一种改进的相位解调算法及装置的制作方法

本发明涉及光学干涉测量，特别是一种改进的相位解调算法及装置。

背景技术：

1、干涉式传感器利用相干光相遇时会发生干涉的原理制作而成。相位生成载波调制解调技术具有线性度好、动态范围大、测量相位的精度高的优点，被广泛应用于光纤水听器、加速度计、磁力计和大规模干涉光纤传感器阵列。以迈克尔逊光纤传感器为例，当光纤长度或纤芯折射率发生变化时，会引入相位延迟，导致干涉仪检测到的相位发生变化。

2、最经典的相位生成载波调制解调技术有微分交叉相乘算法（pgc-dcm）和反正切算法（pgc-arctan）。其中，pgc-dcm算法首先从干涉信号中提取正交信号，再利用微分器、乘法器、积分器等运算解调出待测相位，其基本原理是对干涉信号的频率依次低通滤波、微分、交叉相乘、作差、积分、高通滤波解调其中的被测信号，而光源功率波动、载波相位延迟和调制深度均会对解调的精度产生影响；pgc-arctan算法同样需要先获得正交信号，再利用除法器、反正切运算、积分器等运算解调出待测信号，pgc-arctan算法虽然不受光源功率波动和调制深度的影响，但是载波相位延迟同样会影响待测信号。

3、对比可以看出，pgc-dcm运算结果与待测相位呈线性关系，但容易受到光源功率波动、相位延迟和调制深度均会对解调的精度产生影响。pgc-arctan算法省去了微分交叉相乘、相减、积分等较为复杂的运算，消除了光源功率波动影响，但仍受到相位延迟和调制深度的影响，且反正切运算会引入非线性误差。

4、鉴于此，针对pgc解调中的相位延迟问题，本发明通过正交信号提取出相位延迟项，再利用除法器消除正交信号中的相位延迟项，结合贝塞尔递推公式，消除光源功率波动、相位延迟和调制深度对待测信号的影响；解调算法本身未引入反正切运算，解调结果不会引入非线性失真；本发明算法的解调结果不含光强b和相位延迟，可有效抑制光源功率波动和相位延迟引起的信号失真，比pgc-dcm算法和pgc-arctan算法更稳定，解调精确度更高。

技术实现思路

1、针对上述问题，提供一种改进的相位解调算法及装置，通过正交信号提取出相位延迟项，再通过除法器消除正交信号中的相位延迟项；再利用贝塞尔递推公式，可消除光源功率波动、相位延迟和调制深度对待测信号的影响。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是。

3、一种改进的相位解调算法，包括以下步骤：

4、步骤1：干涉仪输出的干涉光信号的电流表达式为

5、

6、其中， a为干涉信号的直流量； b为光强度，其中 b= ka，（0< k<1）， k为干涉条纹可见度； c为调制深度，是所述干涉仪引入的相位载波幅值； ω0为调制信号的频率；为相位延迟，为待测相位；

7、步骤2：通过贝塞尔函数对步骤1的电流表达式进行展开，可得电流展开式如下

8、

9、其中， j n ( c)为n阶贝塞尔函数；

10、步骤3: 将步骤2的电流展开式分别乘以 sinw0 t、 cosw0 t和 sin2 w0 t、 cos2 w0 t，再分别经积化和差公式化简后，经低通滤波分别滤除所有含 w0及其倍频项，得到

11、

12、步骤4：对步骤3中的 x11和 x12、 y11和 y12分别平方并相加可得

13、

14、

15、步骤5：对步骤4中的和分别进行开方后再取绝对值，可得：

16、

17、步骤6：将步骤2中的 x12、 y12分别与步骤5中的 x21、 y21对应相除，可得

18、

19、

20、步骤7：将步骤6中的、分别与步骤2中的 x12、 y12对应相除，可得

21、

22、

23、步骤8：对步骤2中的电流展开式进行低通滤波，以滤除所有含 w0及其倍频项，得到

24、

25、步骤9：对步骤7中的y和步骤8中的z分别求偏导，可得：

26、

27、步骤10：将步骤9中的、分别除以步骤7中的 x，可得

28、

29、

30、步骤11：将步骤10中的和相减，可得

31、

32、步骤12：通过贝塞尔递推公式对步骤11中的进行化简，可得

33、

34、步骤13：对步骤12中的依次进行积分和高通滤波后，得到的解调结果 i out为：

35、

36、其中， c为定值，则为常数，且解调结果 i out不含光强度 b和相位延迟，可有效抑制光源功率波动和相位延迟引起的信号失真。

37、优选的，所述步骤2中的贝塞尔函数为

38、

39、其中， j n ( c)为n阶贝塞尔函数。

40、优选的，所述步骤3中的积化和差公式为

41、

42、

43、其中， α、 β为角度，无物理学含义。

44、优选的，所述步骤12中的贝塞尔递推公式为

45、

46、其中， j n ( x)为n阶贝塞尔函数。

47、一种相位解调装置，包括激光器、环形器、1x2耦合器、非平衡式干涉仪、光电探测器、数据采集卡和信号处理模块；所述激光器产生的激光依次经环形器、1x2耦合器后进入非平衡式干涉仪，经所述非平衡式干涉仪探测外界振动信号后返回至1x2耦合器，并在1x2耦合器内产生干涉光信号，所述干涉信号经环形器和光电探测器后被数据采集卡采集，并输出至数据处理模块，由数据处理模块解调出外界振动信号。

48、优选的，所述非平衡式干涉仪包括传感臂、参考臂、法拉第旋转镜一和法拉第旋转镜二；所述传感臂和参考臂的臂长不同。

49、优选的，所述激光器产生的激光依次经环形器、1x2耦合器后分束为测量光和参考光，所述测量光依次经传感臂、法拉第旋转镜一反射后沿传感臂输出至1x2耦合器，所述参考光依次经参考臂、法拉第旋转镜二反射后沿参考臂输出至1x2耦合器，经反射后的测量光与参考光在1x2耦合器处发生干涉并生成干涉光信号，所述干涉光信号依次经环形器、光电探测器和数据采集卡后进入信号处理模块，由信号处理模块解调出外界振动信号。

50、由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果。

51、（1）本发明通过正交信号提取出相位延迟项，再通过除法器消除正交信号中的相位延迟项；再利用贝塞尔递推公式，可消除光源功率波动、相位延迟和调制深度对待测信号的影响。

52、（2）本发明通过改进的相位解调算法解调出外界的振动信号，解调结果中不含有光强度 b和相位延迟，可有效抑制光源功率波动和相位延迟引起的信号失真，比pgc-dcm算法和pgc-arctan算法更高的稳定性。

53、（3）与pgc-dcm算法和pgc-arctan算法相比，本发明的解调结果的 c为定值，即2/ c为固定的系数，解调结果不含光强度 b，可消除光源功率波动对解调精度的影响；且算法本身未引入反正切运算，解调结果不会引入非线性失真；同时本发明通过除法器消除正交信号中的相位延迟，可有效抑制相位延迟引起的信号失真，解调精度和稳定性更高。

54、（4）本发明利用正交信号可以相互独立的特性，从干涉信号中提取出相位延迟项，为后续消除相位延迟的影响提供基础；通过除法运算消除正交信号中的相位延迟项，减少相位延迟对解调结果的影响，提高解调算法的精度和稳定性；本发明利用贝塞尔函数的性质，通过递推公式处理信号，消除光源功率波动、相位延迟和调制深度的影响，进而消除非线性失真，可显著提高解调算法的稳定性和准确性。并广泛应用于工业检测、环境监测、医疗设备、通信系统、导航系统、遥感技术等领域。