基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法

摘要

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法。该方法利用PGC信号检测中当初相位为2kπ时附加噪声最小的特性，使用3×2干涉仪作为传感干涉仪，将干涉仪输出的两路干涉信号合成为一个初相位始终为2kπ的干涉信号，从而将干涉信号初相位设置在2kπ处，此时由PGC信号检测产生的附加相位噪声始终处于最低水平，达到抑制PGC信号检测附加噪声的目的，这为基于低噪声PGC信号检测的干涉型光纤传感技术的应用打下坚实基础。

权利要求

1.一种基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：从数字采集系统获取第1路数字信号、第2路数字信号、第3路数字信号，任意使用其中两路作为第1干涉信号V1和第2干涉信号V2；

第1干涉信号V1可表示为：V1＝A1+B1cos(Ccosω0t+φ0)；

第2干涉信号V2可表示为：V2＝A2+B2cos(Ccosω0t+φ0+φd)；

其中，A1、A2为干涉信号直流光强经光电转换而成的数字直流量，B1、B2为干涉信号交流幅度经光电转换而成的数字交流量，C为相位载波调制深度，ω0为相位载波调制频率，φ0为干涉信号初相位，φd为第1干涉信号与第2干涉信号之间的固定相位差；

S2：对第1干涉信号V1和第2干涉信号V2采用标定方法，获得A1、A2、B1、B2和φd五项参数；

S3：对第1干涉信号V1使用信号检测方法，解调出所述干涉信号初相位φ0；

S4：对第1干涉信号V1使用去除直流交流方法获得第1归一化交流干涉信号Vac1，对第2干涉信号V2使用去除直流交流方法获得第2归一化交流干涉信号Vac2；

第1归一化交流干涉信号Vac1可表示为：Vac1＝cos(Ccosω0t+φ0)；

第2归一化交流干涉信号Vac2可表示为：Vac2＝cos(Ccosω0t+φ0+φd)；

S5：使用线性叠加方法得到初相位置零的合成干涉信号V，具体如下：S5.1：计算出线性叠加系数K1＝sin(φ0+φd)/sinφd和K2＝‑sinφ0/sinφd；

S5.2：按照V＝K1Vac1+K2Vac2计算出所述初相位为0的合成干涉信号V：V＝cos(Ccosω0t+

2kπ),k为整数；

S6：对合成干涉信号V采用PGC信号检测，检测出相位信号。

2.一种根据权利要求1所述基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法，其特征在于：步骤S2中所述标定方法为椭圆拟合标定方法。

3.一种根据权利要求1所述基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法，其特征在于：步骤S3中，也可以对第2干涉信号V2使用信号检测方法，解调出所述干涉信号初相位φ0。

4.一种根据权利要求1或3所述基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法，其特征在于：步骤S3中，信号检测方法包括PGC信号检测方法或3×3信号检测方法。

5.一种根据权利要求1所述基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法，其特征在于：步骤S4中所述去除直流交流方法具体为：使用所述第1干涉信号V1减去A1后除以B1获得所述第1归一化交流干涉信号Vac1，使用所述第2干涉信号V2减去A2后除以B2获得所述第2归一化交流干涉信号Vac2。

6.一种根据权利要求1所述基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法，其特征在于：所述方法可用于基于利用光纤3×2迈克尔逊干涉仪进行3×3信号检测的装置。

7.一种根据权利要求1所述基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法，其特征在于：所述方法也可用于基于利用光纤3×2马赫曾德尔干涉仪系统进行3×3信号检测的装置。

说明书

基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法

技术领域

[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法。

背景技术

[0002] 干涉型光纤传感技术因其高灵敏度优势长期为国内外研究机构所重视，许多机构都投入了大量的人力和物力来对其进行研究。相位载波调制解调技术(phase generated carrier，PGC)是一种在干涉型光纤传感系统中常用的信号检测技术，其具有光学结构简单、易于复用、适用于远程大规模成阵等优点，被国内外广泛应用。在干涉型光纤传感系统信号检测方法的各种技术指标中，相位噪声是一项重要的技术指标，其关系到传感系统可以传感的最小信号，因此，抑制PGC信号检测中的相位噪声，对于使用PGC信号检测方法在微弱信号探测领域的应用具有重要意义。

