一种PGC相位解调法中调制深度的提取与补偿方法转让专利
申请号 : CN202010397279.7
文献号 : CN111609791B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 严利平 , 陈本永 , 张倚得 , 谢建东
申请人 : 浙江理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种PGC相位解调法中调制深度的提取与补偿方法,其特征在于:(1)采样获得正弦相位调制干涉信号S(t),表达式如下:其中,A为正弦相位调制干涉信号的幅值,m为调制深度,J0(m)为零阶第一类贝塞尔函数,J2n(m)和J2n‑1(m)分别为偶数阶和奇数阶第一类贝塞尔函数,n表示阶数,ωc为正弦相位调制干涉信号的角频率, 为t时刻的待测相位,t表示时间;
(2)数字频率合成器产生的一阶参考信号(sinωct)、二阶参考信号(cos2ωct)、三阶参考信号(sin3ωct)分别与正弦相位调制干涉信号S(t)相乘,并分别进行低通滤波,得到三个关于待测相位 的谐波幅值信号I1、I2、I3:其中,LPF[]表示低通滤波运算,I1、I2、I3分别表示谐波幅值信号的一阶幅值分量、二阶幅值分量、三阶幅值分量;
谐波幅值信号I1、I2、I3经过微分运算后分别得到谐波微分信号D1、D2、D3:其中, 为待测相位 对时间t的偏微分,D1、D2、D3分别表示谐波微分信号的一阶微分分量、二阶微分分量、三阶微分分量;
(3)利用谐波幅值信号I1、I2、I3以及谐波微分信号D1、D2、D3构建出调制深度的计算公式如下:
其中,分子分母在一些小概率的特定情况下会出现同时为零情况,此时不进行计算;
(4)运用谐波幅值信号I1、I2、I3及计算得到的调制深度m运算得到新谐波幅值信号(W1,W2),公式分别如下:
其中,W1、W2分别表示新谐波幅值信号的正弦幅值分量和余弦幅值分量;
(5)运用步骤4)求得的不受调制深度m影响的新谐波幅值信号(W1,W2)采用以下公式求得待测相位
以待测相位 作为准确的解调结果,至此实现对PGC解调中调制深度的提取与补偿。
2.根据权利要求1所述的一种PGC相位解调法中调制深度的提取与补偿方法,其特征在于:所述方法采用以下系统,第一乘法器(4)、第二乘法器(5)、第三乘法器(6)的输入端均连接数字干涉信号,第一数字频率合成器(1)、第二数字频率合成器(2)、第三数字频率合成器(3)的输出端分别连接至第一乘法器(4)、第二乘法器(5)和第三乘法器(6)的输入端;第一乘法器(4)的输出端经第一低通滤波器(7)分别连接至第一微分运算器(10)的输入端、第五乘法器(14)的输入端和第二加法器(24)的输入端,第二乘法器(5)的输出端经第二低通滤波器(8)后分别连接至第二微分运算器(11)的输入端、第四乘法器(13)的输入端和四倍乘法器(23)的输入端,第三乘法器(6)的输出端经第三低通滤波器(9)后分别连接至第三微分运算器(12)的输入端、第六乘法器(15)的输入端、第七乘法器(16)的输入端和第二加法器(24)的输入端;第一微分运算器(10)的输出端分别连接至第五乘法器(14)的输入端和第七乘法器(16)的输入端,第二微分运算器(11)和第三微分运算器(12)的输出端分别连接至第四乘法器(13)的输入端和第六乘法器(15)的输入端,第七乘法器(16)的输出端经倍乘器(17)后与第五乘法器(14)和第六乘法器(15)的输出端一起均连接至第一加法器(19)的输入端,第四乘法器(13)的输出端经负十六倍乘法器(18)后与第一加法器(19)的输出端一起连接至除法器(20)的输入端,除法器(20)的输出端依次经绝对值运算器(21)和开方运算器(22)后与第二加法器(24)的输出端一起连接至第八乘法器(25)的输入端,四倍乘法器(23)的输出端和第八乘法器(25)的输出端均一起连接至反正切运算器(26)的输入端,反正切运算器(26)的输出端输出解调结果。
3.根据权利要求1所述的一种PGC相位解调法中调制深度的提取与补偿方法,其特征在于:所述的正弦相位调制干涉信号来源于正弦相位调制干涉仪,为正弦相位调制干涉仪的光电探测器探测获得的电信号。
说明书 :
一种PGC相位解调法中调制深度的提取与补偿方法
技术领域
背景技术
算法(PGC‑DCM)和反正切算法(PGC‑Arctan)。PGC‑DCM法通过对正交分量进行微分交叉相乘
和积分等运算获得待测相位,这种方法的测量结果容易受到激光器光强、载波相位延迟、调
制深度波动的影响。PGC‑Arctan法通过对正交分量进行除法以及反正切运算获得待测相
位,消除了激光器光强扰动对测量结果的影响,但仍然会受到载波相位延迟与调制深度波
动的影响。其中调制深度的波动会对测量结果造成较大的影响。对于PGC‑Arctan算法,调制
