一种抑制光强波动噪声的相位解调装置及解调方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学(纤)干设仪测量领域，尤其设及一种抑制光强波动噪声的相位解 调装置及解调方法。
【背景技术】
[0002] 光纤干设型传感器在所有光纤传感器类型中具有最高的灵敏度，动态范围，其基 本原理是利用干设仪中相位变化来测量其他物理量比如溫度，应力，位移，加速度等。美国 海军实验室在1982年提出的相位生成载波(PGC)算法是干设型光纤传感器相位解调中最经 典的算法之一，PGC算法可W直接通过调制光源实现，保证了传感器结构紧凑，体积小的特 点。
[0003] 传统的PGC解调算法过程是对干设信号进行混频、滤波等操作，通过锁相放大的原 理获得被测信号的高阶频分量，然后通过对不同高阶频分量的计算求解出相位变化量。运 种方法的缺点是在解调过程中系统容易受到调制深度C变化W及光强B波动影响，运会导致 解调噪声的增加。
[0004] 基于传统的PGC算法原理，国内外有很多研究单位设计并制作了相关测量仪器与 测量设备;2009年中国船舶重工集团屯一五研究所的谢勇等人提出一种便携式多工能光纤 水听器信号解调方法(CN 200910100835.3)，该方法实现于一套FPGA处理器内，使用FPGA完 成对干设的信号调制，采集，并在FPGA处理器内完成相位解调;该装置保证了算法执行实时 性，低成本，但并没有解决传统PGC算法容易受到调制深度C变化W及光强B波动影响等问 题，所W在解调精度W及相位分辨率方面存在一定的问题；同年，谢勇等人提出一种大规模 光纤水听器阵列PGC复解调方法(CN 200910100600)，本套装置与上一套装置区别在于支持 多路解调，但是没有从本质上解决稳定性与输出噪声问题。
[0005] 对于如何降低输出噪声清华大学张敏等人提出了一种去相关的方法 (CN201110191719.4)，通过在PGC光路中引入一个3X2禪合器，利用另外两路参考信号之间 存在固定相位差的特点实现消除同源噪声。但是运种方法需要在光路上额外增加一个3X2 禪合器，同时也要额外采集2路参考信号，解调装置同时也要完成对运2路参考信号的计算， 即硬件的开销要增加3倍W上。另一个对水听器研究比较深入的机构是国防科技大学，梁迅 博±在学位论文中深入讨论过PGC解调算法中光强B值波动与调制深度C的变化会引入噪声 的大小，他提出了水听器阵列中利用多路信号求相关的方法抑制噪声值，同样的，运么做无 疑会带来更大的硬件开销。W上运两种方法都是利用解调光路的空间相关性，解调信号的 时间相关性来抑制噪声，优点是可W去除光源在每一路引起的共模噪声，缺点是会增加额 外的参考光路与参考光路对应的解调硬件。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种能够提高系统长期稳定性、应用范围广的，抑制光强波 动噪声的相位解调装置。本发明的目的还包括提供一种能够有效抑制光强波动引起的解调 噪声的，抑制光强波动噪声的相位解调方法。
[0007] -种抑制光强波动噪声的相位解调装置，包括光纤干设仪2和数字解调装置3，
[000引光纤干设仪2包括光源模块20、干设仪21和探测及控制模块22,干设仪包括环形器 211、2 X 2禪合器212、光纤环213、第一法拉第旋镜214、第二法拉第旋镜215和压电陶瓷216， 探测及控制模块22包括差分探测器221、光源调制器222、计算机224和压电陶瓷驱动器225，
[0009] 数字解调装置3发送信号经过光源调制器222进行频率调制，数字解调装置3同时 通过压电陶瓷驱动器225加载测试信号至压电陶瓷216上，光源模块20发送光通过环形器 211后，从2X2禪合器212的一臂注入，分成两路，一路光经过光纤环213W及第一法拉第旋 镜214反射至2 X 2禪合器212中，另一路光经过压电陶瓷216 W及第二法拉第旋镜215反射至 2 X 2禪合器212中，2 X 2禪合器212输出两路光，一路光经过环形器211输入到差分探测器 221中，另一路光直接输入到分探测器221中，差分探测器221输出干设信号给数字解调装置 3，数字解调装置3还与计算机224连接。
[0010] 本发明一种抑制光强波动噪声的相位解调装置，还可W包括：
[0011] 1、数字解调装置3包括FPGA处理系统30和DSP处理系统31，
