專利名稱：一種無源零差正交解調技術的相位補償方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感技術領域，具體涉及一種無源零差正交解調技術的相位補償方法。
背景技術：
干涉型光纖傳感器按照是否需要主動控制可以分為有源型和無源型。無源型光纖干涉儀由于不需要主動控制，可以達到的測量頻率很高，測量頻率只受電子線路工作頻率的限制，因此廣泛應用到動態信號(如振動、聲)的測量中。
無源零差正交解調技術廣泛應用于干涉型光纖傳感器的相位調制恢復過程，在測量動態信號時具有測量頻率高，相位分辨率高，測量范圍大等特點。該技術的關鍵所在是獲得兩路正交的干涉信號。這兩路干涉信號可以是兩個不同光程的干涉儀產生的干涉信號，如[K.A.Murphy，M.F.Gunther，A.M.Vengsarkar，and R.O.Claus，“Quadrature phase-shifted，extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors”，Optics Letters，1991，16(4)，273-275]；還可以是兩束不同波長的光通過同一光纖干涉儀的干涉信號，如[O.B.Wright，“Stabilizeddual-wavelength fiber-optic interferometer for vibration measurement”，Optics Letter，1991，16，56-58]；也可以利用基于3×3耦合器的干涉儀產生的三路干涉信號(如g1，g2和g3)得到兩路正交的干涉信號，如用g2-g3和g2+g3，如[S.K.Sheem，“Optical fiber interferometers with3×3 directional couplerAnalysis”，Journal of Appllied Physics.，1981，52(6)，3865-3872]或者g2-g3和2g1-g2-g3[R.G.Priest，“Analysis of fiberinterferometer utilizing 3×3 fiber coupler”，IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques，1982，30(10)，1589-1591]。這些方法都可以得到兩路正交的干涉信號。在獲得兩路正交信號后，再利用反正切算法或交叉相乘法，就可以解調出干涉信號中的相位調制。
在無源零差正交解調技術中，要正確地解調出調制信號，就必須要求兩路干涉信號完全正交。但是，在實際應用中，由于加工工藝所限，以及工作環境的影響，兩路干涉信號常常并不完全正交，而是偏離正交狀態一定的相位角，這樣會引起測量誤差，并造成解調出的信號失真。已經有其它研究人員對兩路干涉信號的相位差偏離90°對正交解調產生的影響做了研究，例如Y.L.Lo等人通過測量兩路干涉信號的李薩如圖形與坐標軸的交點位置，來測量兩路干涉信號的相位差偏離90°的相位誤差，并進一步對其進行補償[Y.L.Lo，J.S.Sirkis，andC.C.Chang，“Passive signal processing of in-line fiber etalon sensor forhigh strain-rate loading”，IEEE Journal of Lightwave Technology，15(8)，1578-1586]。但是這種方法需要人工操作，且易受李薩如圖形線寬影響，準確性不高，難以在實際中應用。本發明直接對原始的兩路干涉信號進行處理和計算，獲得的兩路干涉信號偏離90°的相位差，再產生一路補償掉該相位差的新的干涉信號，與其中一路原始信號形成兩路完全正交的兩路干涉信號，最終能正確地解調出調制信號。該方法簡單易行，便于應用，測量精度高。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中的不足，提出一種無源零差正交解調技術的相位補償方法，應用于干涉型光纖傳感器系統中；該方法對兩路原始的干涉信號的正交性要求降低，抗干擾能力強，測量精度高。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