[0003] 多年来，一些研究者提出了多种方法来抑制PGC信号检测方法中的相位噪声。文献1(光纤水听器系统噪声分析及抑制技术研究，梁迅，国防科学技术大学博士论文，2008年)针对干涉型光纤传感系统中采用的环形腔光纤激光器的弛豫振荡进行了深入理论研究和试验测试，分析了弛豫振荡对PGC噪声的影响，提出通过改变噪声峰的位置，降低噪声对系统噪声影响，该方法使弛豫振荡峰减小25dB以上，大幅降低了由激光器弛豫振荡导致产生的噪声。文献2(Acousto‑optic modulation induced noises on heterodyne‑interrogated interferometric fiber‑optic sensors，Liu Fei等，Journal of Lightwave Technology，2018年36卷16期)深入研究了由声光调制器相对声光散射效率波动引起的光脉冲强度噪声，提出改变驱动功率至其饱和功率可以将该噪声降低约5dB。文献
3(Theoretical and experimental study of suppressing stimulated Brillouin scattering and phase noise in interferometric fiber sensing systems with phase modulation，Xiaoyang Hu等，Applied Optics，2015年54卷8期)则提出使用相位调制法对远程传输干涉型光纤传感系统中非线性效应产生的相位噪声进行抑制。以上文献均是针对于相位噪声源本身进行抑制。

[0004] 在光纤传感系统中，有些噪声很难从噪声源予以抑制或消除，比如光缆传输噪声、偏振噪声、声光调制器相位噪声等。然而，当在系统中引入一个与传感干涉仪光学结构完全相同的声不敏感参考干涉仪，并予以完全相同的信号检测后，上述的噪声对于传感干涉仪和参考干涉仪而言即属于共模噪声，当选用合适的抵消方法后，便可有效地抑制此类共模噪声对系统相位噪声的影响。文献4(光纤矢量水听器系统本底噪声的自适应抵消，吴艳群等，中国激光，2011年38卷3期)提出使用自适应抵消的方法抑制共模的相位噪声。文献5(Common‑Mode Noise Suppression Technique in Interferometric Fiber‑Optic Sensors，Liu Fei等，Journal of Lightwave Technology，2019年37卷21期)提出使用一个3×2干涉仪作为参考干涉仪，使用3×2干涉仪3路输出具有固定120度相位差的特性，利用三路输出合成出与传感干涉仪同相位的干涉信号，将两者解调输出直接相减从而抑制共模噪声源对系统噪声的影响，该方法中并未考虑PGC信号检测中由信号检测方法自身所产生的附加噪声抑制问题，同时，该方法对一个传感器基元使用了4路信号来抑制共模噪声源的影响，对光纤传输线路数量要求较高，虽然该文献中使用了时分复用方法使光纤传输线路数量降低为1根，但1个传感器基元仍然需要占用时分复用的4个时序，不利于光纤传感器阵列复用规模的提升。

[0005] 可以看出，以上噪声抑制方法均是从噪声源(该噪声源为系统本身就存在的、与信号检测方法无关的噪声成分)角度对噪声进行抑制。然而，在实际情况中，不仅系统本身存在的噪声源会引入系统相位噪声，信号检测方法自身也会通过解调过程导致相同噪声源的多次叠加，从而产生由信号检测方法引起的附加相位噪声，该附加相位噪声独立于各类噪声源的影响之外，同样对系统噪声本底产生影响，因此也需要进行针对性地抑制。目前，针对PGC信号检测方法中附加相位噪声的抑制方法鲜见报道。

发明内容

[0006] 针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法。该方法利用PGC信号检测中当初相位为2kπ(k为整数)时附加噪声最小的特性，使用3×2干涉仪作为传感干涉仪，将干涉仪输出的两路干涉信号合成为一个初相位始终为2kπ(k为整数)的干涉信号，从而将干涉信号初相位设置在2kπ(k为整数)处，达到抑制PGC信号检测附加噪声的目的，这为基于低噪声PGC信号检测的干涉型光纤传感技术的应用打下坚实基础。

