1 中国科学院电工研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院, 江苏 南京 211102
为解决相位生成载波-反正切解调算法(PGC-Atan)的非线性失真问题,搭建了基于改进型PGC-Atan算法的非本征型法珀传感器(EFPI)解调系统。首先,理论分析了载波相位调制深度(C)偏离最优值、伴生调幅、载波相位延迟等非线性因素对经典PGC-Atan算法中参与反正切运算的正弦与余弦两路信号的影响。然后,针对外调制或伴生调幅较小的情况,提出了一种基于系数补偿的改进型PGC-Atan算法(PGC-CC-Atan)。该算法通过构造与C值和载波相位延迟有关的系数,消除反正切运算中的非线性参数。针对内调制情况,提出了一种基于椭圆拟合的改进型PGC-Atan算法(PGC-EF-Atan)。该算法通过基于分块矩阵的最小二乘法拟合椭圆并提取3个椭圆参数,进而将受非线性因素影响的正弦与余弦两路信号校正为正交信号。最后,通过仿真验证了改进型算法的正确性,并采用高调制特性的垂直腔面发射激光器(VCSEL)和常规腔长的EFPI等搭建PGC解调系统,对比经典PGC-Atan算法与两种改进型算法的解调性能,证实了改进型算法非线性失真抑制的有效性。实验结果表明:一定C值范围内,两种改进型算法可在非线性因素影响下有效解调。PGC-EF-Atan算法相较于PGC-CC-Atan算法,解调信纳比提升了11.602 dB,总谐波失真降低了10.951%。两种改进型算法中,PGC-EF-Atan算法对非线性失真的抑制效果更好,且解调线性度良好,准确度高。
相位生成载波解调 非线性失真 椭圆拟合 光纤法珀传感器 phase generated carrier demodulation nonlinear distortion elliptic fitting fiber optic fabry-perot sensor
国防科技大学气象海洋学院深海科学技术研究所,湖南 长沙 410073
相位生成载波(PGC)调制解调是干涉型光纤水听器常用的解调方法。首先,分析并建立了PGC解调系统的噪声传递模型,研究了光源强度噪声对PGC解调输出噪声的影响机理,分析了调制深度和工作点两个参数对PGC解调噪声稳定性的影响。然后,提出了一种基于3×3耦合器的多相PGC解调方案,即在传统PGC解调架构中引入3×3耦合器进行多相检测,利用3×3耦合器的相移特性对三路干涉信号进行融合处理。在不同的调制深度条件下,该方案可以降低水听器工作点变化所引起的光源强度噪声传递系数波动范围。实验结果显示,在常用的调制深度范围(1.7~3.4)内,工作点变化导致的噪声传递系数波动峰谷值小于0.5 dB,噪声稳定性相比传统PGC解调系统显著提升。
干涉型光纤水听器 相位生成载波解调 噪声稳定性 3×3解调
1 武汉理工大学光纤传感技术与网络国家工程研究中心, 湖北 武汉 430070
2 武汉理工大学信息工程学院, 湖北 武汉 430070
3 武汉理工大学机电工程学院, 湖北 武汉 430070
海洋温度监测对于研究和保护海洋生态环境具有重要价值, 在防止海洋自然灾害的发生方面有着极重要的实际意义。传统的电传感器远距离供电难, 且难以满足大规模传感网络的复用需求。基于弱光纤光栅阵列的干涉式传感系统平台, 提出了运用相位生成载波(Phase Generated Carrier, PGC)算法解调温度信号的干涉式高精度温度传感方法。在26.00~30.00 ℃的范围内连续升温测量, 温度相位灵敏度为1 132.6 rad/℃, 皮尔逊平方相关系数R2为0.999 3, 理论上温度灵敏度可以达到0.000 1 ℃。结果表明, 将常规用来解调动态信号的方法应用到温度这种准静态信号的解调中, 能实现高灵敏度探测, 在海洋温度监测应用中有较好的应用潜力。
光纤传感 弱光纤光栅阵列 温度测量 相位生成载波 干涉仪 optical fiber sensing weak fiber grating array temperature measurement phase generated carrier interferometer
传统相位生成载波(PGC)技术采用了载波多倍频混频方案,从而导致解调过程采样率高、计算时间长。针对这一问题,从语音信号的频谱特征出发,对信号混频方法进行改进。将光电探测器采集并转换后的信号分别与载波的正弦项和余弦项进行混频,在混频信号经过带通滤波器滤波后,分别采用反正切和微分交叉相乘处理的方式来进行解调。对一个简单正弦信号进行解调对比后发现,改进后的解调方法比传统方法所需的采样率更低、计算时间更短。虽然微分交叉相乘法信号处理速度比反正切法更快,但是反正切法的解调效果和抗噪性更好。对实际语音信号进行解调的结果表明,反正切法具有较好的解调效果。
信号处理 激光外差语音探测 相位生成载波解调 语音信号 信噪比 抗噪性 光学学报
2022, 42(16): 1607001
