本發(fā)明實施例涉及傳感器技術的應用領域，尤其涉及一種信號處理方法及系統(tǒng)。

背景技術：

干涉型光纖傳感器具有抗電磁干擾、體積小、空間分辨率高等優(yōu)點。相位生成載波(phase-generatedcarrier，pgc)解調(diào)方案具有靈敏度高、易于復用、能夠提供更大的動態(tài)范圍、更小的可檢測相移及易于成陣等一系列技術優(yōu)勢。

pgc解調(diào)算法分為微分交叉相乘法(differential-and-cross-multiplying，dcm)和反正切法(arctan)(及其衍生的相除查表法)兩類。dcm法的解調(diào)結果受光干涉強度和調(diào)制深度的影響，當光干涉強度和調(diào)制深度發(fā)生波動時，解調(diào)結果會產(chǎn)生幅度失真。反正切法可以通過相除消除干涉強度的影響，但是仍然受調(diào)制深度的影響，調(diào)制深度發(fā)生波動時，解調(diào)結果會產(chǎn)生非線性，引起嚴重的諧波失真。

對于光干涉強度的影響，傳統(tǒng)的pgc解調(diào)dcm算法通過增加復雜的自動增益控制(autogaincontrol，agc)電路來實現(xiàn)，其效果對電路中器件的性能依賴性很大，性能提高有限。在數(shù)字pgc系統(tǒng)中，對光干涉強度的補償可以更靈活，在研究低通濾波器和光干涉強度的影響時，假設調(diào)制深度不變，利用三角函數(shù)計算修正系數(shù)，消除影響。為了解決反正切法可能引起的諧波失真，有方法利用微分自相乘計算修正參數(shù)，結合反余切法對信號進行解調(diào)。

綜上所述，目前兩類算法都可以消除光干涉強度的影響；dcm類算法尚沒有方案解決調(diào)制深度對解調(diào)信號的影響。與dcm法相比，反正切法的主要問題是正切函數(shù)的非單調(diào)性，影響反正切解調(diào)結果。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供了一種信號處理方法及系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術中光干涉強度和調(diào)制深度的波動影響解調(diào)結果的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明實施例提供了一種信號處理方法，該信號處理方法包括：對初始信號進行解調(diào)，得到輸出信號，輸出信號包括第一參數(shù)和第二參數(shù)；對第一參數(shù)和第二參數(shù)進行估計，并根據(jù)第一參數(shù)的估計結果和第二參數(shù)的估計結果對輸出信號進行計算，獲取待檢測信號。

優(yōu)選地，對初始信號進行解調(diào)，得到輸出信號的步驟具體包括：對初始信號采樣后與第一信號、第二信號進行混頻，并將混頻后的信號通過低通濾波器輸出；將低通濾波器的輸出信號，根據(jù)微分交叉相乘算法，得到第一計算結果；將第一計算結果，根據(jù)差分算法、積分算法，得到第二計算結果，將第二計算結果通過高通濾波器輸出，得到輸出信號。

優(yōu)選地，對第一參數(shù)和第二參數(shù)進行估計，并根據(jù)第一參數(shù)的估計結果和第二參數(shù)的估計結果對輸出信號進行計算，獲取待檢測信號的具體步驟包括：對低通濾波器的輸出信號分別與第一因子和第二因子相乘后相加，得到第三計算結果；對第三計算結果進行估計，得到第一參數(shù)的估計結果和第二參數(shù)的估計結果。

優(yōu)選地，輸出信號的函數(shù)為：

v0＝b²ghj1(c)j2(c)φs(t)

其中，v0為輸出信號，b為第一參數(shù)，c為第二參數(shù)，g和h為調(diào)制信號的幅度，j1(c)和j2(c)分別為1階和2階貝塞爾函數(shù)宗量值，φs(t)為待探測信號。

優(yōu)選地，對第三計算結果進行估算，得到光干涉強度第一參數(shù)的估計結果和調(diào)制深度第二參數(shù)的估計結果具體步驟包括：根據(jù)第三計算結果，采用傅里葉變換，得到調(diào)制深度第二參數(shù)的估算結果；根據(jù)光干涉強度第一參數(shù)的估算結果和第三計算結果，計算得到光干涉強度第一參數(shù)的估計結果。

