本發(fā)明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種信號處理方法及系統(tǒng)。

背景技術：

相位生成載波(phase-generatedcarrier，簡稱pgc)解調算法可用于對干涉型光纖傳感器信號進行解調。pgc解調算法分為微分交叉相乘法(differential-and-cross-multiplying，簡稱dcm)和反正切法(arctan)兩類。dcm類算法的解調結果受光干涉強度和調制深度的影響，當干涉強度和調制深度發(fā)生波動時，解調結果會產生幅度失真。反正切類算法可以通過相除消除干涉強度對解調結果的影響，但是仍然受調制深度的影響，調制深度發(fā)生波動時，解調結果會產生非線性而引起嚴重的諧波失真。

對于光干涉強度的影響，傳統(tǒng)的dcm類算法通過增加復雜的自動增益控制(autogaincontrol,簡稱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。為了解決反正切類算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。

綜上所述，目前兩類算法都可以消除干涉強度的影響；dcm類算法尚沒有方案解決調制深度對解調信號的影響；反正切類算法目前有相關方案解決調制深度的影響。但是，反正切法的一個主要問題是正切函數(shù)的非單調性，影響反正切解調結果。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，解決現(xiàn)有傳感器技術中存在的光干涉強度和調制深度的波動影響信號解調結果的問題，提供了一種信號處理方法及系統(tǒng)，能夠對因光干涉強度和調制深度產生的幅度因子進行實時快速估計，對輸出信號進行幅度修正，以獲得更準確的待探測信號。

為了實現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種信號處理方法。該方法包括步驟:建立初始信號的函數(shù)，并根據(jù)初始信號的函數(shù)對初始信號進行解調，以獲取輸出信號的函數(shù)；輸出信號的函數(shù)包含幅度因子；對幅度因子進行估計，并根據(jù)幅度因子的估計結果對輸出信號的函數(shù)進行計算，以獲取待探測信號。

優(yōu)選地，根據(jù)初始信號的函數(shù)對初始信號進行解調，以獲取輸出信號的函數(shù)具體包括：根據(jù)初始信號的函數(shù)，采用調制信號與初始信號進行混頻，并通過低通濾波獲取低頻信號函數(shù)；對低頻信號函數(shù)進行計算以獲取輸出信號的函數(shù)。

優(yōu)選地，對低頻信號函數(shù)進行計算以獲取輸出信號的函數(shù)具體包括：采用微分交叉相乘算法對低頻信號函數(shù)進行計算，得到第一計算結果；采用差分算法、積分算法和高通濾波對第一計算結果進行計算，以獲取輸出信號的函數(shù)。

優(yōu)選地，對幅度因子進行估計，并根據(jù)幅度因子的估計結果對輸出信號的函數(shù)進行計算，以獲取待探測信號具體包括：根據(jù)低頻信號函數(shù)推導出正橢圓函數(shù)，利用最小二乘法對正橢圓函數(shù)進行擬合，以對正橢圓函數(shù)的相關參數(shù)進行估計；根據(jù)相關參數(shù)的估計結果對幅度因子進行估計，并根據(jù)幅度因子的估計結果和輸出信號的函數(shù)，獲得待探測信號。

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，b²ghj1(c)j2(c)為幅度因子，b為光干涉強度，c為調制深度，g和h為調制信號的幅度，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，正橢圓函數(shù)為：

其中，i1f和i2f為低通濾波后的低頻信號，b為光干涉強度，c為調制深度，g和h為調制信號的幅度，j1(c)和j2(c)分別為1階和2階貝塞爾函數(shù)宗量值。

另一方面，本發(fā)明提供了一種信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括第一處理模塊和第二處理模塊。第一處理模塊用于建立初始信號的函數(shù)，并根據(jù)初始信號的函數(shù)對初始信號進行解調，以獲取輸出信號的函數(shù)；輸出信號的函數(shù)包含幅度因子。第二處理模塊用于對幅度因子進行估計，并根據(jù)幅度因子的估計結果對輸出信號的函數(shù)進行計算，以獲取待探測信號。

優(yōu)選地，第一處理模塊具體用于：建立初始信號的函數(shù)，根據(jù)初始信號的函數(shù)，采用調制信號與初始信號進行混頻，并通過低通濾波獲取低頻信號函數(shù)；對低頻信號函數(shù)進行計算以獲取輸出信號的函數(shù)；輸出信號的函數(shù)包含幅度因子。

優(yōu)選地，第一處理模塊具體用于：建立初始信號的函數(shù)，根據(jù)初始信號的函數(shù)，采用調制信號與初始信號進行混頻，并通過濾波獲取低頻信號函數(shù)；采用微分交叉相乘算法對低頻信號函數(shù)進行計算，得到第一計算結果；采用差分算法、積分算法和高通濾波對第一計算結果進行計算，以獲取輸出信號的函數(shù)。

