用于抑制信號串?dāng)_的pgc與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法，用于抑制時分復(fù)用FP腔傳感陣列中的信號串?dāng)_，降低系統(tǒng)噪聲。本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體包括以下關(guān)鍵步驟：采用PGC方法對陣列的干涉脈沖采樣結(jié)果進(jìn)行處理，來獲取計算沖擊響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)；對于陣列中的每一個FP腔，首先采用反轉(zhuǎn)剝層方法來剝除多次反射導(dǎo)致的干涉信號，然后采用PGC解調(diào)方法獲取每個FP腔的相位信息，并用PGC解調(diào)參數(shù)來重構(gòu)光柵的振幅反射率，同時獲取進(jìn)行下一步迭代的關(guān)鍵參數(shù)。本發(fā)明提出的PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法在解調(diào)信號的同時獲取傳遞參數(shù)，大大提高了信號處理方法運行速度，進(jìn)而提升系統(tǒng)的實用性。
【專利說明】用于抑制信號串?dāng)_的PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到時分復(fù)用法布里-珀羅腔(FP腔)光纖傳感陣列、信號串?dāng)_、信號解調(diào)等技術(shù)內(nèi)容，具體為一種相位調(diào)制載波(PGC)與反轉(zhuǎn)剝層(Inverse Scattering)混合解調(diào)方法,用于抑制時分復(fù)用FP腔光纖傳感陣列信號串?dāng)_。

【背景技術(shù)】
[0002]基于FP腔結(jié)構(gòu)的時分復(fù)用光纖傳感陣列具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、體積小、重量輕等優(yōu)點，在水聲信號檢測、地震波檢測等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。采用一對中心波長相同的布拉格光纖光柵(FBG)即可構(gòu)成光纖光柵FP腔(FBG-FP)傳感器,且隨著光纖光柵制作技術(shù)的不斷完善，在一根光纖上集成大量的(FBG-FP)傳感器成為降低陣列體積和重量、提高陣列可靠性的最佳保障，特別適用于水下、井下等環(huán)境惡劣的條件中，例如美國的TB-33水聲拖曳陣列、挪威的OBC海底監(jiān)測系統(tǒng)等均采用這種結(jié)構(gòu)。
[0003]當(dāng)對這種FP傳感陣列注入一對脈沖時，每個光柵也會反射回一對脈沖，若這些脈沖在時間上形成特定的對應(yīng)關(guān)系，則反射回來的第二個脈沖為第一個FP腔的干涉信號，依次類推，即可獲得所有脈沖的干涉信號，對這些干涉信號進(jìn)行解調(diào)可獲得每個FP腔對應(yīng)的相位信號。在這種陣列中，波長相同的FBG-FP之間一般采用時分復(fù)用方式加以區(qū)分和編碼。由于這些時分復(fù)用的FBG具有相同的反射中心，因此光在這些光柵之間的來回反射導(dǎo)致系統(tǒng)的不同傳感器之間信號串?dāng)_嚴(yán)重，且時分復(fù)用的FBG-FP傳感器數(shù)目越多，后端的信道串?dāng)_越嚴(yán)重。
[0004]信號串?dāng)_問題是限制光纖傳感系統(tǒng)實際應(yīng)用的技術(shù)因素之一，對信號串?dāng)_的抑制是這種時分復(fù)用FBG-FP陣列研究的重要內(nèi)容，對于保證系統(tǒng)的指標(biāo)并使之真正走向?qū)嶋H應(yīng)用起著決定性作用。在這方面，挪威的OptoPlan小組做了卓越的工作。文獻(xiàn)“Reduct1n of crosstalk in inline sensor arrays using inverse scattering，，(Proc.SPIE, 2008, Vol.704, paper 70044Z)報道了一種反轉(zhuǎn)剝層方法，獲得15_20dB的串?dāng)_抑制效果；專利“Method and apparatus for suppress1n of crosstalk and noisein time-divis1n multiplexed interferometer sensor systems (專利 號:US7，466，422B2) ”則詳細(xì)描述了這種反轉(zhuǎn)剝層方法的技術(shù)原理。在國內(nèi)，文獻(xiàn)“基于剝層算法的Fabry-Perot腔光纖光柵傳感系統(tǒng)時分復(fù)用串?dāng)_抑制技術(shù)研究(路陽，國防科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012)”提出反轉(zhuǎn)剝層方法對外差結(jié)構(gòu)的時分復(fù)用陣列信號串?dāng)_進(jìn)行抑制，并報道了 6dB的抑制效果。
