中文題目：適用于光纖干涉式傳感器的改進PGC解調算法

論文題目：An Improved PGC Demodulation Algorithm for Fiber Optic Interferometric Sensors

錄用期刊/會議：Optics Express (中科院SCI 2區，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/見刊時間：2024.1.8

作者列表：

1） 朱明達 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 電子系 教師

2） 王新鑫 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 信息與通信工程專業 碩21

3） 常嘉穎 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 控制科學與工程專業 博23

4） 周浩宇 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 新一代電子信息技術（含量子技術等） 碩22

摘要:

本文提出了一種基于諧波混合和相位正交技術的改進型相位生成載波反正切解調算法（PGC-Arctan-HP），它可以消除調制深度漂移、載波相位延遲和光強擾動（LID）對解調結果的影響。仿真結果與理論分析一致，表明與其他解調算法相比，PGC-Arctan-HP 算法可以實現最優解調。干涉測量實驗結果表明，改進算法的解調波形相對穩定，振幅誤差為0.0294%?？傊C波失真（THD）和信噪比失真（SINAD）分別達到-60.0286 dB和59.5388 dB。

背景與動機:

光纖干涉傳感器（FOIS）具有靈敏度高、抗干擾能力強、測量范圍大等特點，已成為檢波器、水聽器和光纖陀螺儀等精密測量系統的傳感部分，被廣泛應用于管道監測、油氣勘探和水聲探測等領域。而光纖干涉傳感器獲取的光強信號需要經過一定的解調處理才能得到待測相移信號，相位生成載波（PGC）技術由于分辨率高、線性度好等優勢，成為被廣泛使用的解調技術。

PGC解調技術先將高頻載波調制信號引入干涉儀，將頻率提升至高頻段，減少低頻噪聲，然后使用解調算法對調制后的干涉信號進行解調。然而，現有的解調算法受調制深度漂移、載波相位延遲和光強擾動影響較大，導致系統的測量精度和穩定性降低。因此，亟待對PGC解調算法進行研究以消除三種因素的影響，提高系統整體性能。

設計與實現:

PGC-Arctan-HP解調算法原理圖如圖1所示。引入高頻余弦載波調制信號后，光電探測器檢測到的干涉信號可展開為

其中，直/交流分量A/B與輸入光功率有關；m為LID的振幅，ωn為LID的角頻率；C為調制深度，ωc為載波角頻率，θ為載波相位延遲；φ(t)是待測相移信號；Ji(C)為i階貝塞爾函數。

將干涉信號與載波調制信號的一至四次諧波正余弦分量相乘混頻，再經過一個低通濾波器，可以得到八個濾波信號，對其正弦和余弦分量進行平方和開方操作，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，相除結果與Q3(t)/Q2(t)結果相乘，得到

最后經過開方、反正切、相位解卷繞及高通濾波后，可以得到待測相移信號φ(t)，消除了調制深度漂移、載波相位延遲及光強擾動的影響。

圖1 PGC-Arctan-HP解調算法原理圖

實驗結果及分析:

為了評估所提出的PGC-Arctan-HP解調算法的性能，本文搭建了如圖2所示的馬赫-曾德干涉系統，并通過Matlab對此算法及PGC-DCM、PGC-Arctan典型算法以及其他改進解調算法進行了對比分析。

圖2 馬赫-曾德干涉儀實驗系統 (a) 實驗裝置示意圖 (b) 實驗裝置實物圖

實驗結果及性能對比如圖3、圖4和表1所示，相比之下，本文所提出的PGC-Arctan-HP算法能有效恢復待測相移信號。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的性能。

圖3 各算法的解調時域結果

圖4 各算法解調結果的功率譜密度

表1 算法性能對比表

結論:

本文提出了一種改進的解調算法，消除了載波相位延遲、調制深度漂移和光強擾動的影響，該算法無需進行微積分運算或增加額外的相位補償，也不會引入其他解調誤差，且簡單可行，有利于實時實現。實驗結果表明，PGC-Arctan-HP 算法能準確解調待測相移信號，解調精度高，時域穩定性強，與其他算法相比性能更好，基于該算法的解調系統可以顯著提高光纖傳感器的性能。

作者簡介:

朱明達，博士，副教授，博士生導師，中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院電子信息工程系教師。主要研究方向為電子測量技術與儀器、光纖傳感技術、油氣光學探測。