優(yōu)選地，第二處理模塊具體用于：根據(jù)低頻信號函數(shù)推導出正橢圓函數(shù)，利用最小二乘法對正橢圓函數(shù)進行擬合，以對正橢圓函數(shù)的相關參數(shù)進行估計；根據(jù)相關參數(shù)的估計結果對幅度因子進行估計，并根據(jù)幅度因子的估計結果和輸出信號的函數(shù)，獲得待探測信號。

本發(fā)明提供的一種信號處理方法及系統(tǒng)，能夠對因光干涉強度和調制深度產生的幅度因子進行實時快速估計，對輸出信號進行幅度修正，以獲得更準確的待探測信號。

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示意圖；

圖2為實驗時圖1中幅度因子估計值與實際值的對比圖；

圖3為另一實驗時圖1中幅度因子估計值與實際值的對比圖；

圖4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。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案作進一步的詳細描述。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種信號處理方法的流程示意圖。如圖1所示，該方法包括步驟101-102：

步驟101:建立初始信號的函數(shù)，并根據(jù)初始信號的函數(shù)對初始信號進行解調，以獲取輸出信號的函數(shù)，輸出信號的函數(shù)包含幅度因子。

具體地，建立初始信號的函數(shù)，根據(jù)初始信號的函數(shù)，采用調制信號與初始信號進行混頻，并通過低通濾波獲取低頻信號函數(shù)；采用微分交叉相乘算法對低頻信號函數(shù)進行計算，得到第一計算結果；采用差分算法、積分算法和高通濾波對第一計算結果進行計算，以獲取輸出信號的函數(shù)。

采用相位生成載波(phase-generatedcarrier，簡稱pgc)解調算法的光纖傳感器中，經光電轉換后的初始信號的函數(shù)為：

i＝a+bcos[ccos(ω0t)+φ(t)](1)

其中，i為初始信號，a為干涉光強直流量，b為光干涉強度，c為調制深度，ω0為調制頻率，φ(t)為作用于光纖傳感器探頭的信號引起的相位差，包括待探測信號引起的相位差φs(t)和噪聲引起的相位差φn(t)。

用貝塞爾(bessel)函數(shù)將式(1)展開為：

其中，i為輸出信號，a為干涉光強直流量，b為光干涉強度，c為調制深度，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。

根據(jù)公式(2)，采用幅度為g、角頻率為ω0和幅度為h、角頻率為2ω0的調制信號分別與初始信號進行混頻，并分別通過低通濾波器后得到低頻信號函數(shù)：

i1f＝-bgj1(c)sinφ(t)(3)

i2f＝-bhj2(c)cosφ(t)(4)

為了克服信號隨外部的干擾信號的漲落而出現(xiàn)的消隱和畸變現(xiàn)象，采用微分交叉相乘法(differential-and-cross-multiplying，簡稱dcm)。從低通濾波器出來的低頻信號分別通過微分電路，得到微分后信號的函數(shù)為：

i1d＝-bgj1(c)φ'(t)cosφ(t)(5)

i2d＝-bhj2(c)φ'(t)sinφ(t)(6)

采用交叉相乘算法，即公式(3)和(6)的兩端分別相乘，公式(4)和(5)的兩端分別相乘，得到：

i1e＝b²ghj1(c)j2(c)φ'(t)sin²φ(t)(7)

i2e＝b²ghj1(c)j2(c)φ'(t)cos²φ(t)(8)

對公式(7)和(8)表示的兩路信號經積分運算放大器進行差分運算可以得到：

v'＝b²ghj1(c)j2(c)φ'(t)(9)

再經積分運算放大器進行積分運算可以得到：

v＝b²ghj1(c)j2(c)φ(t)＝b²ghj1(c)j2(c)[φs(t)+φn(t)](10)

公式(10)中，φs(t)為待探測信號引起的相位差，φn(t)為噪聲引起的相位差。噪聲為外部環(huán)境所造成的相位擾動項，通常情況下式緩變信號，所以通過高通濾波可以濾除噪聲響。將公式(10)表示的信號經過高通濾波器濾除噪聲項，可以得到輸出信號的函數(shù)為：

v0＝b²ghj1(c)j2(c)φs(t)(11)

其中，v0為輸出信號，b²ghj1(c)j2(c)為幅度因子，b為光干涉強度，c為調制深度，g和h為調制信號的幅度，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。

公式(11)中，b²ghj1(c)j2(c)為幅度因子，由于光干涉強度b和調制深度c是未知的且在傳感器工作過程中會發(fā)生緩慢波動，因此在解調過程中需要對該幅度因子進行實時估計。

