RU2470477C1 - Method of all-fiber interferometer signal demodulation - Google Patents
Method of all-fiber interferometer signal demodulation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2470477C1 RU2470477C1 RU2011119371/28A RU2011119371A RU2470477C1 RU 2470477 C1 RU2470477 C1 RU 2470477C1 RU 2011119371/28 A RU2011119371/28 A RU 2011119371/28A RU 2011119371 A RU2011119371 A RU 2011119371A RU 2470477 C1 RU2470477 C1 RU 2470477C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sin
- samples
- phase difference
- signal
- triple
- Prior art date
Links
Landscapes
- Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптических способов измерения физических величин с использованием волоконных интерферометров, в том числе для измерения механических и акустических колебаний, а также линий сбора данных на их основе.The invention relates to the field of optical methods for measuring physical quantities using fiber interferometers, including for measuring mechanical and acoustic vibrations, as well as data collection lines based on them.
Известно «Опросное устройство для волоконно-оптических линий с использованием двух склонов» [Патент US №6778720]. Способ демодуляции сигнала, используемый в данном устройстве, включает вспомогательную модуляцию разности фаз световых волн в интерферометрах гармоническим сигналом, преобразование выходного сигнала фотоприемника, установленного на выходе линии, в последовательность цифровых отсчетов, выбор по пять отсчетов на каждом из двух склонов периодической зависимости сигнала от времени, вычисление по части выбранных отсчетов искомой разности фаз световых волн в интерферометре, вычисление амплитуды вспомогательной модуляции по остальным отсчетам и ее последующую регулировку. Недостатками данного способа являются сложность его реализации, использование в каждом цикле вычислений не менее десяти отсчетов сигнала, необходимость точного поддержания амплитуды вспомогательной модуляции и одинаковости разности плеч всех интерферометров, входящих в линию.Known "Interrogation device for fiber optic lines using two slopes" [US Patent No. 6778720]. The method of signal demodulation used in this device includes auxiliary modulation of the phase difference of light waves in interferometers by a harmonic signal, converting the output signal of a photodetector installed at the output of the line into a sequence of digital samples, selecting five samples on each of the two slopes of the signal's periodic dependence on time , the calculation of the selected samples of the desired phase difference of the light waves in the interferometer, the calculation of the amplitude of the auxiliary modulation for the rest of accounts and its subsequent adjustment. The disadvantages of this method are the complexity of its implementation, the use in each calculation cycle of at least ten samples of the signal, the need to accurately maintain the amplitude of the auxiliary modulation and the uniformity of the shoulder difference of all interferometers included in the line.
Известен «Четырехступенчатый дискретный способ демодуляции фазовых сдвигов для линий из волоконно-оптических датчиков» [Патент US №6122057]. Способ включает вспомогательную фазовую модуляцию интерферометра гармоническим сигналом, формирование четырех сигналов, являющихся интегралами выходного сигнала фотоприемника в течение разных промежутков времени, преобразование интегральных сигналов в последовательности цифровых отсчетов, вычисление искомой разности фаз световых волн в интерферометре. Недостатками данного способа являются сложность его реализации, необходимость формирования четырех интегральных сигналов, дополнительного вычисления поправочного коэффициента для корректировки вычисленных значений разности фаз.The well-known "Four-stage discrete method of demodulating phase shifts for lines of fiber-optic sensors" [US Patent No. 6122057]. The method includes auxiliary phase modulation of the interferometer by a harmonic signal, the formation of four signals that are integrals of the output signal of the photodetector for different periods of time, converting the integrated signals into a sequence of digital samples, calculating the desired phase difference of the light waves in the interferometer. The disadvantages of this method are the complexity of its implementation, the need to form four integrated signals, additional calculation of the correction factor to adjust the calculated values of the phase difference.
Известен «Способ и устройство демодуляции выходных сигналов интерферометра повышенной точности», выбранный за прототип [Патент US №6556509]. Способ демодуляции включает модуляцию разности фаз световых волн в интерферометре по гармоническому закону с амплитудой, преобразование периодического сигнала, получаемого с фотоприемника, установленного на выходе интерферометра, (период сигнала равен периоду вспомогательной модуляции) в поток цифровых отсчетов с получением двенадцати отсчетов в течение каждого периода. Отсчеты регистрируются через равные промежутки времени, частота дискретизации в двенадцать раз выше частоты модуляции. Выбор в течение каждого периода сигнала шести отсчетов из двенадцати и вычисление по этим шести отсчетам значения искомой разности фаз один раз за период с использованием формул, полученных для амплитуды модуляции. После чего осуществляют вычисление по оставшимся шести отсчетам амплитуды модуляции, проверка равенства амплитуды значению радиан и корректировка амплитуды.The well-known "Method and device for demodulating the output signals of the interferometer high accuracy", selected for the prototype [US Patent No. 6556509]. The demodulation method includes modulating the phase difference of the light waves in the interferometer according to a harmonic law with amplitude, converting the periodic signal received from the photodetector installed at the output of the interferometer (the signal period is equal to the period of the auxiliary modulation) into a stream of digital samples to obtain twelve samples during each period. Samples are recorded at regular intervals, the sampling frequency is twelve times higher than the modulation frequency. For each signal period, select six samples out of twelve and calculate from these six samples the values of the desired phase difference once per period using formulas obtained for the modulation amplitude. After that, they calculate the remaining six samples of the modulation amplitude, check the equality of the amplitude to the value of the radians, and adjust the amplitude.
Недостатками прототипа являются сложность расчетов, сложность реализации способа, необходимость точного поддержания амплитуды вспомогательной гармонической модуляции равной π радиан, требование равенства разностей плеч всех интерферометров при использовании способа для демодуляции сигналов в линии из нескольких интерферометров.The disadvantages of the prototype are the complexity of the calculations, the complexity of the method, the need to accurately maintain the amplitude of the auxiliary harmonic modulation equal to π radians, the requirement of equality of the difference of the shoulders of all interferometers when using the method for demodulating signals in a line of several interferometers.
