PGC算法的研究的研究进展

PGC算法的研究的研究进展1.引言相位产生载波技术是在光纤传感技术中一种非常流行的技术，具有解调简单，对硬件要求小的特点，该技术包括调制和解调两部分。1.1PGC的两种方案PGC的解调技术主要有两种方案：DCM(微分交叉相乘)和ARCTAN(正切法)。微分交叉相成法具有解调简单，对硬件要求低的特点，PGC最初的解调方案就是交叉相乘，采用的是模拟电路，随着现代电子技术的发展即数字电路所表现出来的信号处理等的优势，PGC的交叉相乘方案现在普遍采用数字解调方案，交叉相乘的发展已经十分成熟，且在多种光纤传感系统中得到应用。反正切方案与交叉相乘方案相同的地方都是先采用调制信号的一倍频和二倍频进行混频，经滤波取出直流量。反正切方案就是对一倍频和二倍频混频后的直流量直接进行求正切运算，过程简单，但是求正切运算的运算量较大，但随着现代数字信号处理器的出现及其性能的极大提升，该方案也得到的极大的发展并且逐渐走向应用。1.2PGC的调制技术PGC的调制技术分为内调制和外调制，内调制就是采用一个余弦调制器调制光源，以往的PGC内调制技术多采用调制半导体激光器的驱动电流的技术，但该方法的一个缺点就是调制深度不好控制，随着光纤激光器技术的发展，PGC的内调制技术多采用调制光纤激光器腔长的方法实现调制，具体是将光纤激光器的光纤缠绕在压电陶瓷环上；外调制技术是在激光器外部进行调制，多是将光纤干涉仪的一个臂缠绕在压电陶瓷环上，通过在压电陶瓷上施加周期性的电压来进行调制，由于光纤传感技术的优势是抗电磁干扰，具有远程传输和大规模复用的能力，由于外调制技术由于在传感部分引入了电，因此逐渐会被淘汰。2.早期PGC算法的发展最早的PGC算法是由美国海军研究实验室（UnitedStatesNavalResearchLaboratory，简称NRL），的ANTHONYDANDRIDGE,ALANB.TVETEN,ANDTHOMASG.GIALLORENZI,在1982年于IEEE发表的一篇《HomodyneDemodulationSchemeforFiberOpticSensorsUsingPhaseGeneratedCarrier》[1](《使用相位载波生成的零差光纤传感器》)。本文中，作者以零差解调算法为基础，提出了一种大动态范围，良好线性度的解调结构原理图，即PGC解调结构。随后以NRL与美国海军研究生院NavalPostgraduateSchool(NPS)为主，以光纤水听器项目建设为动力，促进了PGC算法的进一步研究与发展。在1987年，还是ANTHONYDANDRIDGE,A.B.TVETEN,A.D.KERSEY,A.M.YUREK等人在JLT上发表了一篇名为《MultiplexingofInterferometricSensorsUsingPhaseCarrierTechniques》(《使用PGC技术的复用型干涉仪技术》)的文章，这篇文章提出了PGC算法解调复用型传感器基本结构，简要的分析了串扰噪声，实验结果表明相位分辨率能够达到2urad.[2]对于早期PGC算法的噪声分析，1990年的EL上一篇由HIJANG,I.JAMES,1.R.,DERNFKVD,A.G.SUZUKI,v.,andCHIBA等人发表的《NOVELPASSIVEPHASENOISECANCELLINGTECHNIQUEFORINTERFEROMETRICFIBREOPTICSENSORS》(《去除干涉行传感器的小波噪声的新技术》)，初步分析了光线传感器的相位噪声，并提出了一种新的结构能够消除这种噪声。[3]3.PGC算法的相关分析3.1光源的分析光源噪声在光学系统中占有重要的位置，对光源的调制会引起伴声调幅等现象。2008年清华大学的柏林厚(导师：廖延彪)发表的《于光频调制PGC解调系统的光源及其它若干问题研究》深入的分析了光源对系统参数的影响，文中它主要分析了光源对B,C值的影响以及光源对系统动态范围的影响。得出结论，需要用功率稳定的激光器；通过减小干涉臂长lc能够减小伴声调幅的影响；对整个PGC解调系统增加抗混叠滤波器。3.2复用PGC系统的分析1996年Shih-ChuHuang,Wuu-WenLin,Mao-HsiungChen,Shoren-ChienHung,andHung-LungChao等人在OE上发表的《CrosstalkAnalysisandSystemdesignofdivisionMultiplexingpolarization-InsensitiveFiberMichelsonInterferometricSensors》(《偏振不敏感光纤干涉仪时分复用系统的分析》)一文中，详细的分析了因分布式系统串扰问题带来的噪声影响。本文中，他着重分析了迈克尔逊干涉仪时分复用系统中的有限消光比，得出了使用适当的光源以及适当的相干长度的结论，同时也分析了时分复用系统的延时噪声，瑞利散射噪声。[4]与此同时，1996年Shih-ChuHuang,Wuu-WenLin,Mao-HsiungChen等人又在OE上发表了一篇《Phasesensitivitynormalizationintime-divisionmultiplexingofpolarization-insensitiveinterferometricsensorsusingphase-generatedcarrierdemodulation》(《基于PGC偏振不敏感光纤干涉仪时分复用系统的相位灵敏度归一化研究》)。本文中，他们提出了一种使用AGC的方法来归一化PGC算法的解调结果，这种AGC算法能够改善光源引起的波动以及色散从而优化解调的结果。[5]在2001的JLT上，GeoffreyA.CranchandPhilipJ.Nash等人发表了一篇名为《Large-ScaleMultiplexingofInterferometricFiber-OpticSensorsUsingTDMandDWDM》(《时分复用波分复用光纤干涉仪大动态范围》)的文章[6]，本文他们给出了时分波分复用系统的系统架构框图，分析了系统的噪声，动态范围，反馈光源的噪声。