一种抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法
【专利摘要】本发明公开了一种抗调制深度漂移的光纤光栅解调方法，包括：将调制载波单倍频信号与干涉信号相乘，产生信号S4；将调制载波二倍频信号与干涉信号相乘，产生信号S5；低通滤波，用于滤除信号S4和S5中携带的高频载波项及倍频项，分别获得携带被测信号的两路正交正弦信号项S6和S7；双微分交叉相乘处理步骤，用于获得包含待测信号项和干扰因子项的S8以及干扰因子项S9；信号S8与信号S9相除，获得与调制深度C无关的信号S10；对信号S10进行积分，获得被测信号S11；高通滤波，滤除信号S11中掺杂的噪声信号，获得最终被测信号S12。本发明的方法消除了传统方法解调结果中受环境变化的参数项，抑制了调制深度对解调结果产生的影响，取得令人满意的解调结果。
【专利说明】一种抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感【技术领域】，更具体地，涉及一种抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法。
【背景技术】
[0002]随着光电技术及光信息通信技术的迅速发展，光纤传感技术受到人们广泛的关注，其发展速度之迅疾、涉及领域的日益广泛也备受瞩目。光纤传感器作为近二十年发展最迅速的产业之一，因为其抗电磁干扰、探头小、灵敏度高及易组网复用的特点广泛应用于军工、国防、海洋、桥梁等各个领域。而随着光纤传感器灵敏度越来越高，其对解调方法的要求也随之提高。
[0003]原始的解调方法是利用光谱仪直接测量波长的变化，但这种方法分辨率很低，在精度较高的检测中难以满足要求，所以逐渐被传统的解调方法所替代，如边缘滤波法、F-P滤波器法、匹配光栅滤波法、体全息无栅法等。这些传统解调方法的提出，使得解调方法在性能指标上有了很大的提高，但仍然不能满足高精度测量的要求。随着光纤传感的迅速发展，波长干涉式的解调方法脱颖而出，如有源零差法、外插法、基于3X 3耦合器法和相位生成载波法，这些干涉式的解调方法在分辨率、线性度和动态范围上相比于传统的解调方法又有了很大的提高。其中相位生成载波方法除了运算复杂之外，在性价比上都占有绝对优势。而随着目前数字电路以及计算机的高速发展，这已经不再是制约相位生成载波方法发展的因素，因此相位生成载波(PGC)法在传感解调领域应用越来越广泛，目前是应用最为广泛的光纤光栅解调方法，而且各种新型PGC法也应运而生。
[0004]经典的PGC法是由美国海军实验室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),这种方法的提出大大提高了解调系统的分辨率，使传感领域在解调方向上有了一次大的飞跃。但这种方法所解调的结果容易受光强扰动及调制深度漂移的影响，针对光强扰动的影响在1994年，美国海军实验室T.R.Christian等提出了基于反正切的PGC法，即PGC-Arctan方法，基本消除了光强扰动对解调系统的影响(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)，但这种方法又会由于调制深度的扰动造成较大的谐波失真。而调制深度深受环境噪声等方面的影响，尤其在复杂的工作环境下，它的扰动会给解调结果以及系统的性能参数带来严重的影响。
[0005]传统的PGC-DCM法中，通过标定C值的一阶贝塞尔(Bessel)函数和二阶贝塞尔函数的乘积，推算出最终的解调结果，还原出待测信号，当C值产生漂移时，解调结果中与调制深度有关的系数项偏离标定值，解调结果出现偏差。鉴于此，本发明提出了一种抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，通过约去传统解调方法中与调制深度C值有关的系数项，消除C值的漂移对系统产生的影响，从而提高系统的性能指标。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，以提高光纤传感解调系统的稳定性，并重点解决传统PGC方法中解调结果由于调制深度的漂移产生的失真问题。
[0007]本发明提供了一种抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，包括下列步骤:
[0008]将调制载波单倍频信号S2与干涉信号S1相乘，以产生信号S4,并通过贝塞尔函数将信号S4展开；
[0009]将调制载波二倍频信号S3与干涉信号S1相乘，以产生信号S5,并通过贝塞尔函数将信号S5展开；
[0010]采用低通滤波，滤除信号S4和S5中携带的高频载波项及其倍频项，分别获得携带被测信号的两路正交正弦信号项S6和S7 ；
[0011]进行双微分交叉相乘处理，以获得包含待测信号项和干扰因子项的信号S8以及包含干扰因子项的信号S9;
[0012]将信号S8与信号S9相除，以消除S8中由于调制深度的漂移而引起的干扰因子项，获得与调制深度C无关的信号Sltl ；
[0013]对信号Sltl进行积分，以获得被测信号S11 ；
[0014]采用高通滤波，滤除信号S11中掺杂的噪声信号，获得最终被测信号S12。
