干涉型光纤传感器解调方法改进与研究_邱立忠
- 格式：pdf
- 大小：344.82 KB
- 文档页数：3
［6 ］
Output signal spectrum of interferometer
2． 3
改进后 PGC 方法的数据处理方案
改进方法 中 使 用 了 除 法 运 算 ， 除 数 为 － GBJ1 （ C ） ×
sin φ（ t） ， 是一个正弦函数， 值有可能为 0 ， 针对此问题， 本 文提出一种解决方案如图 4 所示。 干涉仪输出信号经过 AD 采样， 采集的数据存放在一个存储域中 ， 保证存储域中 假定每次处理 n 个数据， 假设 a i 的数据不溢出的情况下 ， 和 b i （ 1 ≤i≤n） 分别为图 4 中上下两路处理得到的数据 （ a i 为图 4 中上边这一路得到的数据 ） a1 ， a2 ， a3 ， a4 ， …， an ， b1 ， b2 ， b3 ， b4 ， …， bn ． 选定一个门限值 Δ， 对 b i 这组数据中每个点取绝对值 ， 然后和 Δ 比较大小， 把所有绝对值小于 Δ 的 b i 点都舍去， 再将舍去的 b i 对应的 a i 点也舍去， 两组数据中剩余的点进 行除法运算， 再通过积分运算和 D / A 转换。 由改进方案的 原理知， 经过图 6 中各个模块处理后的 n 个数据中只含有 待测信号和低频漂移信息 ， 一般情况下载波频率远远大于 信号频率， 按照本文给出的最低采样频率采样 ， 即使舍弃了 部分绝对值接近零的点后每个信号周期内仍然有很多点 ， 由采样定理知， 能够恢复出信号。
［5 ］
主要成分集中在一定的范围内
， 由式 （ 9 ） 可知， 干涉仪输
Fig 3
图3
干涉仪输出信号的频谱图
出信号的频谱宽度与载波幅度有关 ， 式 （ 8 ） 中令 J0 （ C ） / J1 （ C） = 1， 得 C = 1． 43， 贝塞尔函数 Jk （ 1． 43） 的值随着阶次 k J3 （ 1 ． 43 ） = 0 ． 053 5 ， J4 （ 1 ． 43 ） = 的增加而变小， 已小于0 ． 1 ， 0 ． 009 8 ， J5 （ 1 ． 43 ） = 0 ． 001 4 …， 由调相信号的频谱分析知 ， 式（ 9 ） 中贝塞尔函数 4 次与 4 次以上的阶次可忽略不计 ， 可见干涉仪输出频谱主要集中在 3 ω c + ω d 内， ω d 为载波两 侧携带的上边频或下边频的频谱宽度 ， 边频信号频谱的主 T为 ωd = （ T + 1 ） ωs ， 其中， 要成分也集中在一定的范围内 ， D 为待测信号的幅度 不小于 D 的最小整数，
30
传 感 பைடு நூலகம் 与 微 系 统
第 30 卷
仿真结果中只有待测信号 ， 频谱中只含有 f s = 100 Hz 的项， 信号得到了正确解调。 4 结 论 本文提出了一种改进的 PGC 方法， 分析了新方法中解 调系统的最低采样频率 ， 介绍了一种改进后的 PGC 方法的
图4 Fig 4 改进后的 PGC 方法数据处理流程
PGC ） 调制解调 相位生成载波 （ phase generated carrier， 技术灵敏度高、 动态范围大、 线性度好， 是干涉型光纤传感 器解调方法中应用广泛的一种技术
［1 ］
{
－ GBJ1 （ C） sin φ（ t） － HBJ2 （ C） cos φ（ t）
．
（ 2）
。 一般的 PGC 方法，
式（ 1 ） 为干涉仪输出光信号， 用贝塞尔函数展开如下
∞
－ BJ0 （ C） sin φ（ t） ·φ（ t） ． 倍频信号 Gcos ω c t 相乘后再经低通滤波器输出为 － GBJ1 （ C） sin φ（ t） ． 除数可能为 0 ， 下文中对此问题做出了分析 ） 1 J0 （ C ） × φ（ t） ． G J1 （ C ） 通过积分器后输出为
［3 ］
图1 Fig 1
一般 PGC 框图
Block diagram of PGC
2
PGC 方法改进
2． 1
PGC 的改进方法
图 2 为本文提出改进后的 PGC 原理图， 图 2 中上一
I = A + B cos［ C cos ω c t + φ（ t） ］， 式中
（ 1）
路： 干涉仪输出光信号通过低通滤波器滤除含有载波频率 ω c 的项后输出 A + BJ0 （ C） cos φ（ t） ． 经过微分器去除直流项后输出 （ 4）
A， B 为常量， k ≤1 为干涉条纹可见度， A 且 B = kA，
C 为相位调制幅度， 正比于激光器输出光功率 ， 图 1 中干涉 仪输出光信号分别与载波频率的一倍频信号 G cos ω c t 和
收稿日期： 2010 —11 —20
第8 期
邱立忠， 等： 干涉型光纤传感器解调方法改进与研究 1 J0 （ C ） × φ（ t） ． G J1 （ C ）
29
（ 8）
最后经高通滤波滤除低频漂移就实现了信号解调 。 改 进方案的解调结果不包含参数 B， 不会产生波动， 新方案中
图2 Fig 2 改进后的 PGC 框图
最低采样频率的选取也有很大变化 ， 具体分析见下文。
Block diagram of improved PGC
2． 2
（ 5）
改进方案的最低采样频率分析