Задачами способа демодуляции являются упрощение вычислений и реализации, исключение требования к определенному значению амплитуды вспомогательной модуляции и равенства разностей длин плеч интерферометров, объединенных в линию.The objectives of the demodulation method are to simplify calculations and implementation, to eliminate the requirement for a certain value of the amplitude of the auxiliary modulation and the equality of the difference in the lengths of the arms of the interferometers combined in a line.
Для решения поставленной задачи предложено два варианта способа демодуляции сигнала волоконного интерферометра.To solve this problem, two variants of a method for demodulating a signal of a fiber interferometer are proposed.
Первый вариант способа демодуляции включает модуляцию разности фаз в интерферометре гармоническим сигналом, преобразование сигнала осуществляют с частотой в три раза больше частоты модуляции разности фаз в интерферометре, формируют тройки отсчетов из всех трех отсчетов каждого периода, после чего вычисление искомой разности фаз ведут по каждой тройке по формулам:The first version of the demodulation method includes modulating the phase difference in the interferometer with a harmonic signal, converting the signal with a frequency three times the frequency of modulating the phase difference in the interferometer, form triples of samples from all three samples of each period, after which the required phase difference is calculated for each triple of formulas:
гдеWhere
a=u(0)(C1-C2)+u(1)(C2-C0)+u(2)(C0-C1), b=u(0)(S1-S2)+u(1)(S2-S0)+u(2)(S0-S1),a = u (0) (C 1 -C 2 ) + u (1) (C 2 -C 0 ) + u (2) (C 0 -C 1 ), b = u (0) (S 1 -S 2 ) + u (1) (S 2 -S 0 ) + u (2) (S 0 -S 1 ),
где u(0), u(1), u(2) - значения отсчетов в тройке, С0=cos[φ(0)], C1=cos[φ(1)], C2=cos[φ(2)] и S0=sin[φ(0)], S1=sin[φ(1)], S2=sin[φ(2)],where u (0) , u (1) , u (2) are the values of the samples in the triple, С 0 = cos [φ (0) ], C 1 = cos [φ (1) ], C 2 = cos [φ ( 2) ] and S 0 = sin [φ (0) ], S 1 = sin [φ (1) ], S 2 = sin [φ (2) ],
где φ(0)=δφmsin[θ0], φ(1)=δφmsin[θ1], φ(2)=δφmsin[θ2],where φ (0) = δφ m sin [θ 0 ], φ (1) = δφ m sin [θ 1 ], φ (2) = δφ m sin [θ 2 ],
где δφm - амплитуда модулирующего сигнала, θ0 - фазовая задержка первого отсчета относительно начала периода модуляции, θ1=θ0+2π/3, θ2=θ0 +4π/3. Тройки отсчетов могут быть сформированы из всех трех отсчетов одного периода с пропуском М-1 периодов, где М - целое число >1.where δφ m is the amplitude of the modulating signal, θ 0 is the phase delay of the first reference relative to the beginning of the modulation period, θ 1 = θ 0 + 2π / 3, θ 2 = θ 0 + 4π / 3. The triples of samples can be formed from all three samples of the same period with the omission of M-1 periods, where M is an integer> 1.
Второй вариант способа демодуляции сигнала волоконного интерферометра включает модуляцию разности фаз в интерферометре гармоническим сигналом, преобразование сигнала осуществляют с частотой в три раза больше частоты модуляции разности фаз в интерферометре, формируют тройки отсчетов, объединяющие каждые три соседних отсчета со сдвигом на один отсчет, затем вычисление искомой разности фаз ведут по каждой тройке по формулам:The second variant of the method for demodulating the signal of a fiber interferometer includes modulating the phase difference in the interferometer with a harmonic signal, converting the signal with a frequency three times the frequency of modulating the phase difference in the interferometer, forming triples of samples that combine every three neighboring samples with a shift by one sample, then calculating the desired phase differences are for each triple according to the formulas:
гдеWhere
a=u(0)(C1-C2)+u(1)(C2-C0)+u(2)(C0-C1), b=u(0)(S1-S2)+u(1)(S2-S0)+u(2)(S0-S1),a = u (0) (C 1 -C 2 ) + u (1) (C 2 -C 0 ) + u (2) (C 0 -C 1 ), b = u (0) (S 1 -S 2 ) + u (1) (S 2 -S 0 ) + u (2) (S 0 -S 1 ),
где u(0), u(1), u(2) - значения отсчетов в тройке, С0=cos[φ(0)], C1=cos[φ(1)], C2=cos[φ(2)] и S0=sin[φ(0)], S1=sin[φ(1)], S2=sin[φ(2)],where u (0) , u (1) , u (2) are the values of the samples in the triple, С 0 = cos [φ (0) ], C 1 = cos [φ (1) ], C 2 = cos [φ ( 2) ] and S 0 = sin [φ (0) ], S 1 = sin [φ (1) ], S 2 = sin [φ (2) ],
где для первой тройки - φ(0)=δφmsin[θ0], φ(1)=δφmsin[θ1], φ(2)=δφmsin[θ2], для второй тройки φ(0)=δφmsin[θ1], φ(1)=δφmsin[θ2], φ(2)=δφmsin[θ0], для третьей тройки φ(0)=δφmsin[θ2], φ(1)=δφmsin[θ0], φ(2)=δφmsin[θ1],where for the first triple - φ (0) = δφ m sin [θ 0 ], φ (1) = δφ m sin [θ 1 ], φ (2) = δφ m sin [θ 2 ], for the second triple φ (0 ) = δφ m sin [θ 1 ], φ (1) = δφ m sin [θ 2 ], φ (2) = δφ m sin [θ 0 ], for the third triple φ (0) = δφ m sin [θ 2 ], φ (1) = δφ m sin [θ 0 ], φ (2) = δφ m sin [θ 1 ],
где δφm - амплитуда модулирующего сигнала, θ0 - фазовая задержка первого отсчета относительно начала периода модуляции, θ1=θ0+2π/3, θ2=θ0+4π/3, после чего процесс вычисления фаз повторяют.where δφ m is the amplitude of the modulating signal, θ 0 is the phase delay of the first reference relative to the beginning of the modulation period, θ 1 = θ 0 + 2π / 3, θ 2 = θ 0 + 4π / 3, after which the phase calculation process is repeated.
