環(huán)境噪聲和干涉儀的靜態(tài)臂長差等引起的初始相位漂移，C是調(diào)制深度，Jk(C)是c的第k階貝塞爾函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗調(diào)制深度漂移的光纖光柵的解調(diào)方法，其中用于獲得包含待測信號(hào)項(xiàng)和干擾因子項(xiàng)的S8以及干擾因子項(xiàng)S9的所述雙微分交叉相乘處理步驟包括如下的順序不可改變的環(huán)節(jié): 環(huán)節(jié)①，包括步驟41 ； 平行環(huán)節(jié)②和③，可同時(shí)進(jìn)行，無先后順序；環(huán)節(jié)②包括步驟43和步驟45，環(huán)節(jié)③包括步驟42和步驟44 ； 環(huán)節(jié)④:包括步驟46和步驟47。
【文檔編號(hào)】G01D5/26GK104197966SQ201410410714
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】張文濤, 夏浩, 黃穩(wěn)柱, 李芳
申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所