[发明专利]相位生成载波反正切中载波相位延迟和伴生调幅消除方法

说明书

相位生成载波反正切中载波相位延迟和伴生调幅消除方法属于光纤干涉测量技术领域；本发明利用提取干涉信号中的正交分量，粗略地计算和补偿载波相位延迟，完成载波相位延迟的预补偿。在预补偿后，获取残余非线性误差的参数，进而实现对载波相位解调反正切算法中载波相位延迟和伴随光强调制影响的消除。该方法能够有效地同时解决载波相位延迟和光强伴随调制带来的非线性误差的问题。弥补现存载波相位延迟补偿方法会受到光强伴随调制的影响，有利于提高载波相位解调精度。

技术领域

本发明属于光纤干涉位移测量领域，主要涉及一种相位生成载波反正切中相位延迟和伴生调幅影响消除方法。

背景技术

随着科学研究的快速发展和工业生产水平飞速提高，科研和工业领域对位移测量也提出了更高的要求，位移测量的最小变化量也正朝着纳米量级方向发展。光纤迈克尔逊干涉仪是利用激光干涉原理进行高精度位移测量的仪器，相比于其他激光干涉仪，由于其具有结构简单、电路处理容易、对环境的要求较低等诸多优点，因而更加广泛的应用于位移测量领域。光纤迈克尔逊干涉仪有两种调制方式，一种是利用电光相位调制器调制参考臂，但这种方法由于参考臂处增加了电光相位调制器，使得干涉仪抗电磁干扰能力下降，同时不利于多轴干涉测量；另一种调制方式为激光器电流内调制，即给波长可调制激光器施加调制信号，使得激光器输出波长被调制，这种方法有利于干涉仪的小型化和波分复用，以此广泛使用。

对于光源内调制式光纤迈克尔逊干涉仪的干涉信号处理方法，相位生成载波(PGC)技术被广泛采用，该方法具有高灵敏度、高动态范围、良好的线性度等优点。现今，主要有两种PGC解调方法，一种是相位生成载波微分交叉相乘算法(PGC-DCM)，另一种是相位生成载波反正切算法(PGC-Arctan)。在PGC解调系统中，应用于光纤干涉传感的高频载波相位信号将所需的相移信号转换为载波频率的侧带。通过提取干涉信号的一次谐波和二次谐波，可以获得包含相移信号的正交分量。为了从获得的正交分量中提取相移，PGC-Arctan和PGC-DCM得到了快速的发展。然而，由于需要对激光器进行波长内调制，无法避免的在激光输出波长调制过程中同时会对光强进行调制，产生光强伴随调制，PGC也会受到伴生调制的影响使得解调精度遍变低。在考虑伴生调幅的同时，在光纤传感系统中的光路延迟、光电转换和电路延迟等，导致被检测信号的载波成分和调制信号之间产生相位延迟，这种延迟也将会对PGC的解调结果产生不良影响。由此可见，对于相位延迟和伴生调幅影响消除技术的研究势在必行。

图1为典型的光源调制式光纤迈克尔逊干涉仪结构，正弦信号发生装置1产生正弦信号给到波长可调制激光器2，对波长可调制激光器2输出激光波长进行正弦调制，波长可调制激光器2发出的激光通过光纤耦合器3分光为参考光束和测量光束；其中参考光束经过第一准直器4准直，第一反射镜5反射，测量光束经过第二准直器6准直，第二反射镜7反射后，参考光束和测量光束原路返回到光纤耦合器3中发生干涉，并由光纤耦合器3另一端输出并入射光电探测器8，光电探测器8的输出信号理想形式如下：

信号进行相位生成载波解调单元9得到U_m1和U_m2信号；理想状态下，U_m1和U_m2可以表示为：

其中，B为干涉信号的交流幅值，C为相位调制深度和，J₁(C)和J₂(C)为贝塞尔函数，和为一倍频和二倍频载波，其表达形式为：