科研動(dòng)態(tài)
適用于光纖干涉式傳感器的改進(jìn)PGC解調(diào)算法
中文題目：適用于光纖干涉式傳感器的改進(jìn)PGC解調(diào)算法
論文題目：An Improved PGC Demodulation Algorithm for Fiber Optic Interferometric Sensors
錄用期刊/會(huì)議：Optics Express (中科院SCI 2區(qū)，TOP，CAA A類期刊)
原文DOI：10.1364/OE.506910
原文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.506910
錄用/見刊時(shí)間：2024.1.8
作者列表：
1） 朱明達(dá) 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 電子系 教師
2） 王新鑫 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 信息與通信工程專業(yè) 碩21
3） 常嘉穎 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程專業(yè) 博23
4） 周浩宇 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 新一代電子信息技術(shù)（含量子技術(shù)等） 碩22
摘要:
本文提出了一種基于諧波混合和相位正交技術(shù)的改進(jìn)型相位生成載波反正切解調(diào)算法（PGC-Arctan-HP），它可以消除調(diào)制深度漂移、載波相位延遲和光強(qiáng)擾動(dòng)（LID）對(duì)解調(diào)結(jié)果的影響。仿真結(jié)果與理論分析一致，表明與其他解調(diào)算法相比，PGC-Arctan-HP 算法可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解調(diào)。干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)算法的解調(diào)波形相對(duì)穩(wěn)定，振幅誤差為0.0294%。總諧波失真（THD）和信噪比失真（SINAD）分別達(dá)到-60.0286 dB和59.5388 dB。
背景與動(dòng)機(jī):
光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎‵OIS）具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量范圍大等特點(diǎn)，已成為檢波器、水聽器和光纖陀螺儀等精密測(cè)量系統(tǒng)的傳感部分，被廣泛應(yīng)用于管道監(jiān)測(cè)、油氣勘探和水聲探測(cè)等領(lǐng)域。而光纖干涉?zhèn)鞲衅鳙@取的光強(qiáng)信號(hào)需要經(jīng)過(guò)一定的解調(diào)處理才能得到待測(cè)相移信號(hào)，相位生成載波（PGC）技術(shù)由于分辨率高、線性度好等優(yōu)勢(shì)，成為被廣泛使用的解調(diào)技術(shù)。
PGC解調(diào)技術(shù)先將高頻載波調(diào)制信號(hào)引入干涉儀，將頻率提升至高頻段，減少低頻噪聲，然后使用解調(diào)算法對(duì)調(diào)制后的干涉信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。然而，現(xiàn)有的解調(diào)算法受調(diào)制深度漂移、載波相位延遲和光強(qiáng)擾動(dòng)影響較大，導(dǎo)致系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性降低。因此，亟待對(duì)PGC解調(diào)算法進(jìn)行研究以消除三種因素的影響，提高系統(tǒng)整體性能。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
PGC-Arctan-HP解調(diào)算法原理圖如圖1所示。引入高頻余弦載波調(diào)制信號(hào)后，光電探測(cè)器檢測(cè)到的干涉信號(hào)可展開為
其中，直/交流分量A/B與輸入光功率有關(guān)；m為L(zhǎng)ID的振幅，ωn為L(zhǎng)ID的角頻率；C為調(diào)制深度，ωc為載波角頻率，θ為載波相位延遲；φ(t)是待測(cè)相移信號(hào)；Ji(C)為i階貝塞爾函數(shù)。
將干涉信號(hào)與載波調(diào)制信號(hào)的一至四次諧波正余弦分量相乘混頻，再經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，可以得到八個(gè)濾波信號(hào)，對(duì)其正弦和余弦分量進(jìn)行平方和開方操作，能夠消除載波相位延遲θ，得到
再將Q1(t)、Q3(t)和Q2(t)、Q4(t)分別相加再相除，相除結(jié)果與Q3(t)/Q2(t)結(jié)果相乘，得到
最后經(jīng)過(guò)開方、反正切、相位解卷繞及高通濾波后，可以得到待測(cè)相移信號(hào)φ(t)，消除了調(diào)制深度漂移、載波相位延遲及光強(qiáng)擾動(dòng)的影響。
圖1 PGC-Arctan-HP解調(diào)算法原理圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
為了評(píng)估所提出的PGC-Arctan-HP解調(diào)算法的性能，本文搭建了如圖2所示的馬赫-曾德干涉系統(tǒng)，并通過(guò)Matlab對(duì)此算法及PGC-DCM、PGC-Arctan典型算法以及其他改進(jìn)解調(diào)算法進(jìn)行了對(duì)比分析。
圖2 馬赫-曾德干涉儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) (a) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 (b) 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能對(duì)比如圖3、圖4和表1所示，相比之下，本文所提出的PGC-Arctan-HP算法能有效恢復(fù)待測(cè)相移信號(hào)。信噪比相比于PGC-DCM算法提升了30.7616 dB，相比于PGC-Arctan提升了21.6386 dB，能夠有效提升干涉系統(tǒng)的性能。
圖3 各算法的解調(diào)時(shí)域結(jié)果
圖4 各算法解調(diào)結(jié)果的功率譜密度
表1 算法性能對(duì)比表
結(jié)論:
本文提出了一種改進(jìn)的解調(diào)算法，消除了載波相位延遲、調(diào)制深度漂移和光強(qiáng)擾動(dòng)的影響，該算法無(wú)需進(jìn)行微積分運(yùn)算或增加額外的相位補(bǔ)償，也不會(huì)引入其他解調(diào)誤差，且簡(jiǎn)單可行，有利于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PGC-Arctan-HP 算法能準(zhǔn)確解調(diào)待測(cè)相移信號(hào)，解調(diào)精度高，時(shí)域穩(wěn)定性強(qiáng)，與其他算法相比性能更好，基于該算法的解調(diào)系統(tǒng)可以顯著提高光纖傳感器的性能。
作者簡(jiǎn)介:
朱明達(dá)，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院電子信息工程系教師。主要研究方向?yàn)殡娮訙y(cè)量技術(shù)與儀器、光纖傳感技術(shù)、油氣光學(xué)探測(cè)。