另一方面，本發(fā)明實施例提供了一種信號處理系統(tǒng)，該信號處理系統(tǒng)包括：

第一處理模塊，用于對初始信號進行解調(diào)，得到輸出信號，輸出信號包括光干涉強度第一參數(shù)和調(diào)制深度第二參數(shù)；第二處理模塊，用于對光干涉強度第一參數(shù)和調(diào)制深度第二參數(shù)進行估計，并根據(jù)光干涉強度第一參數(shù)的估計結果和調(diào)制深度第二參數(shù)的估計結果對輸出信號進行計算，獲取待檢測信號。

優(yōu)選地，第一處理模塊具體用于：對初始信號采樣后與第一信號和第二信號進行混頻，并將混頻后的信號通過低通濾波器輸出；將低通濾波器的輸出信號，根據(jù)微分交叉相乘算法，得到第一計算結果；將第一計算結果，根據(jù)差分算法、積分算法，得到第二計算結果，將第二計算結果通過高通濾波器輸出，得到輸出信號。

優(yōu)選地，第二處理模塊具體用于：對低通濾波器的輸出信號分別與第一因子和第二因子相乘后相加，得到第三計算結果；根據(jù)第三計算結果，采用傅里葉變換，得到第二參數(shù)的估算結果；根據(jù)第一參數(shù)的估算結果和第三計算結果，計算得到第一參數(shù)的估計結果。

本發(fā)明實施例實時估計光纖傳感器pgc解調(diào)中的第一參數(shù)和第二參數(shù)兩個參數(shù)，對解調(diào)結果進行幅度修正。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種信號處理方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種信號處理系統(tǒng)的結構示意圖；

圖3為第一參數(shù)的估計結果的示意圖；

圖4為第二參數(shù)的估計結果的示意圖；

圖5為幅度因子的估計結果的示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明實施例一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明實施例中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明實施例保護的范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種信號處理方法。如圖1所示，該方法包括：

步驟s101：對初始信號進行解調(diào)，得到輸出信號，輸出信號包括第一參數(shù)和第二參數(shù)；

具體地，對初始信號進行采樣，在將采樣后的信號與第一信號和第二信號進行混頻，并將混頻后的信號通過低通濾波器輸出；將低通濾波器的輸出信號，根據(jù)微分交叉相乘算法，得到第一計算結果；將第一計算結果，根據(jù)差分算法、積分算法，得到第二計算結果，將第二計算結果通過高通濾波器輸出，得到輸出信號。

以下具體論述步驟101：

光纖傳感器的光電轉換后的信號為初始信息，初始信號為：

i(t)＝a+bcos[ccos(ω0t)+φ(t)](1)

其中，參數(shù)a包括轉換和沒有干涉的部分激光能量；第一參數(shù)b包括光電轉換放大倍數(shù)和參與干涉的激光能量，為光干涉強度；第二參數(shù)c為調(diào)制深度；ω0為調(diào)制頻率，φ(t)為光纖傳感器探頭的信號引起的相位差，包括待探測信號φs(n)和噪聲φn(n)。

將公式(1)用貝塞爾函數(shù)(bessel函數(shù))展開為：

其中，a為干涉光強直流量，b為光干涉強度，c為調(diào)制深度，ω0為角頻率，φ(t)為相位差，j0(c)、j2k(c)和j2k+1(c)分別為0階、2k階和2k+1階貝塞爾函數(shù)宗量值，k＝0,1,2，…，k∈n。

將公式(2)的信號采用采樣頻率fs進行采樣后，將采樣后的信號分別與第一信號gcosω0t和第二信號hcos2ω0t進行混頻，并將混頻后的結果進行低通濾波，得到：

i1f(n)＝-bgj1(c)sinφ(n)(3a)

i2f(n)＝-bhj2(c)cosφ(n)(3b)