本發明的一種無源零差正交解調技術的相位補償方法，具體實現步驟如下 (1)定義兩路不完全正交的干涉信號I1和I2為I1＝B1+C1cos(α+Δφ)和I2＝B2+C2sinα，其中B1和B2分別是兩路干涉信號的背景光，C1和C2分別是兩路干涉信號的對比度，Δφ為兩路干涉信號偏離正交的相位差，α為需要測量的調制信號。
(2)將上述兩路信號分別經過信號的直流濾除來去除直流分量B1和B2，然后對信號的振幅進行歸一化處理之后，兩路干涉信號表示為I1′＝cos(α+Δφ)和I2′＝sinα。
(3)將步驟(2)得到的不完全正交的這兩路干涉信號相乘可得 上式中等號右邊第一項正弦信號的頻率是干涉信號的頻率的兩倍，是交流信號，第二項中Δφ為常量，所以第二項為直流分量；濾出I1′×I2′中的直流分量得到
的值，再對該直流分量乘以-2計算反正弦函數得到Δφ的值；而與I2′相正交的新生成的干涉信號可以表示為 I1new＝cosα＝[cos(α+Δφ)+sinαsinΔφ]/cosΔφ， 化簡后為 I1new＝[I1′+I2′sinΔφ]/cosΔφ。
最后得到新生成的兩路正交的干涉信號是I1new和I2’。再利用已有的正交信號解調方法(如反正切法，或交叉相乘法等)就可以解調出更加準確地調制信號α。
有益效果 本發明所公開的方法經過實驗的驗證，簡單實用，既不需改變硬件設置又無需人工干預，提高了測量精度，效果顯著。
圖1為未校正前信號數據 其中，a-實際測量獲得的原始兩路不正交干涉信號、b-為這兩路干涉信號的李薩如圖、c-為應用不正交的原始的兩路干涉信號直接解調出的波形圖； 圖2為應用本方法所得出的兩路干涉信號偏移角度連續測量圖； 圖3為應用本方法校正干涉信號后所得到的信號數據； 其中，a-應用本方法校正后的新生成的兩路正交的干涉信號，b-為新生成的兩路正交的干涉信號的李薩如圖，c-為新生成的兩路正交的干涉信號解調出的波形圖； 圖4應用本方法前后解調出的信號峰峰值隨相位差偏移的關系 其中，a-原始的兩路干涉信號解調出的信號的峰峰值隨相位差偏移的關系，b-應用本方法后解調出的信號峰峰值隨相位差偏移的關系。
具體實施例方式 下面將結合附圖和實施例對本發明做詳細說明。
將輸入的兩路不完全正交的干涉信號I1和I2表示為 I1＝B1+C1cos(α+Δφ)(1) I2＝B2+C2sinα (2) 其中B1和B2分別是兩路干涉信號的背景光，C1和C2分別是兩路干涉信號的對比度，Δφ為兩路干涉信號偏離正交的相位差，α為需要測量的調制信號。經過去直流和歸一化處理后，原始的干涉信號表示為 I1′＝cos(α+Δφ) (3) I2′＝sinα (4) 將這兩路干涉信號相乘，利用積化和差公式可得 式(5)中等號右邊第一項正弦信號的頻率是干涉信號頻率的兩倍，是交流信號，第二項中Δφ為常量，所以第二項為直流分量，濾出直流分量就可以得到
的值，再將該直流分量乘以-2，計算反正弦函數就可以得到Δφ的值；而與I2相正交的新生成的的干涉信號I1new即 I1new＝cosα (6) 由三角函數關系cos(α+Δφ)＝cosαcosΔφ-sinαsinΔφ有 I1new＝cosα＝[cos(α+Δφ)+sinαsinΔφ]/cosΔφ (7) 化簡得 I1new＝[I1′+I2′sinΔφ]/cosΔφ (8) 得到新生成的兩路正交的干涉信號I1new和I2’。再利用已有的正交信號解調方法就可以解調出調制信號α。