由式（ 9 ） 、 式 （ 10 ） 和式 （ 11 ） 看出： 干涉仪输出频谱如 图 3 所示， 包含 ω ～ s kω s 的无限多条谱线和以 ω c 的 1 ～ n 倍 其 频为载波的载有 ± ω s ～ ± kω s 边频成分的无限多条谱线 ， k 和 n 均为整数 中，
［4 ］
。但根据贝赛尔函数的性质 ， 频谱的
［2 ］
， 这种
方法实现起来比较复杂 ， 此外， 一般 PGC 方法的采样频率 较高。本文提出一种改进方案 ， 对采用此方案的解调系统 本文的方法和结论对干涉型光纤传感器解调 进行了研究， 系统的构建和优化具有重要参考意义 。 1 一般 PGC 调制解调原理 图 1 为一般 PGC 原理图， 采用 Michelson 结构的光纤 干涉仪输出光信号为
28
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
2011 年 第 30 卷 第 8 期
干涉型光纤传感器解调方法改进与研究
1 2 3 邱立忠 ，曹家年 ，刘海亮
（ 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001 ） 要： 通过分析光纤干涉仪输出信号成分和理论推导 ， 提出了干涉型光纤传感器相位生成载波 （ PGC ） 调制解调技术的改进方案 ， 通过实验仿真得出， 新方案不需要 AGC 模块就可以消除干涉仪输出光功率漂 摘 移对解调结果的影响， 而且系统的最低采样频率减低了约 1 /3 。 关键词： 干涉型光纤传感器； 相位生成载波； 采样频率； 数据处理 中图分类号： TP 212 文献标识码： A 文章编号： 1000 —9787 （ 2011 ） 08 —0028 —03
数据处理方案， 该方案成功解决了算法中除数为 0 的问题， 采用改进后的方法， 能够正确解调出信号， 解调结果不受参 数 B 的影响， 解调所需的最低采样频率大幅度降低 。 参考文献：
［ 1］ Dandridge A， Tveten A B， Giallorenzi T G． Homodyne demodulation scheme for foberoptic sensors using phase generated carrier［J］． IEEE Journal of Quantum Electronics， 1982 ， 18 （ 10 ） ： 1635 － 1640． ［ 2］ Huang S C， Lin W W， Chen M H． Phase sensitivity normaliation in timedivision multiplexing of polarizationinsensitive interferometric sensors using phasegenerated carrier demodulation［J］ ． 1996 ， 35 （ 9 ） ： 2634 － 2340． Opt Eng， ［ 3］ 曹家年， 张立昆． 相位载波调制及解调方案研究［J］． 光纤与 1998 ， 6 （ 6 ） ： 5 － 6． 光缆及其应用技术， ［ 4］ 柏林厚， 廖延彪， 张 敏， 等． 干涉型光纤传感器相位生成载
Improvement and research on demodulation method of interference pattern optical fiber sensor
QIU Lizhong1 ，CAO Jianian2 ，LIU Hailiang3
（ School of Information and Communication Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001 ， China） Abstract： An improved scheme of phase generated carrier （ PGC） demodulation technology based on interference pattern optical fiber sensor is put forward by analyzing output signal component of the optical fiber interferometer and the theoretical deduction． Through simulation， influence of the interferometer output light power drift on the effect of demodulation can be eliminated without AGC module． The minimum sampling frequency of the system has been reduced by a third． Key words： interference pattern optical fiber sensor； phase generated carrier； sampling frequency； data processing 0 引 言 二倍频信号 Hcos 2 ω c t 相乘， 通过低通滤波器（ LF） 后输出
