[发明专利]一种具有高精度的光学信号相位解调系统及解调方法

说明书

技术领域

本发明属于光学(纤)干涉仪测量领域，尤其涉及一种具有高精度的光学信号相位解调 系统及解调方法。

背景技术

光纤传感器在振动信号探测方面具有灵敏度高，动态范围大，布设方便等优点，其中， 相位型光纤传感器广泛应用于水声信号监测，地震信号记录等领域内。相位型光纤传感器的 工作原理即通过测量应力，应变，位移以及加速度等物理量所引起的光路中的相位变化来标 定对应的物理量，如何准确测得相位信息成为了传感器的关键所在。1982年美国海军实验室 KIRKENDALLCK，DANDRIDGEA.等人提出了一种相位生成载波(PGC)的方法计算干涉 光路的相位变化，该方法实现简单，计算精度高，广泛应用于干涉型光纤传感器中，但是又 有着严重的问题。传统的PGC算法受环境影响很大，包括光源的抖动，调制器状态的漂移等 问题。在此基础上，人们致力于如何抑制外界的环境噪声，保证获取更为精准的测量信号。

清华大学在如何抑制噪声这方面做了很多研究，施清平发表的“一种消除伴生调幅的光 源调频型相位生成载波解调方法”提出了利用3×3耦合器构造辅助光路的办法，引入额外的 参考信号消除掉伴生调幅影响；张敏等人提出了一种去相关的方法(CN201110191719.4)，通 过在PGC系统中引入一个3×2耦合器，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；美国DavidB.Hall,LaCrescenta,Calif等人提出了一种多路归一化的方法 (US006134015A)，通过同时测量6路相同的干涉仪数据，然后将数据做归一化处理得到更好 的噪声结果。以上几种方法核心思想是利用多路信号之间的相关性，将不相关的噪声进行剔 除，从而获得更好的输出结果，但是在构造相关信号方面都增加了光信号路数，无疑会带来 额外的环境影响因素；

另外美国的AntonioL.Deus，GeraldL.Assard等人提出一种改进型交叉微分相乘方法 (US6580314B1)，该方法不必额外增加光路结构，利用一路传感信号中的基频分量，倍频分 量开方结果引入求解过程，消除部分噪声，但是这种方法容易受伴生调幅影响，当基频分量， 倍频分量波动很大时，系统输出质量会下降；哈尔滨工程大学杨军等人也同时提出一种利用 椭圆拟合矫正的方法(CN201510293443.9)以及一种增大动态范围、增强稳定性的光学干涉相位 解调方法(201510293443.3)，来修正光源伴生调幅影响。以上这两种方法都在光路结构上同时引 入了3×3耦合器，利用另外一路或多路输出作为辅助计算信号，进行相关运算，抑制噪声。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够进行独立的不相关解调的，一种具有高精度的光学信号相 位解调系统。本发明的目的还包括提供一种能够增强稳定性和精度的，一种具有高精度的光 学信号相位解调方法。

一种具有高精度的光学信号相位解调系统，包括前端采集模块、多路锁相模块和数据解调 模块，

前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，调相波子模块输出N路信号，包括 基频信号cos(ω₀t)、倍频信号cos(2ω₀t)……N阶频信号cos(Nω₀t)，数据采集子模块采集并输 出PGC干涉信号；

多路锁相模块包括N个乘法器和N个滤波器，PGC干涉信号分别与调相波子模块输出的 N路信号中的一路信号经过一个乘法器后传入一个滤波器中，得到N路信号的谐波成分；

数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加子模块和降采样平滑滤波子 模块，N路信号的谐波成分分别经过一个希尔伯特变换子模块后传入一个相位累加子模块， N个相位累加子模块将输出信号传送给降采样平滑滤波子模块，得到最终相位进行输出。

一种具有高精度的光学信号相位解调方法，包括前端采集模块、多路锁相模块和数据解 调模块，前端采集模块包括数据采集子模块和调相波子模块，多路锁相模块包括N个乘法器 和N个滤波器，数据解调模块包括N个希尔伯特变换子模块、N个相位累加子模块和降采样 平滑滤波子模块；

a、调相波子模块生成输出N路信号，包括基频信号cos(ω₀t)、倍频信号cos(2ω₀t)……N阶 频信号cos(Nω₀t)，数据采集子模块采集并输出PGC干涉信号：