基于参考干涉仪的相位生成载波解调算法与优化方法

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干涉型光纤传感器因其灵敏度高、抗电磁干扰能力强、复用性好等优点被广泛应用在石油管道检测、建筑结构检测、煤矿安全监测等领域。而相位生成载波(PGC)作为一种有源零差相位解调技术,由于其具有相位漂移小和线性度好等优点在干涉型光纤传感器中得到广泛使用。但是,该技术传统解调算法(PGC-DCM和PGC-Arctan)的信噪比、谐波失真和动态范围等指标受到调制深度波动、光强扰动和系统噪声等诸多因素限制。其中,在抑制光源相位噪声方面,利用参考干涉仪降噪被验证是一种有效的方案。然而,传统参考干涉仪降噪方案也易受到调制深度和光强扰动的影响。所以,为了在实际应用中扩展干涉型光纤传感器的检测范围和应用领域,对其解调方法的优化与改进成为了光纤传感领域重要的研究方向之一。1.本文针对传统参考干涉仪降噪方案受强度噪声影响的问题,设计了一种对已被参考干涉仪方案抑制光源相位噪声后的一对正交信号进行PGC-Arctan算法处理的相位解调算法。通过Lab View软件进行了仿真,验证了该算法的可行性;搭建了基于双光纤迈克尔逊(Michelson)干涉仪的实验系统。当待测信号频率为1 k Hz、幅值为0.1 Vpp时,实验结果显示该算法解调结果的信噪比(SNR)相对于基于参考干涉仪的PGC-DCM算法提高了12 d B左右,比无参考干涉仪的PGC-DCM算法提高了约15 d B。同时,该算法还可以克服光强扰动引起的解调信号失真。2.针对上述参考干涉仪降噪方案易受调制深度波动引起失真的问题,提出了一种在参考干涉仪方案中引入微分自相乘算法进行幅值匹配的PGC改进型算法。对该算法进行了仿真分析,证明了其有效性;搭建了参考干涉仪实验系统。当待测信号频率为1k Hz、幅值为0.2 Vpp,调制深度范围为1.5-3.5 rad时,实验结果显示该算法的信纳比(SINAD)最高可达到24.5 d B,对比基于参考干涉仪的PGC-DCM算法平均提高约7.9 d B,对比基于参考干涉仪PGC-Arctan算法平均提高约3 d B;同时,该算法的总谐波失真(THD)为0.451%@1 k Hz。实验验证该算法也能克服光强扰动对解调结果的影响。本文提出的两种优化相位解调算法,有效地解决了参考干涉仪降噪方案中调制深度波动、光强扰动和强度噪声对解调结果影响的问题,为参考干涉型光纤传感器方案走向应用提供了有效的参考。
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