為了克服信號因外部的干擾信號的變化而出現(xiàn)的消隱和畸變現(xiàn)象，采用微分交叉相乘方法(differential-and-cross-multiplying，dcm)。將公式(3a)和公式(3b)進行微分，得到微分后的信號為：

將公式(4)的信號進行交叉相乘，得到交叉相乘后的信號為：

將公式(5)的信號進行差分放大，得到差分放大后的信號為：

v'(n)＝b²ghj1(c)j2(c)φ'(n)(6)

將公式(6)的信號進行積分運算放大，得到積分放大后的信號為：

v(n)＝b²ghj1(c)j2(c)φ(n)(7)

可選的，由于φ(t)包括待φs(n)和外部環(huán)境造成的相位擾動項(噪聲φn(n))，如下公式所示：

v(n)＝b²ghj1(c)j2(c)[φs(n)+φn(n)](8)

為了濾掉噪聲φn(n)，可以將公式(8)進行高通濾波，消除公式(8)中的φn(n)項。最終得到?jīng)]有噪聲的輸出信號為：

vo(n)＝b²ghj1(c)j2(c)φs(n)(9)

上式中，參數(shù)g、h是解調(diào)時人為設置的，且是已知的，而參數(shù)b、c是未知的，且在傳感器工作過程中會發(fā)生緩慢波動，因此在解調(diào)過程中需要對參數(shù)b、c的值進行估計。

步驟102：對光干涉強度和調(diào)制深度進行估計，并根據(jù)光干涉強度的估計結果和調(diào)制深度的估計結果對輸出信號進行計算，獲取待檢測信號。

具體地，對低通濾波后輸出的信號分別與第一因子和第二因子相乘后相加，得到第三計算結果；分別對第三結果估算，得到光干涉強度的估計結果和調(diào)制深度的估計結果。

以下具體論述步驟102：

第一步，得到第三計算結果；

公式(3a)和式(3b)分別乘以hj2(c)和gj1(c)，其中c為調(diào)制深度c波動范圍內(nèi)的變量，則信號表示為：

i1b(n,c)＝-bghj1(c)j2(c)sinφ(n)(10a)

i2b(n,c)＝-bghj2(c)j1(c)cosφ(n)(10b)

將公式(10a)和公式(10b)平方后相加，平方后相加的信號為：

p(n,c)＝b²g²h²{[j1(c)j2(c)]²sin²φ(n)+[j2(c)j1(c)]²cos²φ(n)}(11)

根據(jù)bessel函數(shù)特點，函數(shù)[j1(c)j2(c)]²和[j2(c)j1(c)]²是非單調(diào)的，考慮到一點，為了簡化計算，可以假設，當c＝c時，則[j1(c)j2(c)]²＝[j2(c)j1(c)]²，此時，公式(12)中的交流項會消掉，只保留直流項：

p(n,c)＝b²g²h²[j1(c)j2(c)]²(12)

第二步，得到光干涉強度的估計結果和調(diào)制深度估計結果；

(a)，將公式(12)進行傅里葉變換，得到調(diào)制深度的估計結果；

假設，p(n,c)序列的長度為n，即每n個采樣點進行一次參數(shù)估計，對其進行離散傅里葉變換：

計算pgc解調(diào)中調(diào)制頻率ω0以下頻率成分的能量為：

其中，nm＝ω0n/2πfs。則對c的估計值表示為：

根據(jù)bessel函數(shù)特點，函數(shù)[j1(c)j2(c)]²是非單調(diào)的，考慮c的理想值為2.37，因此該方法的適用范圍是[0,3.83]。

(b)，計算光干涉強度的估計結果

將調(diào)制深度的估計結果代入公式(12)為：

假設，序列的長度為n，即每n個采樣點進行一次參數(shù)估計，對n個樣點的數(shù)據(jù)進行累加：

將公式(18)進行計算，得到為：

第三步，根據(jù)光干涉強度的估計結果和調(diào)制深度估計結果，對輸出信號進行修正，得到待探測信號φs(t)；

利用估計的參數(shù)和對式(9)進行幅度修正，得到待探測聲信號φs(t)為：

采用實驗中的數(shù)據(jù)進一步證明本發(fā)明實施例提出的一種信號處理方法能達到的有益效果。

在實驗中，設置光纖傳感器pgc解調(diào)的調(diào)制頻率ω0為20khz，采樣頻率為200khz。低通濾波器采用等波紋法設計fir濾波器，通帶頻率8khz，阻帶頻率12khz，阻帶衰減80db，濾波器階數(shù)為127。進行離散傅里葉變換的點數(shù)n＝2000。