Выбор частоты преобразования обусловлен необходимым минимальным количеством отсчетов в течение каждого периода модуляции.The choice of conversion frequency is determined by the required minimum number of samples during each modulation period.
В том случае, когда частота изменения искомой разности фаз мала, целесообразно формировать тройки отсчетов из всех трех отсчетов одного периода с пропуском М-1 периодов, что позволит уменьшить среднее количество данных, обрабатываемых в единицу времени, в М раз, где М - целое число >1.In the case when the frequency of change in the desired phase difference is small, it is advisable to form triples of samples from all three samples of the same period with the omission of M-1 periods, which will reduce the average amount of data processed per unit time, M times, where M is an integer > 1.
В том случае, когда частота изменения искомой разности фаз велика, целесообразно формировать тройки отсчетов, объединяющие каждые три соседних отсчета со сдвигом на один отсчет, и использовать разные наборы коэффициентов, чтобы избежать искажения сигнала.In the case when the frequency of the desired phase difference is large, it is advisable to form triples of samples that combine every three neighboring samples with a shift by one sample and use different sets of coefficients to avoid signal distortion.
В предлагаемом способе частота преобразования полученного периодического сигнала в последовательность цифровых отсчетов и вычисление каждого значения искомой разности фаз по тройке отсчетов позволяет уменьшить количество данных и упростить расчеты.In the proposed method, the frequency of converting the received periodic signal into a sequence of digital samples and calculating each value of the desired phase difference across the three samples allows you to reduce the amount of data and simplify the calculations.
Математические формулы, используемые для вычисления искомой разности фаз применимы при произвольной амплитуде модуляции, что упрощает реализацию и снимает требование одинаковой разности плеч всех интерферометров в линии.The mathematical formulas used to calculate the desired phase difference are applicable for arbitrary modulation amplitude, which simplifies the implementation and removes the requirement of the same shoulder difference of all interferometers in the line.
Для модуляции разности фаз в интерферометре используем гармонический сигналTo modulate the phase difference in the interferometer, we use a harmonic signal
где δφm и fм - амплитуда и частота модулирующего сигнала.where δφ m and f m are the amplitude and frequency of the modulating signal.
Известно, что напряжение, получаемое с фотоприемника, установленного на выходе двухплечного волоконного интерферометра, при наличии модуляции φ(t) имеет видIt is known that the voltage obtained from a photodetector installed at the output of a two-arm fiber interferometer, in the presence of modulation φ (t), has the form
где φС - искомая разность фаз, которую необходимо определить в результате демодуляции, U0 и Um - постоянная составляющая и амплитуда интерференционного сигнала.where φ C is the desired phase difference, which must be determined as a result of demodulation, U 0 and U m are the constant component and the amplitude of the interference signal.
Предполагается медленное изменение φС, U0 и Um по сравнению с колебаниями модулирующего сигнала, и в течение одного периода модуляции эти величины можно считать постоянными. Данное условие может быть формально выражено следующими неравенствами:A slow change in φ С , U 0, and U m is assumed as compared with the oscillations of the modulating signal, and during one modulation period these values can be considered constant. This condition can be formally expressed by the following inequalities:
Преобразуем полученный сигнал (2) в последовательность отсчетов un с частотой дискретизации fd, в три раза превышающей частоту модуляции fd=3·fM,We transform the received signal (2) into a sequence of samples u n with a sampling frequency f d three times the modulation frequency f d = 3 · f M ,
где n - номер отсчета от начала первого периода модуляции (n=0, 1, 2,…), θ0=2πfМΔt - фазовая задержка первого отсчета относительно начала периода модуляции, tn - момент времени n-го отсчета интерференционного сигнала, φn - значения модулирующего сигнала φ(t) в моменты времени tn.where n is the reference number from the beginning of the first modulation period (n = 0, 1, 2, ...), θ 0 = 2πf M Δt is the phase delay of the first reference relative to the beginning of the modulation period, t n is the time instant of the n-th reference interference signal, φ n - values of the modulating signal φ (t) at time t n .
Для описания формируемых сигналов удобно ввести в рассмотрение значения аргумента модулирующего фазу гармонического колебания (1) в моменты регистрации отсчетов tn To describe the generated signals, it is convenient to introduce into consideration the values of the argument modulating the phase of harmonic oscillation (1) at the moments of registration of samples t n
Для вычисления значения искомой разности фаз φC выбираем три отсчета интерференционного сигнала. Это условие определяется тем, что функция (2), описывающая модулированный интерференционный сигнал, имеет три неизвестных параметра, которые исходя из условия (3) полагаются постоянными в течение периода модуляции: искомая разность фаз φС, U0 и Um.To calculate the value of the desired phase difference φ C, we select three samples of the interference signal. This condition is determined by the fact that function (2), which describes the modulated interference signal, has three unknown parameters, which, starting from condition (3), are assumed to be constant during the modulation period: the desired phase difference φ С , U 0 and U m .