[0005]相位調(diào)制載波(PGC)解調(diào)方案是進(jìn)行干涉信號相位解調(diào)的常用技術(shù)方法之一。目前國內(nèi)外的反轉(zhuǎn)剝層方法都是無法直接用于采用PGC解調(diào)的時分復(fù)用陣列中的，特別是經(jīng)過PGC中的微分交叉相乘(DCM)算法后，現(xiàn)有反轉(zhuǎn)剝層方法無法完全剝除串?dāng)_干涉項，反而會引起系統(tǒng)噪聲增加。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法，旨在抑制采用PGC方案的FP傳感陣列信號串?dāng)_，提高陣列在實際探測應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和可靠性。
[0007]為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0008]—種用于抑制信號串?dāng)_的PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法,對于由N個光纖光柵的組成的含有(N-1)個FP腔傳感基元的時分復(fù)用陣列，該方法包括以下步驟:
[0009]S1.對陣列注入一對光脈沖，對反射回來的前N個光脈沖進(jìn)行采樣，按照采樣時間間隔獲取各FP腔的響應(yīng)，其中第一個反射脈沖的采樣結(jié)果為第一個光柵的強度反射響應(yīng)，第二個脈沖的采樣結(jié)果為第一個FP腔的干涉響應(yīng)，第三個脈沖的采樣結(jié)果為第二個FP腔的干涉響應(yīng)，…，依此類推，第N個脈沖的采樣結(jié)果為第(N-1)個FP腔的干涉響應(yīng)；對于由N個光柵構(gòu)成的(N-1)個FP腔時分復(fù)用陣列，通過本步驟可獲得第一個光柵的強度反射響應(yīng)和所有FP腔的干涉響應(yīng)結(jié)果；
[0010]S2.在已知第一個光柵反射率和注入陣列的光脈沖對強度比前提下，對步驟SI中所獲得的所有干涉響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，獲取每一個干涉響應(yīng)的干涉項，定義該值為Hi, i=1,2,…，N-1 ；
[0011]S3.由第一個光柵的強度反射響應(yīng)獲得第一個光柵的沖擊響應(yīng)Iitl ;由計算第一個FP腔的沖擊響應(yīng)Ii1 ;對Ii1進(jìn)行PGC預(yù)處理，得到Ii1的幅度項Ii1 a和相位項Ii1 p，由H2、Ii1 a和Ii1 p計算第二個FP腔的沖擊響應(yīng)h2 ;對h2進(jìn)行PGC預(yù)處理，得到h2的幅度項h2a和相位項h2 p，由H3、h2 a和h2j)計算第三個FP腔的沖擊響應(yīng)h3，…，依此類推，Hn^1 , h(N_2)a和h(N_2) p可以獲得第(N-1)個FP腔的沖擊響應(yīng)Iv1，通過本步驟可獲得N個FP腔的沖擊響應(yīng) hj(j = 0,1, 2, 3,..., N-l)；
[0012]S4.定義入射和反射參數(shù)Ui和V」，并初始化為
[0013]U0 = I
[0014]Ui = O (i = 1,2,..., N-1)；
[0015]Vj = hj (j = O, I, 2,..., N-l)
[0016]S5.計算第一個光柵反射響應(yīng)中攜帶的相位信息:令Rci = VciAici,對Rci進(jìn)行PGC解調(diào)，解調(diào)出的相位信息即位該光柵的相位，由于此刻PGC所處理的數(shù)據(jù)對象為反射強度響應(yīng)，不含有干涉項，因此相位解調(diào)結(jié)果為O ;
[0017]S6.定義傳遞參數(shù):r =hn,(p = {RJrj:1，定義循環(huán)標(biāo)志F=I;
[0018]S7.定義傳遞函數(shù)，令:
[0019]

【權(quán)利要求】