假設，兩種待探測信號，分別為1khz單頻信號和2khz低通噪聲，引起的相位變化幅度都為0.5rad，對光干涉強度b的估計結果如圖2所示，兩種待探測信號情況下，引起的估計相對誤差為1.46％和0.5％。對調(diào)制深度c的估計結果如圖3所示，兩種待探測信號情況下，引起的估計相對誤差為1.27％和0.17％。

對于不同類型的待探測信號，本發(fā)明實施例都能對光干涉強度和調(diào)制深度進行合理估計。并且當待測信號是噪聲時，估計結果更準確?？紤]實際應用中待測信號一般都包含噪聲，所以可以預測其誤差介于單頻信號和低通噪聲的誤差之間。

由上述可知，本發(fā)明實施例提供的信號處理方法，能夠?qū)飧缮鎻姸群驼{(diào)制深度實時快速估計，對輸出信號進行幅度修正，以獲得更準確的待探測信號。

圖4為幅度因子的估計結果的示意圖。如圖4所示，分別采用單頻信號(如圖4a)和低通噪聲(如圖4b)作為待探測信號，在這兩種情況下估計的b和c，進一步根據(jù)估計的b和c估計幅度因子b²j1(c)j2(c)，并將估計的b²j1(c)j2(c)的均值與與橢圓擬合方法進行了對比?？梢钥闯觯敶郎y聲信號較小，橢圓擬合法無法對b²j1(c)j2(c)進行估計，單頻信號的引起的相位下限是0.05rad，低通噪聲引起的相位下限是0.1rad。

本發(fā)明實施例的方法在很大的范圍都有效，單頻信號引起的相位下限是0.00005rad，低通噪聲引起的相位下限是0.0005rad。因此本發(fā)明實施例的方法適用的動態(tài)范圍更大。

圖5為本發(fā)明實施例提供的一種信號處理系統(tǒng)，如圖所示，該系統(tǒng)包括第一處理模塊510和第二處理模塊520：

第一處理模塊510，用于對初始信號進行解調(diào)，得到輸出信號，輸出信號包括第一參數(shù)和第二參數(shù)；其中，第一參數(shù)為光干涉強度，第二參數(shù)為調(diào)制深度第二處理模塊520，用于對光干涉強度和調(diào)制深度進行估計，并根據(jù)光干涉強度的估計結果和調(diào)制深度的估計結果對輸出信號進行計算，獲取待檢測信號。

具體地，第一處理模塊510用于：對初始信號、第一信號和第二信號進行混頻，并將混頻后的信號通過低通濾波器輸出；將低通濾波器的輸出信號，根據(jù)微分交叉相乘算法，得到第一計算結果；將第一計算結果，根據(jù)差分算法、積分算法，得到第二計算結果，將第二計算結果通過高通濾波器輸出，得到輸出信號。

具體地，第二處理模塊520用于：對低通濾波器的輸出信號進行采樣，并將采樣后的信號分別與第一因子和第二因子相乘后相加，得到第三計算結果；根據(jù)第三計算結果，采用傅里葉變換，得到調(diào)制深度的估算結果；根據(jù)光干涉強度的估算結果和第三計算結果，計算得到光干涉強度的估計結果。

本發(fā)明提供的系統(tǒng)實施例與本發(fā)明提供的方法實施例相對應，在此不作贅述。

本發(fā)明實施例提供的信號處理系統(tǒng)，能夠?qū)飧缮鎻姸群驼{(diào)制深度實時快速估計，對輸出信號進行幅度修正，以獲得更準確的待探測信號。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明實施例的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明實施例的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明實施例的保護范圍，凡在本發(fā)明實施例的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明實施例的保護范圍之內(nèi)。