Обозначив тройку отсчетов сигнала в течение одного периода модуляции {u(0), u(1), u(2)} и записав их значения по формуле (4), получим систему уравнений, решение которой приводит к выражениям для искомой разности фаз φC в диапазоне [-π, π]:Denoting the three samples of the signal during one modulation period {u (0) , u (1) , u (2) } and writing down their values according to formula (4), we obtain a system of equations, the solution of which leads to the expressions for the desired phase difference φ C in the range [-π, π]:
гдеWhere
a=u(0)(C1-C2)+u(1)(С2-C0)+u(2)(C0-C1), b=u(0)(S1-S2)+u(1)(S2-S0)+u(2)(S0-S1),a = u (0) (C 1 -C 2 ) + u (1) (C 2 -C 0 ) + u (2) (C 0 -C 1 ), b = u (0) (S 1 -S 2 ) + u (1) (S 2 -S 0 ) + u (2) (S 0 -S 1 ),
где C0=cos[φ(0)], C1=cos[φ(1)], C2=cos[φ(2)] и S0=sin[φ(0)], S1=sin[φ(1)], S2=sin[φ(2)],where C 0 = cos [φ (0) ], C 1 = cos [φ (1) ], C 2 = cos [φ (2) ] and S 0 = sin [φ (0) ], S 1 = sin [ φ (1) ], S 2 = sin [φ (2) ],
где φ(0)=δφmsin[θ0], φ(1)=δφmsin[θ1], φ(2)=δφmsin[θ2].where φ (0) = δφ m sin [θ 0 ], φ (1) = δφ m sin [θ 1 ], φ (2) = δφ m sin [θ 2 ].
Тройки отсчетов могут быть сформированы из всех трех отсчетов одного периода, с пропуском М-1 периодов, где М - целое число >1.The triples of samples can be formed from all three samples of the same period, with the omission of M-1 periods, where M is an integer> 1.
Второй вариант способа демодуляции аналогичен первому, но тройки {u(0), u(1), u(2)} формируют из трех соседних отсчетов со сдвигом в каждой последующей тройке на один отсчет.The second version of the demodulation method is similar to the first, but the triples {u (0) , u (1) , u (2) } are formed from three neighboring samples with a shift in each subsequent triple by one sample.
Формула (6), по которой проводят вычисления значений искомой разности фаз φC, не меняются, но при вычислениях используют три варианта коэффициентов, соответствующих трем разным наборам {φ(0), φ(1), φ(2)}:Formula (6), which calculates the values of the desired phase difference φ C , does not change, but in the calculations use three options for the coefficients corresponding to three different sets {φ (0) , φ (1) , φ (2) }:
для первой тройки {φ(0), φ(1), φ(2)}={δφmsin[θ0], δφmsin[θ1], δφmsin[θ2]},for the first three {φ (0) , φ (1) , φ (2) } = {δφ m sin [θ 0 ], δφ m sin [θ 1 ], δφ m sin [θ 2 ]},
для второй тройки {φ(0), φ(1), φ(2)}={δφmsin[θ1], δφmsin[θ2], δφmsin[θ0]},for the second triple {φ (0) , φ (1) , φ (2) } = {δφ m sin [θ 1 ], δφ m sin [θ 2 ], δφ m sin [θ 0 ]},
для третьей тройки {φ(0), φ(1), φ(2)}={δφmsin[θ2], δφmsin[θ0], δφmsin[θ1]}.for the third triple {φ (0) , φ (1) , φ (2) } = {δφ m sin [θ 2 ], δφ m sin [θ 0 ], δφ m sin [θ 1 ]}.
Каждому из этих трех наборов {φ(0), φ(1), φ(2)} соответствует свой набор коэффициентов {С0, С1, С2, S0, S1, S2}, вычисляемый по тем же формулам: C0=cos[φ(0)], C1=cos[φ(1)], С2=cos[φ(2)] и S0=sin[φ(0)], S1=sin[φ(1)], S2=sin[φ(2)].Each of these three sets {φ (0) , φ (1) , φ (2) } corresponds to its own set of coefficients {С 0 , С 1 , С 2 , S 0 , S 1 , S 2 }, calculated by the same formulas : C 0 = cos [φ (0) ], C 1 = cos [φ (1) ], C 2 = cos [φ (2) ] and S 0 = sin [φ (0) ], S 1 = sin [ φ (1) ], S 2 = sin [φ (2) ].
После третьей тройки наборы {φ(0), φ(1), φ(2)} и процесс вычисления разности фаз повторяют для 4-й, 5-й и 6-й троек и т.д.After the third triple, the sets {φ (0) , φ (1) , φ (2) } and the process of calculating the phase difference are repeated for the 4th, 5th and 6th triples, etc.
Для реализации способа демодуляции необходимо регистрировать колебания φC(t), вызываемые воздействием на интерферометр в частотном диапазоне, не превышающем полосу 5 кГц и амплитудой не более 1 радиана (например, акустические или вибрационные воздействия).To implement the demodulation method, it is necessary to register fluctuations φ C (t) caused by the action on the interferometer in the frequency range not exceeding the 5 kHz band and amplitude not more than 1 radian (for example, acoustic or vibration effects).
По первому варианту способа модулируем разность фаз в интерферометре гармоническим сигналом с частотой fM=50 кГц и амплитудой δφm=2 радиана. При этом для максимальной частоты и амплитуды измеряемого сигнала FC=5 кГц неравенства условия (3) принимают видAccording to the first variant of the method, we modulate the phase difference in the interferometer with a harmonic signal with a frequency f M = 50 kHz and an amplitude δφ m = 2 radians. Moreover, for the maximum frequency and amplitude of the measured signal F C = 5 kHz, the inequalities of condition (3) take the form
fМ/FС=10>>1 и (dφС/dt)=2π·1·5=10π<<2πfМ=100π,f M / F С = 10 >> 1 and (dφ С / dt) = 2π · 1 · 5 = 10π << 2πf М = 100π,
т.е. условия выполняются.those. conditions are met.