1.一種用于抑制信號串?dāng)_的PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法，對于由N個光纖光柵的組成的含有(N-1)個FP腔傳感基元的時分復(fù)用陣列，其特征在于該方法包括以下步驟: s1.對陣列注入一對光脈沖，對反射回來的前N個光脈沖進(jìn)行采樣，按照采樣時間間隔獲取各FP腔的響應(yīng)，其中第一個反射脈沖的采樣結(jié)果為第一個光柵的強度反射響應(yīng)，第二個脈沖的采樣結(jié)果為第一個FP腔的干涉響應(yīng)，第三個脈沖的采樣結(jié)果為第二個FP腔的干涉響應(yīng)，…，依此類推，第N個脈沖的采樣結(jié)果為第(N-1)個FP腔的干涉響應(yīng)，對于由N個光柵構(gòu)成的(N-1)個FP腔時分復(fù)用陣列，通過本步驟可獲得第一個光柵的強度反射響應(yīng)和所有FP腔的干涉響應(yīng)結(jié)果； s2.在已知第一個光柵反射率和注入陣列的光脈沖對強度比前提下，對步驟SI中所獲得的所有干涉響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，獲取每一個干涉響應(yīng)的干涉項，定義該值為Hi, i = 1，2,-,N-1 ； s3.由第一個光柵的強度反射響應(yīng)獲得第一個光柵的沖擊響應(yīng)Iitl;由Iic^PH1計算第一個FP腔的沖擊響應(yīng)Ii1 ;對Ii1進(jìn)行PGC預(yù)處理，得到Ii1的幅度項Ii1 a和相位項Ii1 f，由H2A1 a和f計算第二個FP腔的沖擊響應(yīng)h2 ;對h2進(jìn)行PGC預(yù)處理,得到h2的幅度項h2—a和相位項h2 f，由H3、h2 a和h2 f計算第三個FP腔的沖擊響應(yīng)h3，…，依此類推，由IVptv2 a和hN_2f可以獲得第(N-1)個FP腔的沖擊響應(yīng)Iv1，通過本步驟可獲得N個FP腔的沖擊響應(yīng)hj (j=O, I, 2, 3,..., N-l)； s4.定義入射和反射參數(shù)Ui和并初始化為
U0 = I
Ui = O (i = I, 2,..., N-1)；
Vj = hj (j = O, I, 2,..., N-l) s5.計算第一個光柵反射響應(yīng)中攜帶的相位信息:令RtI= VcZuci,對Rtl進(jìn)行PGC解調(diào)，解調(diào)出的相位信息即位該光柵的相位； s6.定義傳遞參數(shù):r= (/? /r0 f2,定義循環(huán)標(biāo)志F=I; s7.定義傳遞函數(shù)，令:
s8.對所有入射和反射參數(shù)u和V進(jìn)行傳遞計算，計算方法如下:
Uk = tnuk+t12vk
(k = 0,1,2, —, N-1-F)
vk — t2iUk+1+t22Vk+1 通過本步驟迭代獲取一組新的入射和反射參數(shù)Uk和Vk ; s9.計算第F個FP腔的相位信息，計算方法如下: 令R’ = VV對R’進(jìn)行PGC解調(diào)，解調(diào)出的相位信息即位該FP的相位，并令r為解調(diào)得到的干涉項幅度，f = P'/r),/2; s10.令循環(huán)標(biāo)志F增加I; s11.重復(fù)步驟(S7-S10)，重復(fù)(N-2)次后，獲得所有FP腔的相位信息。
2.一種如權(quán)利要求1所述用于抑制信號串?dāng)_的PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法，其特征在于:所述PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法所適用的對象為普通單模光纖FBG-FP陣列或保偏光纖FBG-FP陣列。
3.—種如權(quán)利要求1所述用于抑制信號串?dāng)_的PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法，其特征在于:所述PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法對光纖光柵的反射率無特定要求。
4.一種如權(quán)利要求1所述用于抑制信號串?dāng)_的PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法，其特征在于:所述PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法對系統(tǒng)調(diào)制載波頻率、采樣率、采樣長度等無特殊要求。
5.一種如權(quán)利要求1、2、3或4所述用于抑制信號串?dāng)_的PGC與反轉(zhuǎn)剝層混合解調(diào)方法，其特征在于:所述由N個光纖光柵的組成的含有(N-1)個FP腔傳感基元的時分復(fù)用陣列，其中的光纖光柵也可采用光纖耦合器代替來構(gòu)造FP腔。
【文檔編號】G01D5/353GK104197968SQ201410478159
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】馬麗娜, 蔣鵬, 胡正良, 胡永明, 李海濤, 熊水東, 林惠祖 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)