他们所构建的试验系统为包含有6个波段192个传感单元的传感器阵列。对于复用系统的串扰分析，HaoXiao,FangLi,andYuliangLiu等人在208年的JLT上发表了一篇题为《CrosstalkAnalysisofaFiberLaserSensorArraySystemBasedonDigitalPhase-GeneratedCarrierScheme》(《PGC算法光纤阵列的串扰分析》)一文。该文中，他们建立了波分复用阵列系统的噪声模型，详细的研究了因为光隔离度不足而引起的串扰噪声，这个噪声对PGC解调结果的影响，得出了再三通道的阵列系统中需要50dB的光隔离度。[7]3.3PGC解调的优化对于PGC的解调性能，也是很多人关注的问题，2008年，IEEE上由HaoXiao,FangLi,JunHe,andYuliangLiu等人发表的一篇名为《DFBFiberLaserSensorSystemwithUltra-highResolutionanditsNoiseAnalysis》(《DFB激光传感器超高分辨率以及噪声分析》)，详细了研究了光纤传感器的性能。本文中主要使用一种在高增益光纤中写入分布式反馈结构的光纤，经PGC方法调制的系统能达到超高的灵敏度，并对该系统的噪声做了详细的分析。[8]同年，YangLiu,LiweiWang,ChangdongTian,MinZhang,andYanbiaoLiao等人在JLT上发表一篇名为《AnalysisandOptimizationofthePGCMethodinAllDigitalDemodulationSystems》(《分析与改进PGC数字算法》)的文章，本文主要草低通滤波器性能的角度详细的分析对PGC解调算法的影响，通过传递函数的推倒，得出了等效噪声传递函数的值以及高阶低通滤波器能够优化算法的结论。2009年，ChangdongTian,LiweiWang,MinZhang,HuayongZhang,XiaohuiChu,ShurongLai,YanbiaoLiao等人又在SPE上发表了一篇名为《PerformanceimprovementofPGCmethodbyusinglookuptableforopticalseismometer》(《通过查表法提升基于PGC算法的光学检波器》)的文章。本文他们提出了一种新的方法能够消除在海洋光学检波器中光强波动对PGC干扰。使用一种非线性函数的查表发，能够明显改善系统性能，谐波抑制率增加30dB而且动态范围也有26dB的提升。2013年SensorsandActuators上Shih-ChuHuang∗,Yuh-FungHuang,Fuh-HsinHwang等人发表了一篇名为《AnimprovedsensitivitynormalizationtechniqueofPGCdemodulationwithlowminimumphasedetectionsensitivityusinglasermodulationtogeneratecarriersignal》(《一种改进的归一化方法提高激光调制PGC的相位灵敏度》)。本文中他们主要解决了实验室干涉仪不能很好地适应室外环境问题，首先他们提出了一种差分探测结构，使用这种差分探测结构能够有效的降低噪声。其次他们提出了在载波调制的同时加上适当的微扰信号，这个信号能够在一定程度上抑制本底噪声。4.结论PGC算法作为干涉仪的一种重要的解调算法，相位产生载波技术是在光纤传感技术中一种非常流行的技术，具有解调简单，对硬件要求小的特点，在经过长期的发展与不断完善之后已经逐渐走向成熟，在传统的DCM基础上，后人有了很多的改进，随着现代电路系统，光学器件性能的提升，使用PGC解调算法的实验结果逐渐优化。但是该算法仍有一些不完美的地方，比如说动态范围等问题，还需要后人逐步完善。参考文献[1]DANDRIDGEA,TVETENAB,GIALLORENZIATG.HomodyneDemodulationSchemeforFiberOpticSensorsUsingPhaseGeneratedCarrier[J].IEEE,1982,30(10).[2]DANDRIDGEA,TVETENAB,KERSEYAD,etal.MultiplexingofInterferometricSensorsUsingPhaseCarrierTechniques[J].JLT,1987,LT-5(7).[3]HIJANG,JAMESI,1.R.,等.NOVELPASSIVEPHASENOISECANCELLINGTECHNIQUEFORINTERFEROMETRICFIBREOPTICSENSORS[J].EL,1990,26(10).[4]HuangS,LinW,ChenM,etal.CrosstalkAnalysisandSystemdesignofdivisionMultiplexingpolarization-InsensitiveFiberMichelsonInterferometricSensors[J].OE,1996,14(6).[5]HuangS,LinW,ChenM.Phasesensitivitynormalizationintime-divisionmultiplexingofpolarization-insensitiveinterferometricsensorsusingphase-generatedcarrierdemodulation[J].JLT,1996,35(9).[6]NashGACAPJ.Large-ScaleMultiplexingofInterferometricFiber-OpticSensor