Преобразование полученного периодического сигнала в последовательность цифровых отсчетов производим с частотой fd=3fМ=150 кГц, т.е. в три раза больше, чем частота модуляции. При этом допустим, что сдвиг начального отсчета относительно начала периода соответствует фазовому сдвигу θ0=0.2 радиан (т.е. Δt=0.637 мкс).The conversion of the received periodic signal into a sequence of digital samples is performed with a frequency f d = 3f M = 150 kHz, i.e. three times the modulation frequency. In this case, we assume that the shift of the initial reference relative to the beginning of the period corresponds to the phase shift θ 0 = 0.2 radians (i.e., Δt = 0.637 μs).
Пусть в течение некоторого периода модуляции параметры интерференционного сигнала имеют значения U0=1, Um=1, а искомая фаза составляет φC=2 радиана. Тогда, согласно (4) для этого периода будет сформирована тройка отсчетовLet the parameters of the interference signal have the values U 0 = 1, U m = 1 for a certain period of modulation, and the desired phase is φ C = 2 radians. Then, according to (4), a triple of samples will be formed for this period
{u(0), u(1), u(2)}={0.264, 0.063, 1.995}{u (0) , u (1) , u (2) } = {0.264, 0.063, 1.995}
Для вычисления искомой разности фаз используем фиксированные коэффициенты:To calculate the desired phase difference, we use fixed coefficients:
φ(0)=δφmsin[θ0]=0.397, φ(1)=δφmsin[θ1]=1.499, φ(2)=δφmsin[θ2]=-1.896 радиан;φ (0) = δφ m sin [θ 0 ] = 0.397, φ (1) = δφ m sin [θ 1 ] = 1.499, φ (2) = δφ m sin [θ 2 ] = - 1.896 rad;
C0=cos[φ(0)]=0.922, C1=cos[φ(1)]=0.072, C2=cos[φ(2)]=-0.32;C 0 = cos [φ (0) ] = 0.922, C 1 = cos [φ (1) ] = 0.072, C 2 = cos [φ (2) ] = - 0.32;
S0=sin[φ(0)]=0.387, S1=sin[φ(1)]=0.997, S2=sin[φ(2)]=-0.948.S 0 = sin [φ (0) ] = 0.387, S 1 = sin [φ (1) ] = 0.997, S 2 = sin [φ (2) ] = - 0.948.
В результате расчета по формуле (6) для указанной тройки получим:As a result of the calculation according to formula (6) for the indicated triple, we obtain:
a=u(0)(C1-C2)+u(1)(С2-C0)+u(2)(C0-C1)=0.264 (0.072+0.32)+0.063 (-0.32-0.922)+a = u (0) (C 1 -C 2 ) + u (1) (C 2 -C 0 ) + u (2) (C 0 -C 1 ) = 0.264 (0.072 + 0.32) +0.063 (-0.32- 0.922) +
1.995 (0.922-0.072)=1.721;1.995 (0.922-0.072) = 1.721;
b=u(0)(S1-S2)+u(1)(S2-S0)+u(2)(S0-S1)=0.264 (0.997+0.948)+0.063 (-0.948-0.387)+b = u (0) (S 1 -S 2 ) + u (1) (S 2 -S 0 ) + u (2) (S 0 -S 1 ) = 0.264 (0.997 + 0.948) +0.063 (-0.948- 0.387) +
1.995 (0.387-0.997)=-0.788;1.995 (0.387-0.997) = - 0.788;
a/b=-2.185; arctg(a/b)=-1.42;a / b = -2.185; arctg (a / b) = - 1.42;
φС=arctg(a/b)+π=2 радиана.φ С = arctan (a / b) + π = 2 radians.
Таким образом, получили правильное значение искомой разности фаз φC.Thus, the correct value of the desired phase difference φ C was obtained.
Данный пример иллюстрирует вычисление искомой разности фаз φC и в случае формирования троек из отсчетов каждого периода, и в случае формирования троек из всех отсчетов одного периода с пропуском М-1 периодов, где М - целое число >1, например при М=2 пропускаем каждый второй период.This example illustrates the calculation of the desired phase difference φ C in the case of the formation of triples from the samples of each period, and in the case of the formation of triples from all samples of the same period with the omission of M-1 periods, where M is an integer> 1, for example, when M = 2, we omit every second period.
Во втором варианте способа все действия выполняем аналогично первому, но формируем тройки отсчетов, объединяющие каждые три соседних отсчета со сдвигом на один отсчет. Например, пусть в течение некоторых двух периодов модуляции параметры интерференционного сигнала имеют значения U0=1, Um=1, а искомая фаза составляет φC=2 радиана. Тогда, согласно (4) для этих двух периодов будут зафиксированы следующие значения отсчетовIn the second version of the method, we perform all the actions similarly to the first, but we form triples of samples that combine every three neighboring samples with a shift of one sample. For example, let for some two periods of modulation the parameters of the interference signal have the values U 0 = 1, U m = 1, and the desired phase is φ C = 2 radians. Then, according to (4) for these two periods, the following values of samples will be fixed
0.264; 0.063; 1.995; 0.264; 0.063; 1.995.0.264; 0.063; 1.995; 0.264; 0.063; 1.995.