下面是該方法的實用例子 圖1(a)中為實際測量獲得的原始兩路不正交干涉信號；圖1((b)為這兩路干涉信號的李薩如圖，從李薩如圖中可以很明顯地看出原始的兩路干涉信號并不正交，并且相位差偏離90°較大；圖1(c)為應用不正交的原始的兩路干涉信號直接解調出的波形，解調出的信號已經失真。可見原始的兩路干涉信號是否正交對解調所得到信號的質量影響很大。
接下來用本發明的方法處理原始的干涉信號。首先應用本發明的方法來測量兩路干涉信號偏離90°的相位差，圖2是連續測量的結果，從圖中可以看出偏離正交的相位差約為52°。利用得到的這個相位差將原始的兩路不正交的干涉信號轉換為新的兩路正交的干涉信號，如圖3(a)所示。圖3(b)為新產生的兩路正交的干涉信號的李薩如圖，可以看出，這是一個正圓，表明這兩路新生成的干涉信號的相位差為90°。用新生成的兩路正交的干涉信號進行正交解調，得到的解調后的信號為圖3(c)，與原來的解調結果圖1(c)相比較，可以看出，應用本發明來解調出的信號沒有失真。
另外，利用計算機模擬了當調制信號的峰峰值為8弧度時，兩路干涉信號偏離正交的角度對解調出來的信號的影響。圖4(a)是應用原始的兩路干涉信號解調后的峰峰值隨相位差偏移的關系，隨著兩路干涉信號偏離正交角度的增大，解調出來信號的峰峰值與輸入信號峰峰值的差距也在增大。用本發明所述方法處理后，雖然兩路干涉信號偏離正交的角度在改變，但解調信號的峰峰值仍然穩定在8弧度周圍，最大誤差為0.006弧度，誤差極小，如圖4(b)所示。
本發明所公開的方法經過實驗的驗證，簡單實用，既不需改變硬件設置又無需人工干預，提高了測量精度，效果顯著。
權利要求
1.一種無源零差正交解調技術的相位補償方法，其特征在于具體實現步驟如下
步驟(1)定義兩路不完全正交的干涉信號I1和I2為I1＝B1+C1cos(α+Δφ)和I2＝B2+C2sinα，其中B1和B2分別是兩路干涉信號的背景光，C1和C2分別是兩路干涉信號的對比度，Δφ為兩路干涉信號偏離正交的相位差，α為需要測量的調制信號；
步驟(2)將上述兩路信號分別經過信號的直流濾除來去除直流分量B1和B2，然后對信號的振幅進行歸一化處理之后，兩路干涉信號表示為I1′＝cos(α+Δφ)和I2′＝sinα；
步驟(3)將步驟(2)得到的不完全正交的這兩路干涉信號相乘可得
上式中等號右邊第一項正弦信號的頻率是干涉信號的頻率的兩倍，是交流信號，第二項中Δφ為常量，所以第二項為直流分量；濾出I1′×I2′中的直流分量得到
的值，再對該直流分量乘以-2計算反正弦函數得到Δφ的值；而與I2′相正交的新生成的干涉信號表示為I1new＝cosα＝[cos(α+Δφ)+sinαsinΔφ]/cosΔφ，化簡后為I1new＝[I1′+I2′sinΔφ]/cosΔφ；最后得到新生成的兩路正交的干涉信號是I1new和I2’；再利用已有的正交信號解調方法，就可以解調出更加準確地調制信號α。
全文摘要
本發明涉及光纖傳感技術領域，具體涉及一種無源零差正交解調的相位補償方法。該方法先將這兩路干涉信號通過去除直流信號、歸一化處理后，再相乘、低通濾波得到直流信號，對獲得的直流信號進行反正弦函數運算，從而獲得兩路干涉信號偏離正交的角度；利用此偏離角度得到兩路正交的干涉信號，再利用正交信號的相位解調技術，就可以解調出調制信號。本發明直接對兩路原始的干涉信號進行處理和計算，能夠有效地避免兩路干涉信號由于偏離正交所造成的調制信號的失真。
文檔編號G01H9/00GK101713685SQ200910224060
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月3日 優先權日2009年12月3日
發明者江毅, 郭桂榕 申請人:北京理工大學