干涉型光纤传感器PGC数字解调方法及其装置

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N_C，即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)：$I_f\left(k{\omega }_0\right)=\mathrm{DFT}\left[I_T\left(n{T}_S\right)\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)$I_f(kω₀)是复信号，包含实部I_f-r(kω₀)、虚部I_f-r(kω₀)：I_f(kω₀)＝I_f-r(kω₀)+jI_f-i(kω₀)$I_{f-r}\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)=\underset{n=n_0}{\overset{n_0+N_C-1}{\Sigma }}{I}_T\left({\mathrm{nT}}_S\right)\cos (k*{\omega }_0*n)$$I_{f-i}\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)=\underset{n=n_0}{\overset{n_0+N_C-1}{\Sigma }}{I}_T\left({\mathrm{nT}}_S\right)\sin (k*{\omega }_0*n)$$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(k{\omega }_0\right)\right|=\sqrt{{I^2}_{f-r}\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)+{I^2}_{f-i}\left(k{\omega }_0\right)}$$\psi \left({\mathrm{k\omega }}_0\right)=\arctan \frac{I_{f-i}\left(k{\omega }_0\right)}{I_{f-r}\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)}$I_f-r(kω₀)＝|I_f(kω₀)|cos[ψ(kω₀)]I_f-i(kω₀)＝|I_f(kω₀)|sin[ψ(kω₀)]|I_f(kω₀)|、ψ(kω₀)分别为谱信号I_f(kω₀)的模、辐角，其中k＝1，2，...N_C-1，ω₀为数字角频率；步骤4：对以上的谱信号I_f(kω₀)，按下式，做离散的傅里叶逆变换IDFT，重构时域序列信号I_T-C(nT_S)：$I_{T-C}\left({\mathrm{nT}}_S\right)=\mathrm{IDFT}\left[I_f\left(k{\omega }_0\right)\right]$$=\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)$$=\frac{1}{N_C}\underset{k=0}{\overset{\frac{N_C}{2}-1}{\Sigma }}\left[\begin{array}{c}{I}_f\left(k{\omega }_0\right)\exp (\mathrm{jk}*{\omega }_0*n)\\ +{I^{*}}_f\left({\mathrm{k\omega }}_0\right)\exp (-\mathrm{jk}*{\omega }_0*n)\end{array}\right]$$=\frac{2}{N_C}\underset{k=0}{\overset{\frac{N_C}{2}-1}{\Sigma }}\mathrm{Re}\left[I_f\left(k{\omega }_0\right)\exp (\mathrm{jk}*{\omega }_0*n)\right]$其中Re[I_f(kω₀)exp(jk*ω₀*n)]为I_f(kω₀)exp(jk*ω₀*n)的实部；步骤5：根据重构得到的I_T-C(nT_S)的谐波幅值与连续信号的谐波幅值之间的对应关系，在一个载波周期内，下式成立：上式第一个方程中：k＝0，1，2，3，上式第二个方程中：k＝1，2，3，4，且N_C＝16，而g_2k，g_2k-1、B为待定常数，可由试验标定；步骤6：取4种谐波，即四种情形的相位信号的同相分量正交分量平均值，按下式计算：$=\frac{1}{4}\underset{k=0}{\overset{3}{\Sigma }}\{l_{2k+1}*|I_f\left[(2k+1){\omega }_0\right]|*\cos [\psi \left((2k+1){\omega }_0\right)\left]\right\}$$=\frac{1}{4}\underset{k=1}{\overset{4}{\Sigma }}\{l_{2k}*|I_f\left(k{\omega }_0\right)|*\cos [\psi \left(2k{\omega }_0\right)\left]\right\}$为待定常数；步骤7：逐次改变时间初始值n₀T_S，进入下一个时间段，重复步骤3至步骤6的操作N_I次，直至得到整个观测时间T_I内相位信号的同相分量正交分量步骤8：令分别是n₀T_S+T_I、n₀T_S时刻的相位信号，且n₀T_S≤nT_S≤n₀T_S+T_I，按下式计算相位信号的导数其中，$Y^{\prime }\left(n{T}_S\right)=\frac{Y\left[(n+1)T_S\right]-Y\left({\mathrm{nT}}_S\right)}{T_S},$$X^{\prime }\left(n{T}_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_I=\frac{T_I}{T_S}.$