По этому набору отсчетов будут сформированы четыре тройки отсчетов:On this set of samples four triples of samples will be formed:
первая {u(0), u(1), u(2)}={0.264, 0.063, 1.995}first {u (0) , u (1) , u (2) } = {0.264, 0.063, 1.995}
вторая {u(0), u(1), u(2)}={0.063, 1.995, 0.264}second {u (0) , u (1) , u (2) } = {0.063, 1.995, 0.264}
третья {u(0), u(1), u(2)}={1.995, 0.264, 0.063}third {u (0) , u (1) , u (2) } = {1.995, 0.264, 0.063}
четвертая {u(0), u(1), u(2)}={0.264, 0.063, 1.995}fourth {u (0) , u (1) , u (2) } = {0.264, 0.063, 1.995}
При вычислении искомой разности фаз используем три набора фиксированных коэффициентов. Для первой (4-й, 7-й и т.д.) тройки:When calculating the desired phase difference, we use three sets of fixed coefficients. For the first (4th, 7th, etc.) triples:
φ(0)=δφmsin[θ0]=0.397, φ(1)=δφmsin[θ1]=1.499, φ(2)=δφmsin[θ2]=-1.896 радиан;φ (0) = δφ m sin [θ 0 ] = 0.397, φ (1) = δφ m sin [θ 1 ] = 1.499, φ (2) = δφ m sin [θ 2 ] = - 1.896 rad;
C0=cos[φ(0)]=0.922, C1=cos[φ(1)]=0.072, C2=cos[φ(2)]=-0.32;C 0 = cos [φ (0) ] = 0.922, C 1 = cos [φ (1) ] = 0.072, C 2 = cos [φ (2) ] = - 0.32;
S0=sin[φ(0)]=0.387, S1=sin[φ(l)]=0.997, S2=sin[φ(2)]=-0.948.S 0 = sin [φ (0) ] = 0.387, S 1 = sin [φ (l) ] = 0.997, S 2 = sin [φ (2) ] = - 0.948.
Для второй (5-й, 8-й и т.д.) тройки:For the second (5th, 8th, etc.) triples:
φ(0)=δφmsin[θ1]=1.499, φ(1)=δφmsin[θ2]=-1.896, φ(2)=δφmsin[θ0]=0.397 радиан;φ (0) = δφ m sin [θ 1 ] = 1.499, φ (1) = δφ m sin [θ 2 ] = - 1.896, φ (2) = δφ m sin [θ 0 ] = 0.397 rad;
C0=cos[φ(0)]=0.072, C1=cos[φ(1)]=-0.32, C2=cos[φ(2)]=0.922;C 0 = cos [φ (0) ] = 0.072, C 1 = cos [φ (1) ] = - 0.32, C 2 = cos [φ (2) ] = 0.922;
S0=sin[φ(0)]=0.997, S1=sin[φ(1)]=-0.948, S2=sin[φ(2)]=0.387.S 0 = sin [φ (0) ] = 0.997, S 1 = sin [φ (1) ] = - 0.948, S 2 = sin [φ (2) ] = 0.387.
Для третьей (6-й, 9-й и т.д.) тройки:For the third (6th, 9th, etc.) triples:
φ(0)=δφmsin[θ1]=1.499, φ(1)=δφmsin[θ2]=0.397, φ(2)=δφmsin[θ0]=-1.896 радиан;φ (0) = δφ m sin [θ 1 ] = 1.499, φ (1) = δφ m sin [θ 2 ] = 0.397, φ (2) = δφ m sin [θ 0 ] = - 1.896 rad;
C0=cos[φ(0)]=-0.32, C1=cos[φ(1)]=0.922, С2=cos[φ(2)]=0.072;C 0 = cos [φ (0) ] = - 0.32, C 1 = cos [φ (1) ] = 0.922, C 2 = cos [φ (2) ] = 0.072;
S0=sin[φ(0)]=-0.948, S1=sin[φ(1)]=0.387, S2=sin[φ(2)]=0.997.S 0 = sin [φ (0) ] = - 0.948, S 1 = sin [φ (1) ] = 0.387, S 2 = sin [φ (2) ] = 0.997.
Расчет коэффициентов а и b по формуламThe calculation of the coefficients a and b according to the formulas
a=u(0)(C1-C2)+u(1)(С2-C0)+u(2)(C0-C1); b=u(0)(S1-S2)+u(1)(S2-S0)+u(2)(S0-S1); для каждой тройки даст следующие результаты.a = u (0) (C 1 -C 2 ) + u (1) (C 2 -C 0 ) + u (2) (C 0 -C 1 ); b = u (0) (S 1 -S 2 ) + u (1) (S 2 -S 0 ) + u (2) (S 0 -S 1 ); for each triple will give the following results.
Для первой тройки:For the first three:
а=0.264(0.072+0.32)+0.063(-0.32-0.922)+1.995(0.922-0.072)=1.721;a = 0.264 (0.072 + 0.32) +0.063 (-0.32-0.922) +1.995 (0.922-0.072) = 1.721;
b=0.264(0.997+0.948)+0.063(-0.948-0.387)+1.995(0.387-0.997)=-0.788;b = 0.264 (0.997 + 0.948) +0.063 (-0.948-0.387) +1.995 (0.387-0.997) = - 0.788;
Для второй тройки:For the second three:
a=0.063(-0.32-0.922)+1.995(0.922-0.072)+0.264(0.072+0.32)=1.721;a = 0.063 (-0.32-0.922) +1.995 (0.922-0.072) +0.264 (0.072 + 0.32) = 1.721;
b=0.063(-0.948-0.387)+1.995(0.387-0.997)+0.264(0.997+0.948)=-0.788;b = 0.063 (-0.948-0.387) +1.995 (0.387-0.997) +0.264 (0.997 + 0.948) = - 0.788;
Для третьей тройки:For the third three:
a=1.995(0.922-0.072)+0.264(0.072+0.32)+0.063(-0.32-0.922)=1.721;a = 1.995 (0.922-0.072) +0.264 (0.072 + 0.32) +0.063 (-0.32-0.922) = 1.721;
b=1.995(0.387-0.997)+0.264(0.997+0.948)+0.063(-0.948-0.387)=-0.788;b = 1.995 (0.387-0.997) +0.264 (0.997 + 0.948) +0.063 (-0.948-0.387) = - 0.788;
Для четвертой тройки:For the fourth three:
а=0.264(0.072+0.32)+0.063(-0.32-0.922)+1.995(0.922-0.072)=1.721;a = 0.264 (0.072 + 0.32) +0.063 (-0.32-0.922) +1.995 (0.922-0.072) = 1.721;
b=0.264(0.997+0.948)+0.063(-0.948-0.387)+1.995(0.387-0.997)=-0.788;b = 0.264 (0.997 + 0.948) +0.063 (-0.948-0.387) +1.995 (0.387-0.997) = - 0.788;
Соответственно по всем тройкам согласно (6) получим одинаковые значения искомой разности φС=arctg(a/b)+π=2 радиана, т.е. правильное значение искомой фазы.Accordingly, for all triples, according to (6), we obtain the same values of the desired difference φ С = arctan (a / b) + π = 2 radians, i.e. correct value of the desired phase.
