[发明专利]一种计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法

说明书

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法，该方法使用双通道分别检测干涉信号和附加伴生调幅的激光器输出信号，将激光器输出信号通道与本地无噪声的数字载波信号进行比较处理后获得激光器输出伴生调幅信号的强度和相位信息，根据该强度和相位信息在本地产生一个表征伴生调幅的数字参考信号，再使用另一通道检测出的干涉信号除以表征伴生调幅的本地数字信号，最终消除伴生调幅影响。该方法一方面可以抑制伴生调幅带来的谐波失真影响，另一方面可以避免将第2通道的噪声引入系统，这为基于低失真、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。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种计算与消除内调制PGC信号检测中伴生调幅的方法。

背景技术

干涉型光纤传感技术因其高灵敏度优势，长期为国内外军事和民用研究机构所重视，许多机构都投入了大量的人力物力来对其进行研究。在干涉型光纤传感技术的众多研究方向中，高稳定、低失真的信号检测技术是最为重要的研究方向，其对于在复杂多变的环境中有效地检测出相位信号具有重要的工程实践意义。

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，具有光学结构简单、易于复用、适用于远程大规模系统等优点，被国内外广泛应用。在PGC信号检测技术中，对激光器进行光频调制并结合非等臂干涉仪来产生相位载波，可以实现传感端无源，具有自主、远程、可控的巨大优势。然而，对激光器进行光频调制时，将不可避免地引入激光器输出光强的强度调制，这将在信号检测中引入谐波失真，导致信号检测幅度的不稳定输出。

近年来，一些研究者提出了多种方法来抑制光频调制附加的强度调制对信号检测的影响。文献1(Performance improvement of phase-generated carrier method byeliminating laser intensity modulation for optical seismometer，施清平等，Optical Engineering，2010年49卷2期)提出从干涉信号中除去提前测出的伴生调幅表达式来消除伴生调幅影响，但该文献中并没有给出伴生调幅表达式中各项参数的测量方法。文献2(一种消除伴生调幅的光源调频型相位生成载波解调方法，施清平等，光电子激光，2011年22卷2期)提出在3×2干涉仪的两路输出信号中加入PGC信号检测来消除伴生调幅的影响，使用文献2中所述的方法提高了每个干涉仪的输出光路数，使成阵列应用时系统硬件成本翻番，而且由于使用两个探测器探测的信号进行信号检测，导致第2个探测器的电路噪声不可避免地被引入信号检测中，这对于低噪声干涉传感不利。文献3(干涉型光纤传感器相位生成载波解调方法改进与研究，柏林厚等，光子学报，2005年34卷9期)提出使用三次谐波混频的方法抑制伴生调幅影响，文献指出，使用该方法稳定检测的最佳相位调制深度高达3.55(远高于正常PGC的2.63调制深度)，这要求激光器具有较高调制效率高或者干涉仪具有较大臂差，其中，高调制效率对激光器调谐性能要求太高，且高调制深度导致伴生调幅更加严重，而大臂差干涉仪则导致系统噪声的进一步提高，这对于低噪声干涉传感不利。文献4(一种消除伴生调幅影响的PGC解调方法，王燕等，激光与光电子学进展,2014,51(1):010605,网络出版:2013-12-26)同样提出使用三次谐波混频的方法抑制伴生调幅影响，该文献提出其所需的相位调制深度为1.7，由于三阶贝塞尔函数在1.7处取值较小(仅为0.085)，因此使用三阶混频时导致噪声对系统影响较大。文献5(Measurement of thephase shift between intensity and frequency modulations within DFB-LD and itsinfluences on PGC demodulation in a fiber-optic sensor system，Kai Wang等，Applied Optics，2013年52卷29期)、文献6(Phase modulation depth setting techniqueof a phase-generated-carrier under AOIM in fiber-optic interferometer withlaser frequency modulation，Yisi Dong等，Optics Express，2020年28卷21期)、文献7(中国发明专利申请，一种能够对伴生调幅进行消除的光纤干涉装置及方法，公开日：20191224)均提出使用双通道探测方法来抑制伴生调幅影响，其中一个通道探测干涉信号，另一个通道探测激光器输出，再对两路信号使用算法处理后消除伴生调幅影响，然而，与文献2类似，双通道信号加入信号检测将会使第2通道的噪声加入系统中，提高系统噪声。文献8(中国发明专利申请，相位生成载波反正切中载波相位延迟和伴生调幅消除方法，公开日：20200225)、文献9(中国发明专利申请，相位生成载波微分交叉相乘载波延迟和伴生调幅消除方法，公开日：20200225)提及根据低通滤波后的正交信号的非线性特征参数对残余初相位延迟和伴生调幅影响进行消除，其中非线性特征参数受到残余初相位延迟和伴生调幅影响两方面因素影响，两方面影响难以分离，且文献中并未公开使用非线性特征参数消除伴生调幅影响的具体实现方式。