[0007] 为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

[0008] 一种基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法，包括以下步骤：

[0009] S1：获取第1路信号、第2路信号、第3路信号，任意使用其中两路作为第1干涉信号V1和第2干涉信号V2；

[0010] 第1干涉信号V1可表示为：V1＝A1+B1 cos(Ccosω0t+φ0)；

[0011] 第2干涉信号V2可表示为：V2＝A2+B2 cos(Ccosω0t+φ0+φd)；

[0012] 其中，A1、A2为干涉信号直流光强经光电转换而成的直流量，B1、B2为干涉信号交流幅度经光电转换而成的交流量，C为相位载波调制深度，ω0为相位载波调制频率，φ0为干涉信号初相位，干涉信号初相位随时间慢漂，短时间干涉信号初相位可认为是恒定量，φd为第1干涉信号与第2干涉信号之间的固定相位差。对于理想3×2干涉仪，固定相位差φd为120°，但实际的3×2干涉仪由于3×3耦合器分光比不均匀性等原因，φd通常稍偏离120°。

[0013] S2：对第1干涉信号V1和第2干涉信号V2采用标定方法，获得A1、A2、B1、B2和φd五项参数。

[0014] S3：对第1干涉信号V1使用信号检测方法，解调出所述干涉信号初相位φ0；

[0015] S4：对第1干涉信号V1使用去除直流交流方法获得第1归一化交流干涉信号Vac1，对第2干涉信号V2使用去除直流交流方法获得第2归一化交流干涉信号Vac2；

[0016] 第1归一化交流干涉信号Vac1可表示为：Vac1＝cos(Ccosω0t+φ0)；

[0017] 第2归一化交流干涉信号Vac2可表示为：Vac2＝cos(Ccosω0t+φ0+φd)；

[0018] S5：使用线性叠加方法得到初相位置零的合成干涉信号V，具体如下：

[0019] S5.1：计算出线性叠加系数K1＝sin(φ0+φd)/sinφd和K2＝‑sinφ0/sinφd；

[0020] S5.2：按照V＝K1Vac1+K2Vac2计算出所述初相位为0的合成干涉信号V：

[0021] V＝cos(Ccosω0t+2kπ)。

[0022] S6：对合成干涉信号V采用PGC信号检测，检测出相位信号。

[0023] 优选地，步骤S2中所述标定方法为椭圆拟合标定方法(具体参见一种基于光频调制的3×3耦合器光电检测方法与装置，公开日：2020‑12‑18)。

[0024] 优选地，步骤S3中，也可以对第2干涉信号V2使用信号检测方法，解调出所述干涉信号初相位φ0；

[0025] 优选地，步骤S3中，信号检测方法包括PGC信号检测方法或3×3信号检测方法；

[0026] 优选地，步骤S4中所述去除直流交流方法具体为：使用所述第1干涉信号V1减去A1后除以B1获得所述第1归一化交流干涉信号Vac1，使用所述第2干涉信号V2减去A2后除以B2获得所述第2归一化交流干涉信号Vac2。

[0027] 优选地，本发明所述方法可用于基于利用光纤3×2迈克尔逊干涉仪进行PGC信号检测的装置。

[0028] 优选地，本发明所述方法也可用于基于利用光纤3×2马赫曾德尔干涉仪系统进行PGC信号检测的装置。

[0029] 本发明可以达到以下技术效果：

[0030] (1)本法明提供的一种基于初相位置零的抑制PGC信号检测附加相位噪声的方法，能够将干涉信号初相位置零在2kπ处，此时由PGC信号检测产生的附加相位噪声始终处于最低水平，从而达到抑制PGC信号检测产生的附加相位噪声的目的。

[0031] (2)本发明充分考虑了实际使用的3×2干涉仪的非对称性对初相位置零结果的影响，使用椭圆拟合方法对3×2干涉仪进行参数标定，并使用标定的参数进行初相位置零运算，因此，初相位置零更加准确。