Пример реализации 2-х вариантов способа демодуляции сигнала волоконного интерферометра демонстрирует упрощение вычисления искомой разности фаз. При вычислении не требуется определенное значение амплитуды вспомогательной модуляции и равенство разностей длин плеч интерферометров, объединенных в линию.An example of the implementation of 2 variants of the method of demodulating the signal of a fiber interferometer demonstrates the simplification of the calculation of the desired phase difference. In the calculation, a certain value of the amplitude of the auxiliary modulation and the equality of the differences of the arm lengths of the interferometers combined in a line are not required.
Claims (3)
где
a=u(0)(C1-C2)+u(1)(C2-C0)+u(2)(C0-C1), b=u(0)(S1-S2)+u(1)(S2-S0)+u(2)(S0-S1),
где u(0), u(1), u(2) - значения отсчетов в тройке, С0=cos[φ(0)], C1=cos[φ(1)], C2=cos[φ(2)] и S0=sin[φ(0)], S1=sin[φ(1)], S2=sin[φ(2)],
где φ(0)=δφmsin[θ0], φ(1)=δφmsin[θ1], φ(2)=δφmsin[θ2],
где δφm - амплитуда модулирующего сигнала, θ0 - фазовая задержка первого отсчета относительно начала периода модуляции, θ1=θ0+2π/3, θ2=θ0+4π/3.1. The method of demodulating the signal of a fiber interferometer, including modulating the phase difference in the interferometer with a harmonic signal, converting the received periodic signal into a sequence of digital samples, calculating the desired phase difference, characterized in that the signal is converted at a frequency three times the frequency of the modulation of the phase difference in the interferometer , form triples of samples from all three samples of each period, after which the calculation of the desired phase difference is carried out for each triple by the formulas:
Where
a = u (0) (C 1 -C 2 ) + u (1) (C 2 -C 0 ) + u (2) (C 0 -C 1 ), b = u (0) (S 1 -S 2 ) + u (1) (S 2 -S 0 ) + u (2) (S 0 -S 1 ),
where u (0) , u (1) , u (2) are the values of the samples in the triple, С 0 = cos [φ (0) ], C 1 = cos [φ (1) ], C 2 = cos [φ ( 2) ] and S 0 = sin [φ (0) ], S 1 = sin [φ (1) ], S 2 = sin [φ (2) ],
where φ (0) = δφ m sin [θ 0 ], φ (1) = δφ m sin [θ 1 ], φ (2) = δφ m sin [θ 2 ],
where δφ m is the amplitude of the modulating signal, θ 0 is the phase delay of the first reference relative to the beginning of the modulation period, θ 1 = θ 0 + 2π / 3, θ 2 = θ 0 + 4π / 3.
где
a=u(0)(C1-C2)+u(1)(C2-C0)+u(2)(C0-C1), b=u(0)(S1-S2)+u(1)(S2-S0)+u(2)(S0-S1),
где u(0), u(1), u(2) - значения отсчетов в тройке, С0=cos[φ(0)], C1=cos[φ(1)], C2=cos[φ(2)] и S0=sin[φ(0)], S1=sin[φ(1)], S2=sin[φ(2)],
где для первой тройки - φ(0)=δφmsin[θ0], φ(1)=δφmsin[θ1], φ(2)=δφmsin[θ2], для второй тройки φ(0)=δφmsin[θ1], φ(1)=δφmsin[θ2], φ(2)=δφmsin[θ0], для третьей тройки φ(0)=δφmsin[θ2], φ(1)=δφmsin[θ0], φ(2)=δφmsin[θ1],
где δφm - амплитуда модулирующего сигнала, θ0 - фазовая задержка первого отсчета относительно начала периода модуляции, θ1=θ0+2π/3, θ2=θ0+4π/3, после чего процесс вычисления фаз повторяют. 3. A method for demodulating a signal of a fiber interferometer, including modulating the phase difference in the interferometer with a harmonic signal, converting the received periodic signal into a sequence of digital samples, calculating the desired phase difference, characterized in that the signal is converted at a frequency three times the frequency of modulating the phase difference in the interferometer , form triples of samples, combining every three neighboring samples with a shift of one sample, then the calculation of the desired phase difference is carried out for each up to the three according to the formulas:
Where
a = u (0) (C 1 -C 2 ) + u (1) (C 2 -C 0 ) + u (2) (C 0 -C 1 ), b = u (0) (S 1 -S 2 ) + u (1) (S 2 -S 0 ) + u (2) (S 0 -S 1 ),
where u (0) , u (1) , u (2) are the values of the samples in the triple, С 0 = cos [φ (0) ], C 1 = cos [φ (1) ], C 2 = cos [φ ( 2) ] and S 0 = sin [φ (0) ], S 1 = sin [φ (1) ], S 2 = sin [φ (2) ],
where for the first triple - φ (0) = δφ m sin [θ 0 ], φ (1) = δφ m sin [θ 1 ], φ (2) = δφ m sin [θ 2 ], for the second triple φ (0 ) = δφ m sin [θ 1 ], φ (1) = δφ m sin [θ 2 ], φ (2) = δφ m sin [θ 0 ], for the third triple φ (0) = δφ m sin [θ 2 ], φ (1) = δφ m sin [θ 0 ], φ (2) = δφ m sin [θ 1 ],
where δφ m is the amplitude of the modulating signal, θ 0 is the phase delay of the first reference relative to the beginning of the modulation period, θ 1 = θ 0 + 2π / 3, θ 2 = θ 0 + 4π / 3, after which the phase calculation process is repeated.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011119371/28A RU2470477C1 (en) | 2011-05-13 | 2011-05-13 | Method of all-fiber interferometer signal demodulation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011119371/28A RU2470477C1 (en) | 2011-05-13 | 2011-05-13 | Method of all-fiber interferometer signal demodulation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011119371A RU2011119371A (en) | 2012-11-20 |
RU2470477C1 true RU2470477C1 (en) | 2012-12-20 |
Family
ID=47322912
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011119371/28A RU2470477C1 (en) | 2011-05-13 | 2011-05-13 | Method of all-fiber interferometer signal demodulation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2470477C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2682981C1 (en) * | 2018-10-31 | 2019-03-25 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Demodulation method of fiber optic current sensor signal |
