CN105577280B - 一种光载微波信号动态宽频实时数字解调*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其包括光电转换模块、接收通道模块、模数转换模块、实时解调信号处理模块、整机基准与时序产生控制模块。光电转换模块接收一个光纤激光双频拍波传感器的光载微波信号，以此转换成电信号，并完成所述光纤激光双频拍波传感器的拍波过程，输出含有传感信息的射频调频信号交由接收通道模块变频滤波放大处理，以得到中频信号，再由模数转换模块转换成中频数字信号，然后由实时解调信号处理模块进行实时处理，解调传感信号，并将解调结果的被测物理量信号送下一级控制处理单元。整机基准与时序产生控制模块将基准时钟、时序产生控制信号送入接收通道模块、模数转换模块、实时解调信号处理模块。

Description

一种光载微波信号动态宽频实时数字解调***

技术领域

本发明涉及一种实时数字解调***，尤其涉及一种光载微波信号动态宽频实时数字解调***，具体指一种光纤激光双频拍波传感器的光载微波信号动态宽频实时数字解调***，该类传感技术广泛用于极端环境下振动加速度、水声声压等微弱动态信号检测。

背景技术

光纤传感因其灵敏度高、精细化程度高、动态范围大、前端无缘、本质安全、柔性轻质、集传感与传输与一体、易于组网复用等优势在很多特殊条件下应用广泛。光纤传感机理是将被测物理量转换为光参量的相应变化，结合适当的解调技术手段将调制信号进行恢复，实现测量。光纤传感器按照光参量改变类型，分为光强度调制型传感器、光相位调制型传感器(包括光频率调制型传感器)、光偏振态调制型传感器、光波长调制型传感器。其中光相位调制型传感器因其灵敏度在上述几类传感器中灵敏度最高、动态范围大等优势而被广泛使用。光纤激光双频拍波传感器就是光纤相位干涉型传感器的一类，然而又有别于常规光纤相位干涉型传感器。光纤激光双频拍波传感器在无外界信号作用时，输出载频为一定值，而且往往频差极大，达到射频波段(数百MHz～数GHz)，当有外界信号作用时，会改变其载频位置，发生频率偏移，通过检测出频率变大从而达到检测外界信号的目的。此类传感器往往灵敏度极高，如果配合使用高性能的频率解调***，会达到同时具备高灵敏、高精度、高分辨率、大动态范围、宽频带的传感检测性能，因而在一些特殊的测量领域，引起极大的注意和重视，如检测卫星平台的微振动加速度信号、检测水下声场的微弱声压信号等等。

传统的频谱分析技术仅仅针对光纤激光双频拍波传感器输出的静态或者准动态拍频信号处理有效，很难解调动态拍频信号。原因是光纤激光双频拍波传感器如果感知的是静态或者准静态物理量信号，经过光电探测器进行拍频后，将会得到相对原双频激光频差的一个静态频偏或者准静态频偏，此时利用传统的频谱分析技术如FFT，可以容易的将信号频偏进行解调。而如果光纤激光双频拍波传感器如果感知的是动态信号，如单频、多频、甚至是宽频、随机等复杂的物理量的动态信号时，传统的频谱分析技术将无法从调频信号中将信号进行恢复。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其针对光纤激光双频拍波传感器输出的光载微波宽频动态传感信号实现了实时解调，***架构简洁，易于集成化，解调算法精度高、速度快、无需***参数校准、鲁棒性强，因此其能够实时恢复光纤激光双频拍波动态宽频传感信号的信号解调技术，用以克服现有传统频谱分析技术在解调动态拍频信号方面的不足。

本发明通过以下技术方案实现：一种光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其包括光电转换模块、接收通道模块、模数转换模块、实时解调信号处理模块、整机基准与时序产生控制模块；其中：

所述光电转换模块接收一个光纤激光双频拍波传感器的光载微波信号，以此转换成电信号，并完成所述光纤激光双频拍波传感器的拍波过程，输出含有传感信息的射频调频信号；

所述接收通道模块包括低噪声放大器、自动增益衰减器、抗镜像滤波器、下变频器、本地振荡器、中频滤波器、补偿放大器；低噪声放大器、自动增益衰减器、抗镜像滤波器、下变频器、中频滤波器、补偿放大器依次前后连接在所述光电转换模块与所述模数转换模块之间，本地振荡器提供本地振荡信号至下变频器，自动增益衰减器、本地振荡器均连接于所述整机基准与时序产生控制模块；所述接收通道模块对含有传感信息的射频调频信号经过变频滤波放大处理，以得到中频信号；

所述模数转换模块对中频信号模拟数字转换成中频数字信号；

所述实时解调信号处理模块包括数字零差处理单元、数字相位解调单元、数字频率解调单元、数字高通滤波器、传感器定标转换处理子单元；所述数字零差处理单元完成中频数字信号的数字零差处理得到正交基带信号，所述正交基带信号依次通过所述数字相位解调单元、所述数字频率解调单元完成数字相位解调、数字频率解调，将解调结果进行数字滤波、降采样处理以降低数据率，将降采样后的信号，经过所述数字高通滤波器以滤波传感器的低频干扰信号，再经过所述传感器定标转换处理子单元解调出被测物理量信号，最终以485总线、光以太网数字接口形式送下一级控制处理单元；所述实时解调信号处理模块对中频数字信号进行实时处理，解调传感信号，并将解调结果的被测物理量信号送下一级控制处理单元；