[0032] (3)使用3×2干涉仪三路输出中的两路即可合成初相位置零的干涉信号，相比使用三路输出锁定相位的技术降低了对光纤传输线路数量的要求，有利于传感器的大规模复用以及传感器阵列规模的提升。

附图说明

[0033] 图1为本发明所述方法的流程图；

[0034] 图2为本发明中PGC‑Atan信号检测技术流程示意图；

[0035] 图3为本发明中经PGC信号检测后输出相位噪声随干涉信号初相位的理论曲线与实验测得值；

[0036] 图4为本发明所依托的装置示意图；

[0037] 图5为本发明提供的方法合成出的干涉信号与初相位为0的干涉信号对比图。

具体实施方式

[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0039] 针对现有技术在干涉型光纤传感技术中的缺陷和需求，本发明提出一种基于初相位置零的PGC信号检测附加相位噪声的抑制方法，按照如图1所示的流程将干涉信号初相位控制在2kπ附近，使PGC信号检测引入的附加相位噪声处于最低状态，从而达到抑制该附加相位噪声的目的。

[0040] 本发明基于以下原理：在应用PGC信号检测技术的干涉型光纤传感系统中，含有噪声的干涉信号表达式为：

[0041] V＝A[1+nM(t)]{1+υcos[Ccosω0t+φ0+nP(t)]}+nA(t)           (1)[0042] 式中，A为干涉信号的直流幅度，υ为干涉条纹可见度；C为相位载波调制深度，在PGC‑Atan信号检测中应为2.63；φ0为干涉信号初相位，nM(t)为乘性强度源噪声时域表达式，nP(t)为相位噪声源噪声时域表达式，nA(t)为加性强度噪声源时域表达式。经过图2示出的PGC‑Atan信号检测技术后，系统输出本底相位噪声的功率谱密度可以用公式(2)来表达：

[0043]

[0044] 式中，H(ω)为低通滤波器的传递函数，在截止频率范围内取值为1；J1是J1(C)的简写，为一阶第一类贝塞尔函数在C值处的取值；PP(ω)为相位噪声源的功率谱密度在ω处的取值，PP(ω0+ω)为相位噪声源的功率谱密度在ω0+ω处的取值，PA(ω0+ω)为加性强度噪声源的功率谱密度在ω0+ω处的取值，PM(ω0+ω)为乘性强度噪声源的功率谱密度在ω0+ω处的取值。式中， 为相位噪声源高频噪声的叠加系数， 为加性强度噪声源高频噪声的叠加系数，二者可以用公式(3)和公式(4)分别表示：

[0045]

[0046]

[0047] 可以看出叠加系数主要和干涉信号初相位φ0相关，只有乘性强度噪声的前两项叠加系数与干涉条纹可见度υ，但在一般情况下υ均接近1，因此叠加系数主要和干涉信号初相位相关。从式(2)可以看出，PGC‑Atan信号检测输出的本底相位噪声功率谱密度除了包含相位噪声源的功率谱密度，还包括了三种噪声源的高频成分的叠加，该叠加部分产生的附加相位噪声即为PGC信号检测引入的附加相位噪声。

[0048] 图3示出了根据公式(2)作出的噪声随干涉信号初相位的理论曲线以及测得噪声与干涉信号初相位的实验关系图。其中左图为相位噪声源影响占据主导时的噪声输出，其实验条件和仿真参数均为：H(ω)为1，ω为2π×3kHz，ω0为2π×25kHz，A为0.68，υ为0.98，PP(ω)和PP(ω+ω0)的平均值为 PA(ω0+ω)的平均值为‑144.5dB 2
re 1V /Hz，PM(ω0+ω)的平均值为‑144.2dB re 1/Hz。右图为强度噪声源影响占据主导时的噪声输出，其实验条件和仿真参数均为：H(ω)为1，ω为2π×3kHz，ω0为2π×25kHz，A为
20.05，υ为0.98，PP(ω)和PP(ω+ω0)的平均值为 PA(ω0+ω)的平均值
2
为‑116.8dB re 1V/Hz，PM(ω0+ω)的平均值为‑117.2dB re 1/Hz。可以看出，无论是相位噪声源影响占据主导还是强度噪声源影响占据主导，当干涉信号初相位为2kπ时，系统输出的相位噪声均处于各种初相位条件下的最低状态。若能够将干涉信号初相位设置在2kπ处，可以将PGC信号检测引入的附加相位噪声抑制在较低水平。