RU2683378C1 (en) * | 2017-10-23 | 2019-03-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" | Method of digital demodulation of phase fiber-optic sensor signals |
RU2696324C1 (en) * | 2018-12-15 | 2019-08-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method for phase-optical sensor signal demodulation |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1053321A1 (en) * | 1982-06-30 | 1983-11-07 | Ленинградский Электротехнический Институт Связи Им.Проф.М.А.Бонч-Бруевича | Demodulator of second-order phase-difference-modulated signals |
RU2099892C1 (en) * | 1995-05-10 | 1997-12-20 | Сибирская государственная академия телекоммуникаций и информатики | Method and device for relative phase modulated signal demodulation |
US6556509B1 (en) * | 1999-11-08 | 2003-04-29 | Optiphase, Inc. | Demodulator and method for interferometric outputs of increased accuracy |
RU2408996C2 (en) * | 2009-03-11 | 2011-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУ ВПО "СибГУТИ") | Method to demodulate signals of relative phase modulation and device for its realisation |
-
2011
- 2011-05-13 RU RU2011119371/28A patent/RU2470477C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1053321A1 (en) * | 1982-06-30 | 1983-11-07 | Ленинградский Электротехнический Институт Связи Им.Проф.М.А.Бонч-Бруевича | Demodulator of second-order phase-difference-modulated signals |
RU2099892C1 (en) * | 1995-05-10 | 1997-12-20 | Сибирская государственная академия телекоммуникаций и информатики | Method and device for relative phase modulated signal demodulation |
US6556509B1 (en) * | 1999-11-08 | 2003-04-29 | Optiphase, Inc. | Demodulator and method for interferometric outputs of increased accuracy |
RU2408996C2 (en) * | 2009-03-11 | 2011-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУ ВПО "СибГУТИ") | Method to demodulate signals of relative phase modulation and device for its realisation |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2683378C1 (en) * | 2017-10-23 | 2019-03-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" | Method of digital demodulation of phase fiber-optic sensor signals |
RU2682981C1 (en) * | 2018-10-31 | 2019-03-25 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Demodulation method of fiber optic current sensor signal |
RU2696324C1 (en) * | 2018-12-15 | 2019-08-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method for phase-optical sensor signal demodulation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011119371A (en) | 2012-11-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6277147B2 (en) | Optical fiber vibration measurement method and system | |
CN107389097B (en) | Method for tracking and measuring Sagnac optical fiber ring eigenfrequency of optical fiber gyroscope | |
CN102998676A (en) | Double-femtosecond laser frequency comb ranging system | |
CN106959388B (en) | A microwave frequency measurement method and device based on an optical frequency comb | |
CN205608186U (en) | Laser rangefinder based on synchronous sampling and multiple phase are measured | |
RU2470477C1 (en) | Method of all-fiber interferometer signal demodulation | |
CN106124032A (en) | The digital measuring method of a kind of optical frequency modulators modulate delay and device | |
KR100491451B1 (en) | Multichannel interferometer with phase generated carrier demodulation and quadrature error correction | |
JP5652229B2 (en) | Interferometric optical fiber sensor system | |
US20240319347A1 (en) | Method and system for simultaneous detection of signed doppler shifts and range measurements | |
EP3220545B1 (en) | Phase measuring device and apparatuses using phase measuring device | |
US20040257580A1 (en) | Calculation of sensor array induced phase angle independent from demodulation phase offset of phase generated carrier | |
CN106908803B (en) | Ultra wide band scalariform FM/CW laser velocimeter system based on double parallel MZM | |
CN115333913B (en) | Phase demodulation method and device for phase sensitive optical time domain reflectometer | |
CN111351585A (en) | Phase measurement method using sawtooth wave phase modulation | |
US11067416B2 (en) | System for interrogating an interferometer, an interferometric system and a method for interrogating an interferometer | |
RU2683378C1 (en) | Method of digital demodulation of phase fiber-optic sensor signals | |
RU2626019C1 (en) | Method of improving accuracy of fibre-optic gyroscope with closed loop | |
RU2696324C1 (en) | Method for phase-optical sensor signal demodulation | |
JP2021081334A (en) | Optical fiber gyro, control method therefor and control device | |
CN104089626A (en) | Real time compensation method of rectification error in fiber gyro | |
RU2528555C2 (en) | Device for remote pressure measurement | |
JP5991795B2 (en) | Bipolar signal frequency measuring method and apparatus | |
RU2012125444A (en) | RADAR METHOD OF MEASURING THE RANGE OF A MOVING OBJECT | |
JPH09203665A (en) | Optical-fiber sensor system |