深度应保持在理想值2.63rad,但在实际中,调制深度会随环境变化出现一定的漂移,现有
方法难以实现调制深度的实时补偿,当调制深度偏离理想值2.63时,将会出现非线性误差,
这限制了测相精度的提高。
发明内容
位解调技术中调制深度波动带来的非线性误差难以实时补偿的问题,在振动测量等相位正
弦变化的测量领域中效果显著,提高了相位测量精度,可广泛应用于干涉型光纤传感器、正
弦相位调制干涉技术领域。
相位调制干涉信号的角频率, 为t时刻的待测相位,t表示时间;
三个关于待测相位 的谐波幅值信号I1、I2、I3:
端分别连接至第一乘法器、第二乘法器和第三乘法器的输入端;第一乘法器的输出端经第
一低通滤波器分别连接至第一微分运算器的输入端、第五乘法器的输入端和第二加法器的
输入端,第二乘法器的输出端经第二低通滤波器后分别连接至第二微分运算器的输入端、
第四乘法器的输入端和四倍乘法器的输入端,第三乘法器的输出端经第三低通滤波器后分
别连接至第三微分运算器的输入端、第六乘法器的输入端、第七乘法器的输入端和第二加
法器的输入端;第一微分运算器的输出端分别连接至第五乘法器的输入端和第七乘法器的
输入端,第二微分运算器和第三微分运算器的输出端分别连接至第四乘法器的输入端和第
六乘法器的输入端,第七乘法器的输出端经倍乘器后与第五乘法器和第六乘法器的输出端
一起均连接至第一加法器的输入端,第四乘法器的输出端经负十六倍乘法器后与第一加法
器的输出端一起连接至除法器的输入端,除法器的输出端依次经绝对值运算器和开方运算
器后与第二加法器的输出端一起连接至第八乘法器的输入端,四倍乘法器的输出端和第八
乘法器的输出端均一起连接至反正切运算器的输入端,反正切运算器的输出端输出解调结
果。
术领域。
附图说明
三低通滤波器,10、第一微分运算器,11、第二微分运算器,12、第三微分运算器,13、第四乘
法器,14、第五乘法器,15、第六乘法器,16、第七乘法器,17、倍乘器,18、负十六倍乘法器,
19、加法器,20、除法器,21、绝对值运算器,22、开方运算器,23、四倍乘法器,24、第二加法
器,25、第八乘法器,26、反正切运算器。
具体实施方式
合成器3的输出端分别连接至第一乘法器4、第二乘法器5和第三乘法器6的输入端;第一乘
法器4的输出端经第一低通滤波器7分别连接至第一微分运算器10的输入端、第五乘法器14
的输入端和第二加法器24的输入端,第二乘法器5的输出端经第二低通滤波器8后分别连接
至第二微分运算器11的输入端、第四乘法器13的输入端和四倍乘法器23的输入端,第三乘
法器6的输出端经第三低通滤波器9后分别连接至第三微分运算器12的输入端、第六乘法器
15的输入端、第七乘法器16的输入端和第二加法器24的输入端。
入端和第六乘法器15的输入端,第七乘法器16的输出端经倍乘器17后与第五乘法器14和第
六乘法器15的输出端一起均连接至第一加法器19的输入端,第四乘法器13的输出端经负十
六倍乘法器18后与第一加法器19的输出端一起连接至除法器20的输入端,除法器20的输出
端依次经绝对值运算器21和开方运算器22后与第二加法器24的输出端一起连接至第八乘
法器25的输入端,四倍乘法器23的输出端和第八乘法器25的输出端均一起连接至反正切运
算器26的输入端,反正切运算器26的输出端输出解调结果。
考载波信号频率的十倍,数字干涉信号S(t)的表达式为:
的角频率, 为t时刻的待测相位,t表示时间;
分别通过第一乘法器4、第二乘法器5和第三乘法器6与正弦相位调制数字干涉信号S(t)相
乘,并分别通过第一低通滤波器7、第二低通滤波器8和第三低通滤波器9进行低通滤波,得
到三个关于待测相位 的谐波幅值信号I1、I2、I3:
乘后输入到第一加法器19,三阶谐波幅值信号I3和三阶谐波微分信号D3通过第六乘法器15
相乘后输入到第一加法器19,三阶谐波幅值信号I3和一阶谐波微分信号D1通过第七乘法器
16相乘后经倍乘器17输入到第一加法器19,第一加法器将三路输入相加后输入到除法器
20,除法器20的输出经绝对值运算器21和开方运算器22后得到调制深度m,公式如下:
度的提取与补偿方法和传统的PGC‑Arctan方法对待测相位进行解调,最终得到如图2所示
的实验数据。图2所示的数据中,红线表示未补偿调制深度的PGC‑Arctan相位解调算法测量
的相位与待测相位的差值(包含非线性误差)。显然该非线性误差随着待测相位呈现正弦规
律变化,峰峰值约为28°。蓝线所示为本发明提出的PGC相位解调法中调制深度的提取与补
偿方法测量的相位与待测相位的差值,显然该结果不存在非线性误差并且几乎等于零(误
差小于0.1°)。该实验数据表明本发明提出的PGC相位解调法中调制深度的提取与补偿方法
可以有效消除由调制深度带来的非线性误差,实现高精度的相位解调。
消除了调制深度对PGC解调结果的影响,提高了相位解调精度。
围。