1 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室,北京 100190
2 中国科学院大学,北京 100049
针对光源调制引起的伴生调幅和相位偏移,直流光强、交流光强和调制深度的漂移以及载波相位延迟等因素对干涉型光纤水听器相位生成载波(PGC)解调结果的影响,本文提出了一种同时适用于PGC内调制和外调制的基于扩展卡尔曼滤波(EKF)参数估计的PGC解调方法(PGC-EKF方法)。结合考虑非线性因素影响的PGC解调模型,对传统的PGC解调过程进行改进,并引入基于EKF的椭圆拟合算法对该模型中的各未知参数进行估计;改进了现有任意椭圆一般方程的系数与其对应参数方程中参数的关系式的推导过程,修正了现有推导结果中错误的部分,简化了现有推导结果,并结合本文所用模型特点进行了进一步的推导。对PGC-EKF进行实验验证,结果表明,相比传统的PGC-Atan解调方法,本文提出的PGC-EKF方法将解调结果的信噪比提高了8.84 dB,总谐波失真降低了19.25 dB,信噪谐波比提高了17.16 dB,系统性能有了明显提升。实验结果说明PGC-EKF方法能够比较有效地解调出待测信号,并抑制上述因素引起的波形失真和交流干扰。
测量 干涉型光纤水听器 相位生成载波 扩展卡尔曼滤波 椭圆参数估计 中国激光
2022, 49(17): 1709001
1 西安石油大学 陕西省油气井测控技术重点实验室, 西安710065
2 西北大学 物理学院, 西安 710127
为了消除光强扰动和相位调制深度对相位生成载波(PGC)解调的影响, 提出一种基于混频滤波、相除和差分的相位解调算法--PGC解调改进算法。该算法通过滤波和微分两两相除以及差分、积分运算, 使得解调信号不含任何变量。对PGC解调改进算法进行了理论分析和推导, 利用Labview平台构建仿真模型, 验证了该算法相对于传统解调算法的优势, 搭建了基于迈克尔逊干涉的解调系统并进行实验验证。实验结果表明: 在不同的相位调制深度情况下, PGC解调改进算法解调出的待测信号不会产生谐波失真;在不同光强的情况下, 解调出的信号幅度保持一致。
相位生成载波 相位调制深度 消除光强扰动 迈克尔逊干涉仪 解调算法 phase generated carrier, phase modulation depth, e
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093
2 复旦大学材料科学系,上海 200433
3 上海工程技术大学电子与电气工程学院,上海 201620
相位生成载波(PGC)解调技术具有高灵敏度、线性度好和动态范围广的优点,因此广泛应用于分布式光纤传感器中。本文提出了一种单路微分相除和微分自相乘的PGC(PGC-SDD-DSM)解调算法,该解调算法对载波相位调制深度和光强度干扰均不敏感。仿真实验显示,与PGC单路微分相除(PGC-SDD)解调算法、传统的PGC微分交叉相乘(PGC-DCM)和PGC反正切(PGC-Arctan)解调算法相比较,改进的PGC解调算法具有最佳的解调效果。将改进的PGC解调算法应用在光纤干涉传感器中,实验结果表明改进的解调算法能有效抑制光强和载波调制深度引起的失真。待测信号的频率为1 kHz,幅度值为2 rad,在引入1.5 rad的载波调制深度和 0.7 rad的光强干扰深度时,实验系统中使用改进PGC解调算法的解调结果信纳比(SINAD)可以达到35.56 dB,与使用传统的PGC-DCM、PGC-Arctan和PGC-SDD解调算法相比较分别高出10.87 dB、24.19 dB和6.38 dB,同时系统的稳定性得到了提升。该技术有效地促进了光纤传感器领域的技术研究。
光纤传感器 相位生成载波解调 相位调制深度 optical fiber sensor phase generated carrier (PGC) demodulation phase modulation depth
国防科技大学气象海洋学院, 湖南 长沙 410073
针对采用相位生成载波(PGC)调制解调方案的光纤光栅时分复用(TDM)传感系统,研究传感阵列结构和调制解调参数对系统相位噪声的影响。理论分析结果表明,阵列的结构设计会制约系统调制解调参数的设计与选取,而且因光纤光栅传感系统中需采用偏振调制手段来抑制偏振诱导信号衰落,当时分复用数量越多和单基元传感光纤长度越长时,系统调制解调频率的上限越低。仿真分析PGC调制解调算法中的高频混叠效应,结果表明调制频率越小,系统的本底相位噪声越大。实验搭建4套不同设计结构的干涉型光纤光栅时分复用传感阵列,PGC调制频率分别为6,10,16,50 kHz。实验测得4套系统在1 kHz频点处,第一时分复用通道相位噪声分别为-93,-96,-98和-99 dB/Hz 1/2,与理论分析结果吻合。
光纤光学 光纤传感 光纤光栅 相位噪声 相位生成载波 光学学报
2021, 41(13): 1306011