Output signal spectrum of interferometer
2． 3
改进后 PGC 方法的数据处理方案
改进方法 中 使 用 了 除 法 运 算 ， 除 数 为 － GBJ1 （ C ） ×
sin φ（ t） ， 是一个正弦函数， 值有可能为 0 ， 针对此问题， 本 文提出一种解决方案如图 4 所示。 干涉仪输出信号经过 AD 采样， 采集的数据存放在一个存储域中 ， 保证存储域中 假定每次处理 n 个数据， 假设 a i 的数据不溢出的情况下 ， 和 b i （ 1 ≤i≤n） 分别为图 4 中上下两路处理得到的数据 （ a i 为图 4 中上边这一路得到的数据 ） a1 ， a2 ， a3 ， a4 ， …， an ， b1 ， b2 ， b3 ， b4 ， …， bn ． 选定一个门限值 Δ， 对 b i 这组数据中每个点取绝对值 ， 然后和 Δ 比较大小， 把所有绝对值小于 Δ 的 b i 点都舍去， 再将舍去的 b i 对应的 a i 点也舍去， 两组数据中剩余的点进 行除法运算， 再通过积分运算和 D / A 转换。 由改进方案的 原理知， 经过图 6 中各个模块处理后的 n 个数据中只含有 待测信号和低频漂移信息 ， 一般情况下载波频率远远大于 信号频率， 按照本文给出的最低采样频率采样 ， 即使舍弃了 部分绝对值接近零的点后每个信号周期内仍然有很多点 ， 由采样定理知， 能够恢复出信号。
［5 ］
主要成分集中在一定的范围内
， 由式 （ 9 ） 可知， 干涉仪输
Fig 3
图3
干涉仪输出信号的频谱图
出信号的频谱宽度与载波幅度有关 ， 式 （ 8 ） 中令 J0 （ C ） / J1 （ C） = 1， 得 C = 1． 43， 贝塞尔函数 Jk （ 1． 43） 的值随着阶次 k J3 （ 1 ． 43 ） = 0 ． 053 5 ， J4 （ 1 ． 43 ） = 的增加而变小， 已小于0 ． 1 ， 0 ． 009 8 ， J5 （ 1 ． 43 ） = 0 ． 001 4 …， 由调相信号的频谱分析知 ， 式（ 9 ） 中贝塞尔函数 4 次与 4 次以上的阶次可忽略不计 ， 可见干涉仪输出频谱主要集中在 3 ω c + ω d 内， ω d 为载波两 侧携带的上边频或下边频的频谱宽度 ， 边频信号频谱的主 T为 ωd = （ T + 1 ） ωs ， 其中， 要成分也集中在一定的范围内 ， D 为待测信号的幅度 不小于 D 的最小整数，
30
传 感 பைடு நூலகம் 与 微 系 统
第 30 卷
仿真结果中只有待测信号 ， 频谱中只含有 f s = 100 Hz 的项， 信号得到了正确解调。 4 结 论 本文提出了一种改进的 PGC 方法， 分析了新方法中解 调系统的最低采样频率 ， 介绍了一种改进后的 PGC 方法的
图4 Fig 4 改进后的 PGC 方法数据处理流程
PGC ） 调制解调 相位生成载波 （ phase generated carrier， 技术灵敏度高、 动态范围大、 线性度好， 是干涉型光纤传感 器解调方法中应用广泛的一种技术
［1 ］
{
－ GBJ1 （ C） sin φ（ t） － HBJ2 （ C） cos φ（ t）
．
（ 2）
。 一般的 PGC 方法，
式（ 1 ） 为干涉仪输出光信号， 用贝塞尔函数展开如下
∞
－ BJ0 （ C） sin φ（ t） ·φ（ t） ． 倍频信号 Gcos ω c t 相乘后再经低通滤波器输出为 － GBJ1 （ C） sin φ（ t） ． 除数可能为 0 ， 下文中对此问题做出了分析 ） 1 J0 （ C ） × φ（ t） ． G J1 （ C ） 通过积分器后输出为
［3 ］
图1 Fig 1
一般 PGC 框图
Block diagram of PGC
2
PGC 方法改进
2． 1
PGC 的改进方法
图 2 为本文提出改进后的 PGC 原理图， 图 2 中上一
I = A + B cos［ C cos ω c t + φ（ t） ］， 式中
（ 1）
路： 干涉仪输出光信号通过低通滤波器滤除含有载波频率 ω c 的项后输出 A + BJ0 （ C） cos φ（ t） ． 经过微分器去除直流项后输出 （ 4）
A， B 为常量， k ≤1 为干涉条纹可见度， A 且 B = kA，
C 为相位调制幅度， 正比于激光器输出光功率 ， 图 1 中干涉 仪输出光信号分别与载波频率的一倍频信号 G cos ω c t 和
收稿日期： 2010 —11 —20
第8 期
邱立忠， 等： 干涉型光纤传感器解调方法改进与研究 1 J0 （ C ） × φ（ t） ． G J1 （ C ）
29
（ 8）
最后经高通滤波滤除低频漂移就实现了信号解调 。 改 进方案的解调结果不包含参数 B， 不会产生波动， 新方案中
图2 Fig 2 改进后的 PGC 框图
最低采样频率的选取也有很大变化 ， 具体分析见下文。
Block diagram of improved PGC
2． 2
（ 5）
改进方案的最低采样频率分析