[0012] FPGA处理系统30包括模数转换器303、可编程放大器304、FPGA处理器305、电源 306、电源监测307,可编程放大器304接收差分探测器221输出的信号，经过模数转换器303 输出PGC干设信号至FPGA处理器305，FPGA处理器305连接有第一数模转换器301、第二数模 转换器302、程序存储309和时钟忍片310,第一数模转换器301与压电陶瓷驱动器225连接， 第二数模转换器302输出调相波信号给光源调制器222,电源306通过电源监测307与FPGA处 理器305连接；
[0013] DSP处理系统31包括数据缓存311、DSP处理器312、网线接口 313、第一数据总线315 和第二数据总线316，DSP处理器312通过第一数据总线315和FPGA处理器305连接，DSP处理 器312通过第二数据总线316连接数据缓存311，DSP处理器312通过网线接口 313连接计算机 224。
[0014] 2、FPGA处理器305包含锁相模块11、基频信号102、倍频信号104,锁相模块11包括 第一乘法器111、第二乘法器112、第一滤波器113、第二滤波器114、第一微分器115与第二微 分器116，DSP处理器312包括数据解调模块12、相位累加子模块131和降采样输出子模块 132,数据解调模块12包括第Ξ乘法器121、第四乘法器122、第二除法器123、绝对值子模块 124、开方子模块125和积分相位子模块126，
[0015] 基频信号102、倍频信号104和PGC干设信号同时传送给第一乘法器111与第二乘法 器112,输出两路信号分别经过第一滤波器113与第二滤波器114,继续输出两路信号分别通 过第一微分器115与第二微分器116;第一滤波器113与第二滤波器114的输出信号通过第一 数据总线315传送给DSP处理器312的第Ξ乘法器121，第一微分器115与第二微分器116的输 出信号通过第一数据总线315传送给DSP处理器312的第四乘法器122,输出结果输入到第二 除法器123，第二除法器123输出至绝对值子模块124之后连接开方子模块125，最后连接积 分相位子模块126,积分相位子模块126连接至相位累加子模块131，之后连接降采样输出子 模块132。
[0016] -种抑制光强波动噪声的相位解调方法，包括W下步骤，
[0017] 步骤一:第二数模转换器输出调相波信号COSO化，在差分探测器得到PGC干设信 号为：
[0018] P 二J + 度'co's[.Ccos 巧/ + (。、（/)J
[0019] 其中，A为光强直流分量，B为光强交流分量，C为调相波信号SI幅度，ω〇为调相波信 号S1频率，<Λ W为被测相位值；
[0020] 步骤二:使用基频信号、倍频信号与PGC干设信号进行乘法操作，然后进行滤波，得 到两路信号：
[0023] 其中，Β为光强交流分量，G与Η为调相波信号幅度，Ji(C)与J2(C)为贝塞尔函数系 数；
[0024] 步骤Ξ:对经过滤波后的信号进行微分操作，得到：
[0027]步骤四：将步骤Ξ得到的两个信号送入一个乘法器，将步骤二得到的两个信号送 入另一个乘法器，将两个乘法器的输出信号送入除法器，得到消除光强波动BW及调制深度 C影响的信号：
[002引
[0029] 步骤五:对上一步得到的信号取绝对值，得到全正信号量，进行开方运算后求得被 测相位的微分值
[0030]
[0031 ]进一步得到该时刻的相位值：
[0032]
[0033] 有益效果：
[0034] 1)在不改变原有光路结构的情况下，有效的抑制光强波动对解调精度及噪声的影 响。
[0035] 2)提高系统实时性，算法结合硬件设计，保证系统能工作在高速时钟状态下且保 持数据链路稳定可靠。
[0036] 3)适用范围广，任意光学干设仪都可使用该算法进行解调，如马赫泽德或迈克尔 逊干设仪等，即可W使用计算机配合采集卡，也可W采用特制硬件完成算法的实现。
[0037] 本装置在兼顾抑制解调噪声，保证系统处理速度W及不增加额外光路结构的基础 上，基于传统PGC算法进行优化。通过对干设信号正弦分量余弦分量进行微分交叉相除，构 造特征等式，使两项的系数分别为除法的分子与分母，从而保证最终输出结果与光强波动 w及调制深度无关，减小了因光强抖动导致的解调噪声w及调制深度波动引起的系统状态 漂移;本方法集成于FPGA与DSP数字处理器内，该算法结合FPGA并行处理特点，将数据前端 高速处理部分放入FPGA内执行，保证信号处理的实时性与数据量的丰富性，将改进的解调 算法放入DSP数字处理忍片内执行，并对数据进行缓存转发处理，保证