[0049] 本发明的一个实施方式依托图4示出的光纤3×2迈克尔逊干涉仪装置进行PGC信号检测，利用3×2干涉仪的三路输出具有固定相位差的特点，使用其中两路合成一个初相位为0的干涉信号，从而将干涉信号初相位始终锁定在0处，其具体步骤如下：

[0050] S1：获得第1干涉信号V1和第2干涉信号V2。其中，第1干涉信号V1可表示为V1＝A1+B1cos(Ccosω0t+φ0)，第2干涉信号V2可表示为V2＝A2+B2cos(Ccosω0t+φ0+φd)。其中，A1、A2为干涉信号直流光强经光电转换而成的直流量，B1、B2为干涉信号交流幅度经光电转换而成的交流量，C为相位载波调制深度，ω0为相位载波调制频率，φ0为干涉信号初相位，干涉信号初相位随时间慢漂，短时间干涉信号初相位可认为为恒定量，φd为第1干涉信号与第2干涉信号之间的固定相位差。对于理想3×2干涉仪，固定相位差φd为120°，但实际的3×2干涉仪由于3×3耦合器分光比不均匀性等原因，φd通常稍偏离120°。

[0051] S2：对第1干涉信号V1和第2干涉信号V2进行椭圆拟合，获得A1、A2、B1、B2和φd五项参数。

[0052] S3：对第1干涉信号V1使用PGC信号检测方法，检测出干涉信号初相位φ0；

[0053] S4：使用第1干涉信号V1减去A1后除以B1获得第1归一化交流干涉信号Vac1，使用第2干涉信号V2减去A2后除以B2获得第2归一化交流干涉信号Vac2。其中，第1归一化交流干涉信号Vac1可表示为Vac1＝cos(Ccosω0t+φ0)，第2归一化交流干涉信号Vac2可表示为Vac2＝cos(Ccosω0t+φ0+φd)；

[0054] S5：使用线性叠加系数K1＝sin(φ0+φd)/sinφd和K2＝‑sinφ0/sinφd按照V＝K1Vac1+K2Vac2计算即可得到初相位为0的合成干涉信号V，所述初相位为0的合成干涉信号V的表达式为V＝cos(Ccosω0t)。

[0055] 对本发明提出的相位锁定方法进行仿真。仿真中，设V1中的各项参数为A1＝1，B1＝0.98，C＝2.63，φ0＝0.3rad(约对应17°)，ω0为2π×25kHz；V2中各项参数为A2＝1，B2＝
0.97，C＝2.63，φ0＝0.3rad，φd＝2.13rad(约对应122°)，ω0为2π×25kHz。经椭圆拟合测出A1、A2、B1、B2和φd五项参数并去除交流、直流量后，可得第1归一化交流干涉信号Vac1为Vac1＝cos(Ccosω0t+0.3)，第2归一化交流干涉信号Vac2为Vac2＝cos(Ccosω0t+2.43)。根据K1＝sin(φ0+φd)/sinφd和K2＝‑sinφ0/sinφd计算出的线性叠加系数为K1＝0.7704，K2＝‑
0.3486。最后根据表达式合成的信号为Vsyn＝K1Vac1+K2Vac2＝0.7704cos(Ccosω0t+0.3)‑
0.3486cos(Ccosω0t+2.43)。作出合成出的信号Vsyn的时域图以及期望合成的初相位为0的干涉信号V＝cos(Ccosω0t)时域图，结果在图5中示出。从图中可以看出，使用本发明提供的方法合成出的信号Vsyn与期望合成的初相位为0的干涉信号V具有较好的一致性。也就是说，使用本发明提供的方法可以有效地将干涉信号初相位设置在2kπ处，从而抑制由PGC信号检测引入的附加相位噪声。

[0056] S6：对合成干涉信号V采用PGC信号检测，检测出相位信号。