由式（ 9 ） 、 式 （ 10 ） 和式 （ 11 ） 看出： 干涉仪输出频谱如 图 3 所示， 包含 ω ～ s kω s 的无限多条谱线和以 ω c 的 1 ～ n 倍 其 频为载波的载有 ± ω s ～ ± kω s 边频成分的无限多条谱线 ， k 和 n 均为整数 中，
［4 ］
。但根据贝赛尔函数的性质 ， 频谱的
［2 ］
， 这种
方法实现起来比较复杂 ， 此外， 一般 PGC 方法的采样频率 较高。本文提出一种改进方案 ， 对采用此方案的解调系统 本文的方法和结论对干涉型光纤传感器解调 进行了研究， 系统的构建和优化具有重要参考意义 。 1 一般 PGC 调制解调原理 图 1 为一般 PGC 原理图， 采用 Michelson 结构的光纤 干涉仪输出光信号为
28
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
2011 年 第 30 卷 第 8 期
干涉型光纤传感器解调方法改进与研究
1 2 3 邱立忠 ，曹家年 ，刘海亮
（ 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001 ） 要： 通过分析光纤干涉仪输出信号成分和理论推导 ， 提出了干涉型光纤传感器相位生成载波 （ PGC ） 调制解调技术的改进方案 ， 通过实验仿真得出， 新方案不需要 AGC 模块就可以消除干涉仪输出光功率漂 摘 移对解调结果的影响， 而且系统的最低采样频率减低了约 1 /3 。 关键词： 干涉型光纤传感器； 相位生成载波； 采样频率； 数据处理 中图分类号： TP 212 文献标识码： A 文章编号： 1000 —9787 （ 2011 ） 08 —0028 —03
数据处理方案， 该方案成功解决了算法中除数为 0 的问题， 采用改进后的方法， 能够正确解调出信号， 解调结果不受参 数 B 的影响， 解调所需的最低采样频率大幅度降低 。 参考文献：
［ 1］ Dandridge A， Tveten A B， Giallorenzi T G． Homodyne demodulation scheme for foberoptic sensors using phase generated carrier［J］． IEEE Journal of Quantum Electronics， 1982 ， 18 （ 10 ） ： 1635 － 1640． ［ 2］ Huang S C， Lin W W， Chen M H． Phase sensitivity normaliation in timedivision multiplexing of polarizationinsensitive interferometric sensors using phasegenerated carrier demodulation［J］ ． 1996 ， 35 （ 9 ） ： 2634 － 2340． Opt Eng， ［ 3］ 曹家年， 张立昆． 相位载波调制及解调方案研究［J］． 光纤与 1998 ， 6 （ 6 ） ： 5 － 6． 光缆及其应用技术， ［ 4］ 柏林厚， 廖延彪， 张 敏， 等． 干涉型光纤传感器相位生成载
Improvement and research on demodulation method of interference pattern optical fiber sensor
QIU Lizhong1 ，CAO Jianian2 ，LIU Hailiang3
（ School of Information and Communication Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001 ， China） Abstract： An improved scheme of phase generated carrier （ PGC） demodulation technology based on interference pattern optical fiber sensor is put forward by analyzing output signal component of the optical fiber interferometer and the theoretical deduction． Through simulation， influence of the interferometer output light power drift on the effect of demodulation can be eliminated without AGC module． The minimum sampling frequency of the system has been reduced by a third． Key words： interference pattern optical fiber sensor； phase generated carrier； sampling frequency； data processing 0 引 言 二倍频信号 Hcos 2 ω c t 相乘， 通过低通滤波器（ LF） 后输出
