一種抑制光強波動噪聲的相位解調裝置及解調方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學(纖)干設儀測量領域，尤其設及一種抑制光強波動噪聲的相位解 調裝置及解調方法。
【背景技術】
[0002] 光纖干設型傳感器在所有光纖傳感器類型中具有最高的靈敏度，動態范圍，其基 本原理是利用干設儀中相位變化來測量其他物理量比如溫度，應力，位移，加速度等。美國 海軍實驗室在1982年提出的相位生成載波(PGC)算法是干設型光纖傳感器相位解調中最經 典的算法之一，PGC算法可W直接通過調制光源實現，保證了傳感器結構緊湊，體積小的特 點。
[0003] 傳統的PGC解調算法過程是對干設信號進行混頻、濾波等操作，通過鎖相放大的原 理獲得被測信號的高階頻分量，然后通過對不同高階頻分量的計算求解出相位變化量。運 種方法的缺點是在解調過程中系統容易受到調制深度C變化W及光強B波動影響，運會導致 解調噪聲的增加。
[0004] 基于傳統的PGC算法原理，國內外有很多研究單位設計并制作了相關測量儀器與 測量設備;2009年中國船舶重工集團屯一五研究所的謝勇等人提出一種便攜式多工能光纖 水聽器信號解調方法(CN 200910100835.3)，該方法實現于一套FPGA處理器內，使用FPGA完 成對干設的信號調制，采集，并在FPGA處理器內完成相位解調;該裝置保證了算法執行實時 性，低成本，但并沒有解決傳統PGC算法容易受到調制深度C變化W及光強B波動影響等問 題，所W在解調精度W及相位分辨率方面存在一定的問題；同年，謝勇等人提出一種大規模 光纖水聽器陣列PGC復解調方法(CN 200910100600)，本套裝置與上一套裝置區別在于支持 多路解調，但是沒有從本質上解決穩定性與輸出噪聲問題。
[0005] 對于如何降低輸出噪聲清華大學張敏等人提出了一種去相關的方法 (CN201110191719.4)，通過在PGC光路中引入一個3X2禪合器，利用另外兩路參考信號之間 存在固定相位差的特點實現消除同源噪聲。但是運種方法需要在光路上額外增加一個3X2 禪合器，同時也要額外采集2路參考信號，解調裝置同時也要完成對運2路參考信號的計算， 即硬件的開銷要增加3倍W上。另一個對水聽器研究比較深入的機構是國防科技大學，梁迅 博±在學位論文中深入討論過PGC解調算法中光強B值波動與調制深度C的變化會引入噪聲 的大小，他提出了水聽器陣列中利用多路信號求相關的方法抑制噪聲值，同樣的，運么做無 疑會帶來更大的硬件開銷。W上運兩種方法都是利用解調光路的空間相關性，解調信號的 時間相關性來抑制噪聲，優點是可W去除光源在每一路引起的共模噪聲，缺點是會增加額 外的參考光路與參考光路對應的解調硬件。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的是提供一種能夠提高系統長期穩定性、應用范圍廣的，抑制光強波 動噪聲的相位解調裝置。本發明的目的還包括提供一種能夠有效抑制光強波動引起的解調 噪聲的，抑制光強波動噪聲的相位解調方法。
[0007] -種抑制光強波動噪聲的相位解調裝置，包括光纖干設儀2和數字解調裝置3，
[000引光纖干設儀2包括光源模塊20、干設儀21和探測及控制模塊22,干設儀包括環形器 211、2 X 2禪合器212、光纖環213、第一法拉第旋鏡214、第二法拉第旋鏡215和壓電陶瓷216， 探測及控制模塊22包括差分探測器221、光源調制器222、計算機224和壓電陶瓷驅動器225，
[0009] 數字解調裝置3發送信號經過光源調制器222進行頻率調制，數字解調裝置3同時 通過壓電陶瓷驅動器225加載測試信號至壓電陶瓷216上，光源模塊20發送光通過環形器 211后，從2X2禪合器212的一臂注入，分成兩路，一路光經過光纖環213W及第一法拉第旋 鏡214反射至2 X 2禪合器212中，另一路光經過壓電陶瓷216 W及第二法拉第旋鏡215反射至 2 X 2禪合器212中，2 X 2禪合器212輸出兩路光，一路光經過環形器211輸入到差分探測器 221中，另一路光直接輸入到分探測器221中，差分探測器221輸出干設信號給數字解調裝置 3，數字解調裝置3還與計算機224連接。
[0010] 本發明一種抑制光強波動噪聲的相位解調裝置，還可W包括：
[0011] 1、數字解調裝置3包括FPGA處理系統30和DSP處理系統31，