步驟102：對幅度因子進行估計，并根據(jù)幅度因子的估計結果對輸出信號的函數(shù)進行計算，以獲取待探測信號。

具體地，根據(jù)低頻信號函數(shù)推導出正橢圓函數(shù)，利用最小二乘法對正橢圓函數(shù)進行擬合，以對正橢圓函數(shù)的相關參數(shù)進行估計；根據(jù)相關參數(shù)的估計結果對幅度因子進行估計，并根據(jù)幅度因子的估計結果和輸出信號的函數(shù)，獲得待探測信號。

根據(jù)公式(3)和(4)以及三角函數(shù)公式sin²φ(n)+cos²φ(n)≡1可以推到出下式：

公式(12)表示的函數(shù)為正橢圓函數(shù)，利用最小二乘法(ls)對公式(12)表示的橢圓曲線進行擬合，可以估計得到相關參數(shù)和b²g²的數(shù)值，進而得到幅度因子的估計數(shù)值。標準的正橢圓函數(shù)可以表示為：

x²+a1y²+a2＝0(13)

其中，x＝i1f，y＝i2f，a2＝b²g²。

公式(13)用矩陣可以表示為:

ya＝x(14)

其中，n為進行最小二乘估計時所用的數(shù)據(jù)長度。

根據(jù)公式(14)，可以推導出擬合結果為：

a＝(y^ty)^-1y^tx(15)

結合公式(11)可推導出幅度因子的平方表達式為：

b⁴g²h²j1²(c)j2²(c)＝a2²/a1(16)

根據(jù)第一類bessel函數(shù)的特點，即隨著自變量的變化，函數(shù)值在0點上下波動，b²j1(c)j2(c)的數(shù)值可以為正也可以為負。為了減小輸出結果對bessel函數(shù)的依賴關系，需要適當?shù)剡x擇調制深度，使j1(c)j2(c)最大，例如，可以將c的數(shù)值限定在[0,3.83]區(qū)間內使b²j1(c)j2(c)取正值。

利用公式(17)對公式(11)進行幅度修正，得到待探測信號為：

通過以下實驗進一步證明本發(fā)明提出的一種信號處理方法的能達到的有益效果。

實驗中，信號的采樣頻率為200khz，采用幅度為g＝1、角頻率為ω0＝20khz和幅度為h＝1、角頻率為2ω0＝40khz的調制信號分別與初始信號進行混頻。低通濾波器的設置為：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。進行橢圓擬合時采用的數(shù)據(jù)長度n＝2000，即幅度因子估計更新間隔為10ms。

假設待探測信號為1khz單頻信號，引起的相位變化幅度為0.8rad，對幅度因子的估計結果如圖2所示，估計結果與實際值之間的相對誤差為0.5％。

假設待探測信號為2khz以下的高斯噪聲，待測信號引起的相位變化幅度為1rad，對幅度因子的估計結果如圖3所示，相對誤差為0.93％?？梢妼Σ煌愋偷拇綔y信號，本發(fā)明都能估計由于光干涉強度和調制深度引起的幅度因子。

由上述可知，本發(fā)明實施例提供的信號處理方法，能夠對因光干涉強度和調制深度產生的幅度因子進行實時快速估計，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為本發(fā)明實施例提供的一種信號處理系統(tǒng)，如圖4所示，該系統(tǒng)200包括第一處理模塊201和第二處理模塊202：

第一處理模塊201用于建立初始信號的函數(shù)，并根據(jù)初始信號的函數(shù)對初始信號進行解調，以獲取輸出信號的函數(shù)；輸出信號的函數(shù)包含幅度因子。

具體地，第一處理模塊用于建立初始信號的函數(shù)，根據(jù)初始信號的函數(shù)，采用調制信號與初始信號進行混頻，并通過濾波獲取低頻信號函數(shù)。采用微分交叉相乘算法對低頻信號函數(shù)進行計算，得到第一計算結果；采用差分算法、積分算法和高通濾波對第一計算結果進行計算，以獲取輸出信號的函數(shù)。

第二處理模塊202用于對幅度因子進行估計，并根據(jù)幅度因子的估計結果對輸出信號的函數(shù)進行計算，以獲取待探測信號。

具體地，第二處理模塊用于根據(jù)低頻信號函數(shù)推導出正橢圓函數(shù)，利用最小二乘法對正橢圓函數(shù)進行擬合，以對正橢圓函數(shù)的相關參數(shù)進行估計；根據(jù)相關參數(shù)的估計結果對幅度因子進行估計，并根據(jù)幅度因子的估計結果和輸出信號的函數(shù)，獲得待探測信號。

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)，能夠對因光干涉強度和調制深度產生的幅度因子進行實時快速估計，對輸出信號進行幅度修正，以獲得更準確的待探測信號。

以上的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、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，以上僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。