本发明专利技术公开了一种具有高精度的光学信号相位解调系统及解调方法。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。本发明专利技术能够进行独立的不相关解调，最终解调结果中，光路中实相位变化成相关性，解调过程及外界引入噪声没有相关性，可以通过累加平均降噪的方法获得更高的信噪比；本发明专利技术有效提高光学信号相位解调精度，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学(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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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：其中P为信号幅度，A为光源直流项，B为光源交流项，C为调制深度，ω0为调制信号频率，为待测量相位信号；b、将调相波子模块生成输出的N路信号分别与PGC干涉信号进行相乘，再进行滤波操作，得到锁相后N路信号的谐波成分，包括基波成分、二次谐波成分……N次谐波成分；c、调整调制深度C，得到调整后的N路信号的谐波成分；d、对调整后的N路信号的谐波成分进行希尔伯特变换操作；e、求取N路信号被测相位值；f、对求得的相位值使用降采样平滑的方法得到最终相位输出。本专利技术一种具有高精度的光学信号相位解调方法，还可以包括：1、步骤b中调整后的基波成分为：二次谐波成分为：N次谐波成分分别为：其中，Jk(C)为贝塞尔函数系数，k为信号高阶分量，A为光强直流分量，B为交流幅度，p，q代表不同阶数；m为伴生调幅系数。2、步骤c中调整后的基波成分为：二次谐波成分为：N次谐波成分为：3、步骤e中N路信号被测相位值的第一路被测相位信号为：第二路被测相位信号为：第N路相位被测信号为：4、步骤f中，最终相位为：有益效果：本专利技术公开一种增强稳定性，抑制系统噪声的光学测量方法，该方法针对以上方法的不足，不需要额外增加参考光路，使用数学变换的方法引入相关信号，进行相关去噪运算，在控制传感器制作成本以及体积外形基础上，提升了解调信噪比；该方法包括前端采集模块，其作用是采集光路信号至解调装置内并输入至解调算法；多路锁相模块，其作用是根据干涉信号频率分量的不同提取各个频率成分，构造多路相位解调信号；数据解调模块，其作用是利用希尔伯特变换构造正交分量进行相位解调。整个过程为，光纤干涉仪输出信号经光电探测器转换进入光学测量系统内，将该路信号作为原始基准，进行多路不同频次分量锁相，得到各种频次信号分量，每一路分量可根据希尔伯特变换得到自身正交信号，通过反正切查表计算的方法，进行独立的不相关解调；最终解调结果中，光路中实相位变化成相关性，解调过程及外界引入噪声没有相关性，可以通过累加平均降噪的方法获得更高的信噪比；本方法有效提高光学信号相位解调精度，可广泛用于高精度光纤测量和光纤传感等领域。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1)在不改变原有的光路结构、不提升硬件性能的情况下，有效的消除伴生调幅，抑制系统噪声，提高信噪比N倍。2)提高系统本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有高精度的光学信号相位解调系统，其特征在于：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。
【技术特征摘要】
1.一种具有高精度的光学信号相位解调系统，其特征在于：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。
2.一种具有高精度的光学信号相位解调方法，其特征在于：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：
其中P为信号幅度，A为光源直流项，...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭峰，侯璐，吴冰，苑勇贵，侯长波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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