[0012] FPGA處理系統30包括模數轉換器303、可編程放大器304、FPGA處理器305、電源 306、電源監測307,可編程放大器304接收差分探測器221輸出的信號，經過模數轉換器303 輸出PGC干設信號至FPGA處理器305，FPGA處理器305連接有第一數模轉換器301、第二數模 轉換器302、程序存儲309和時鐘忍片310,第一數模轉換器301與壓電陶瓷驅動器225連接， 第二數模轉換器302輸出調相波信號給光源調制器222,電源306通過電源監測307與FPGA處 理器305連接；
[0013] DSP處理系統31包括數據緩存311、DSP處理器312、網線接口 313、第一數據總線315 和第二數據總線316，DSP處理器312通過第一數據總線315和FPGA處理器305連接，DSP處理 器312通過第二數據總線316連接數據緩存311，DSP處理器312通過網線接口 313連接計算機 224。
[0014] 2、FPGA處理器305包含鎖相模塊11、基頻信號102、倍頻信號104,鎖相模塊11包括 第一乘法器111、第二乘法器112、第一濾波器113、第二濾波器114、第一微分器115與第二微 分器116，DSP處理器312包括數據解調模塊12、相位累加子模塊131和降采樣輸出子模塊 132,數據解調模塊12包括第Ξ乘法器121、第四乘法器122、第二除法器123、絕對值子模塊 124、開方子模塊125和積分相位子模塊126，
[0015] 基頻信號102、倍頻信號104和PGC干設信號同時傳送給第一乘法器111與第二乘法 器112,輸出兩路信號分別經過第一濾波器113與第二濾波器114,繼續輸出兩路信號分別通 過第一微分器115與第二微分器116;第一濾波器113與第二濾波器114的輸出信號通過第一 數據總線315傳送給DSP處理器312的第Ξ乘法器121，第一微分器115與第二微分器116的輸 出信號通過第一數據總線315傳送給DSP處理器312的第四乘法器122,輸出結果輸入到第二 除法器123，第二除法器123輸出至絕對值子模塊124之后連接開方子模塊125，最后連接積 分相位子模塊126,積分相位子模塊126連接至相位累加子模塊131，之后連接降采樣輸出子 模塊132。
[0016] -種抑制光強波動噪聲的相位解調方法，包括W下步驟，
[0017] 步驟一:第二數模轉換器輸出調相波信號COSO化，在差分探測器得到PGC干設信 號為：
[0018] P 二J + 度'co's[.Ccos 巧/ + (。、（/)J
[0019] 其中，A為光強直流分量，B為光強交流分量，C為調相波信號SI幅度，ω〇為調相波信 號S1頻率，<Λ W為被測相位值；
[0020] 步驟二:使用基頻信號、倍頻信號與PGC干設信號進行乘法操作，然后進行濾波，得 到兩路信號：
[0023] 其中，Β為光強交流分量，G與Η為調相波信號幅度，Ji(C)與J2(C)為貝塞爾函數系 數；
[0024] 步驟Ξ:對經過濾波后的信號進行微分操作，得到：
[0027]步驟四：將步驟Ξ得到的兩個信號送入一個乘法器，將步驟二得到的兩個信號送 入另一個乘法器，將兩個乘法器的輸出信號送入除法器，得到消除光強波動BW及調制深度 C影響的信號：
[002引
[0029] 步驟五:對上一步得到的信號取絕對值，得到全正信號量，進行開方運算后求得被 測相位的微分值
[0030]
[0031 ]進一步得到該時刻的相位值：
[0032]
[0033] 有益效果：
[0034] 1)在不改變原有光路結構的情況下，有效的抑制光強波動對解調精度及噪聲的影 響。
[0035] 2)提高系統實時性，算法結合硬件設計，保證系統能工作在高速時鐘狀態下且保 持數據鏈路穩定可靠。
[0036] 3)適用范圍廣，任意光學干設儀都可使用該算法進行解調，如馬赫澤德或邁克爾 遜干設儀等，即可W使用計算機配合采集卡，也可W采用特制硬件完成算法的實現。
[0037] 本裝置在兼顧抑制解調噪聲，保證系統處理速度W及不增加額外光路結構的基礎 上，基于傳統PGC算法進行優化。通過對干設信號正弦分量余弦分量進行微分交叉相除，構 造特征等式，使兩項的系數分別為除法的分子與分母，從而保證最終輸出結果與光強波動 w及調制深度無關，減小了因光強抖動導致的解調噪聲w及調制深度波動引起的系統狀態 漂移;本方法集成于FPGA與DSP數字處理器內，該算法結合FPGA并行處理特點，將數據前端 高速處理部分放入FPGA內執行，保證信號處理的實時性與數據量的豐富性，將改進的解調 算法放入DSP數字處理忍片內執行，并對數據進行緩存轉發處理，保證