[0015]其中，所述的调制载波单倍频信号S2与干涉信号S1,由模数转换器采集得到。
[0016]其中，所述的调制载波二倍频信号S3是在计算机中由所述的调制载波单倍频信号S2计算得到。
[0017]其中，所述的调制载波二倍频信号S3的计算公式如下所示:
[0018]S3 = 2(S2)2-1o
[0019]其中，用于获得包含待测信号项和干扰因子项的S8以及干扰因子项S9的所述双微分交叉相乘处理步骤依次包括下列步骤:
[0020]步骤41:第一次微分交叉相乘处理，以获得信号S411和S412 ；
[0021]步骤42:第二次微分交叉相乘处理，以获得信号S421和S422 ；
[0022]步骤43:将/[目号S411和S412相减，得到/[目号S8 ；
[0023]步骤44:将/[目号S421和S422相减，得到/[目号S44 ；
[0024]步骤45:将信号S8三次方，得到信号S45 ；
[0025]步骤46:将信号S45与信号S44相除，得到信号S46 ；
[0026]步骤47:对信号S46开方，得到信号S9。
[0027]其中，步骤41中所述的第一次微分交叉相乘步骤获得信号S411和S412的计算公式如下所示:
【权利要求】
1.一种抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，包括下列步骤: 将调制载波单倍频信号S2与干涉信号S1相乘，以产生信号S4,并通过贝塞尔函数将信号S4展开； 将调制载波二倍频信号S3与干涉信号S1相乘，以产生信号S5,并通过贝塞尔函数将信号S5展开； 采用低通滤波，滤除信号S4和S5中携带的高频载波项及其倍频项，分别获得携带被测信号的两路正交正弦信号项S6和S7 ； 进行双微分交叉相乘处理，以获得包含待测信号项和干扰因子项的信号S8以及包含干扰因子项的信号S9; 将信号S8与信号S9相除，以消除S8中由于调制深度的漂移而引起的干扰因子项，获得与调制深度C无关的信号Sltl; 对信号Sltl进行积分，以获得被测信号S11 ； 采用高通滤波，滤除信号S11中掺杂的噪声信号，获得最终被测信号s12。
2.根据权利要求1所述的抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，其中所述的调制载波单倍频信号S2与干涉信号S1,由模数转换器采集得到。
3.根据权利要求1所述的抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，其中所述的调制载波二倍频信号S3是在计算机中由所述的调制载波单倍频信号S2计算得到。
4.根据权利要求3所述的抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，其中所述的调制载波二倍频信号S3的计算公式如下所示:
S3= 2(s2)2-l。
5.根据权利要求1所述的抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，其中用于获得包含待测信号项和干扰因子项的S8以及干扰因子项S9的所述双微分交叉相乘处理步骤依次包括下列步骤: 步骤41:第一次微分交叉相乘处理，以获得信号S411和S412 ； 步骤42:第二次微分交叉相乘处理，以获得信号S421和S422 ； 步骤43:将信号S411和S412相减，得到信号S8 ； 步骤44:将信号S421和S422相减，得到信号S44 ； 步骤45:将信号S8三次方，得到信号S45 ； 步骤46:将信号S45与信号S44相除，得到信号S46 ； 步骤47:对信号S46开方，得到信号S9。
6.根据权利要求5所述的抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，其中步骤41中所述的第一次微分交叉相乘步骤获得信号S411和S412的计算公式如下所示:
其中，G、H载波前的系数，B是与光强和干涉条纹的可见度有关的常数，φ8是传感器探测的待测信号，Φο是环境噪声和干涉仪的静态臂长差等引起的初始相位漂移，C是调制深度，Jk(C)是C的第k阶贝塞尔函数。
7.根据权利要求5所述的抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，其中步骤42中所述的第二次微分交叉相乘步骤获得信号S421和S422的计算公式如下所示:
其中，B是与光强和干涉条纹的可见度有关的常数，φ8是传感器探测的待测信号，Φο是环境噪声和干涉仪的静态臂长差等引起的初始相位漂移，C是调制深度，Jk(C)是c的第k阶贝塞尔函数。
8.根据权利要求1所述的抗调制深度漂移的光纤光栅的解调方法，其中用于获得包含待测信号项和干扰因子项的S8以及干扰因子项S9的所述双微分交叉相乘处理步骤包括如下的顺序不可改变的环节: 环节①，包括步骤41 ； 平行环节②和③，可同时进行，无先后顺序；环节②包括步骤43和步骤45，环节③包括步骤42和步骤44 ； 环节④:包括步骤46和步骤47。
【文档编号】G01D5/26GK104197966SQ201410410714
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】张文涛, 夏浩, 黄稳柱, 李芳
申请人:中国科学院半导体研究所