干涉型光纤传感器PGC数字解调方法

摘要

本发明提供干涉型光纤传感器PGC数字解调方法及装置，采用PGC相位载波生成技术，输出包含传感信号载波信号的干涉光强度信号；在整个观测时间T_I内，对该干涉信号做离散化抽样，得其时域序列信号；以载波基频周期T_C为单位，把T_I分割成若干段，对每段T_C内的序列信号，做离散的傅里叶变换DFT，得其频谱；对该频谱做傅里叶逆变换IDFT，重构出对应的时域信号；根据重构信号的谐波幅值与连续信号的谐波幅值之间的关系，计算每个载波周期T_C内传感信号的同相分量和正交分量逐段进行以上计算，直至获得整个观测时间T_I内的及传感信号以数字技术实现信号PGC解调，不采用混频系统，无需本振信号，不存在载波信号同步等问题，整体性能更佳。

主权项

1.干涉型光纤传感器PGC数字解调方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：干涉型光纤传感器采用PGC相位载波技术，生成包含着相位传感信号和载波信号的干涉光总强度信号I_T(t)，其载波频率为ω_C，对该I_T(t)进行采样周期为T_s的离散化抽样，得到其时域序列信号I_T(nT_S)，n为信号序号，且n为正整数；步骤2：设信号观测的初始、结束时刻分别为n₀T_S、n₀T_S+T_I，其信号观测持续时间为T_I，把T_I分割成若干个长度相等的时间段，且每个时间段的长度取成一个载波周期T_c，即T_I=N_IT_C，N_I为正整数；步骤3：设一个时间段对应的信号观测值为I_T(nT_S)，该I_T(nT_S)的长度为NC，即f_C表示：载波频率，f_S表示：采样频率，nT_S在n₀T_S～n₀T_S+T_C之间，对该时域序列信号I_T(nT_S)，按下式，做离散的傅里叶变换DFT，得到其谱信号I_f(kω₀)：$\begin{array}{c}{I}_f\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)=\mathrm{DFT}[I_T\left({\mathrm{nT}}_S\right)\\ =\underset{n=n_0}{\overset{n_0+N_C-1}{\Sigma }}{I}_T\left({\mathrm{nT}}_S\right)\exp \left(\frac{-j2\pi *k*n}{N_C}\right)\\ =\underset{n=n_0}{\overset{n_0+N_C-1}{\Sigma }}{I}_T\left({\mathrm{nT}}_S\right)\exp (-\mathrm{jk}*{\omega }_0*n)\end{array}$I_f(kω₀)是复信号，包含实部I_f-r(kω₀)、虚部I_f-i(kω₀)：I_f(kω₀)=I_f-r(kω₀)+jI_f-i(kω₀)$I_{f-r}\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)=\underset{n=n_0}{\overset{n_0+N_C-1}{\Sigma }}{I}_T\left(n{T}_S\right)\cos (k*{\omega }_0*n)$$I_{f-i}\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)=\underset{n=n_0}{\overset{n_0+N_C-1}{\Sigma }}{I}_T\left(n{T}_S\right)\sin (k*{\omega }_0*n)$$j=\sqrt{-1}$将上式处理成指数形式:I_f(kω₀)=|I_f(kω₀)|exp[jψ(kω₀)]$\left|I_f\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)\right|=\sqrt{{I^2}_{f-r}\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)+{I^2}_{f-i}\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)}$$\psi \left({\mathrm{k\omega }}_0\right)=\arctan \frac{I_{f-i}\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)}{I_{f-r}\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)}$I_f-r(kω₀)=|I_f(kω₀)|cos[ψ(kω₀)]I_f-i(kω₀)=|I_f(kω₀)|sin[ψ(kω₀)]|I_f(kω₀)|、ψ(kω₀)分别为谱信号I_f(kω₀)的模、辐角，其中k=1,2,...N_C-1，ω₀为数字角频率；步骤4：对以上的谱信号I_f(kω₀)，按下式，做离散的傅里叶逆变换IDFT，重构时域序列信号I_T-C(nT_S)：$\begin{array}{c}{I}_{T-C}\left({\mathrm{nT}}_s\right)=\mathrm{IDFT}\left[I_f\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)\right]\\ =\frac{1}{N_C}\underset{k=0}{\overset{N_C-1}{\Sigma }}{I}_f\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)\exp (\mathrm{jk}*{\omega }_0*n)\\ =\frac{1}{N_C}\underset{k=0}{\overset{\frac{N_C}{2}-1}{\Sigma }}\left[\begin{array}{c}{I}_f\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)\exp (\mathrm{jk}*{\omega }_0*n)\\ +{I^{*}}_f\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)\exp (-\mathrm{jk}*{\omega }_0*n)\end{array}\right]\\ \frac{2}{N_C}\stackrel{\frac{N_C}{2}-1}{\underset{k=0}{\Sigma }}\mathrm{Re}\left[I_f\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)\exp (\mathrm{jk}*{\omega }_0*n)\right]\end{array}$其中Re[I_f(kω₀)exp(jk*ω₀*n)]为I_f(kω₀)exp(jk*ω₀*n)的实部；步骤5：根据重构得到的I_T-C(nT_S)的谐波幅值与连续信号的谐波幅值之间的对应关系，在一个载波周期内，下式成立：上式第一个方程中：k=0，1,2,3，上式第二个方程中：k=1,2,3，4，且N_C=16，而g_2k,g_2k+1、B为待定常数，可由试验标定；步骤6：取4种谐波，即四种情形的相位信号的同相分量正交分量平均值，按下式计算：$l_{2k-1}=\frac{{(-1)}^{k+1}{g}_{2k+1}}{16B*J_{2k-1}\left(M_C\right)},l_{2k}=\frac{{(-1)}^k{g}_{2k}}{16B*J_{2k}\left(M_C\right)}$为待定常数；步骤7：逐次改变时间初始值n₀T_S，进入下一个时间段，重复步骤3至步骤6的操作N_I次，直至得到整个观测时间T_I内相位信号的同相分量正交分量步骤8：令分别是n₀T_S+T_I、n₀T_S时刻的相位信号，且n₀T_S≤nT_S≤n₀T_S+T_I，按下式计算相位信号的导数其中，$Y^{\prime }\left({\mathrm{nT}}_S\right)=\frac{Y\left[(n+1)T_S\right]-Y\left({\mathrm{nT}}_S\right)}{T_S},X^{\prime }\left({\mathrm{nT}}_S\right)=\frac{X\left[(n+1)T_S\right]-X\left({\mathrm{nT}}_S\right)}{T_S}$对按下式积分，得到经一个观测时间T_I的变化值，其中，N_T为T_I内信号观测值的总长度。