所述整机基准与时序产生控制模块将基准时钟、时序产生控制信号送入所述接收通道模块、所述模数转换模块、所述实时解调信号处理模块，以此协调所述接收通道模块、所述模数转换模块、所述实时解调信号处理模块的有序运行。

进一步地，所述自动增益衰减器为单片数控电调衰减器，所述实时解调信号处理模块对中频数字信号进行实时处理，解调传感信号，并将解调结果的被测物理量信号以485总线、光以太网数字接口形式送下一级控制处理单元。

进一步地，所述本地振荡器根据所述光纤激光双频拍波传感器的载频大小，将从所述整机基准与时序产生控制模块的基准信号经过直接倍频、间接/直接合成得到所述本地振荡信号，所述下变频器将所述抗镜像滤波器输出的双频拍波信号与所述本地振荡器的本地振荡信号混频，从而将所述双频拍波信号变为中频信号。

再进一步地，所述数字零差处理单元：完成本地数字振荡器生成，将输入的数字中频信号与本地两路正交中频信号分别相乘、低通滤波后，得到两路正交基带信号，本地数字振荡器含相应数字中频的两路正交信号。

再进一步地，所述数字相位解调单元：将两路正交基带信号进行相除，之后进行四象限反正切运算，再通过周期扩展，即可得到大动态范围的数字相位解调的相位信号。

再进一步地，所述数字频率解调单元：将相位信号进行数字微分处理，即可以得到与传感器测量物理量成正比的频率信号。

再进一步地，所述数字高通滤波器的阶数由下一级处理单元对测量信号的暂态时间所约束，即数字高通滤波器产生的延迟不应超过所约束的暂态时间。

再进一步地，所述传感器定标转换处理子单元：将事先存储在非易失性存储器中的传感器定标常数，与测得的频率信号相乘，以得到最终的被测物理量信号。

本发明***架构简洁，易于集成化，适合各类对有效载荷体积重量功耗要求严格的应用场合。此外，本发明可以针对光纤激光双频动态拍波传感器输出的光在载微波进行实时解调，解调算法精度高、速度快、无需***参数校准、鲁棒性强。适合各类对有效载荷野外环境适应性强、可高灵敏度、大动态范围、高精度、高分辨率的感知检测微弱信号等应用场合。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的光载微波信号动态宽频实时数字解调***的功能模块框图。

图2为图1中光载微波信号动态宽频实时数字解调***的信号处理框图。

图3为图1中光载微波信号动态宽频实时数字解调***对光纤激光双频拍波传感器解调的过程示意图。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明的光载微波信号动态宽频实时数字解调***，具体为光纤激光双频拍波传感器的光载微波信号动态宽频实时数字解调***，该类传感技术广泛用于极端环境下振动加速度、水声声压等微弱动态信号检测。本发明所述的光纤激光双频拍波传感器光载微波信号动态宽频实时数字解调***，作为光纤激光双频拍波传感技术与仪器的重要组成部分，提供光载微波信号的实时解调，还原传感物理量信息。

下面结合附图和具体实施例对本发明所述光纤激光双频拍波传感器光载微波信号动态宽频实时数字解调***进行详细说明。

请参阅图1，光载微波信号动态宽频实时数字解调***包括光电转换模块1、接收通道模块2、模数转换模块3、实时解调信号处理模块4、整机基准与时序产生控制模块5。

光电转换模块1输入为光纤激光双频拍波传感器6的光载微波信号，光电转换模块1输出与接收通道模块2输入端进行连接；接收通道模块2将射频信号变为中频信号后，送入模数转换模块3；模数转换模块3输出的数字信号送实时解调信号处理模块4；在实时解调信号处理模块4完成传感信号的解调，并输出数字信号，以便后续控制处理；整机基准与时序产生控制模块5将基准时钟、时序产生控制信号送入接收通道模块2、模数转换模块3、实时解调信号处理模块4。

光电转换模块1接收一个光纤激光双频拍波传感器6的光载微波信号，以此转换成电信号，并完成光纤激光双频拍波传感器6的拍波过程，输出含有传感信息的射频调频信号。接收通道模块2对含有传感信息的射频调频信号经过变频滤波放大处理，以得到中频信号。模数转换模块3将输入的中频信号进行中频带通采样，仅需满足带通采样定理，并完成数据高速传输。实时解调信号处理模块4对中频数字信号进行实时处理，解调传感信号，并将解调结果的被测物理量信号以485总线、光以太网数字接口形式送下一级控制处理单元。整机基准与时序产生控制模块5将基准时钟、时序产生控制信号送入所述接收通道模块2、所述模数转换模块3、所述实时解调信号处理模块4，以此协调所述接收通道模块2、所述模数转换模块3、所述实时解调信号处理模块4的有序运行。

光电转换模块1完成光信号转成电信号功能，并完成光纤激光双频拍波传感器6的拍波过程，输出信号形式为外差调频信号。光电转换模块1可为光电探测器，光电探测器的带宽应大于输入信号的工作带宽，光电探测器的耐饱和光功率应大于输入信号的峰值光功率。

接收通道模块2包括低噪声放大器21、自动增益衰减器22、抗镜像滤波器23、下变频器24、本地振荡器25、中频滤波器26、补偿放大器27。低噪声放大器21、自动增益衰减器22、抗镜像滤波器23、下变频器24、中频滤波器26、补偿放大器27依次前后连接在光电转换模块1与模数转换模块2之间，本地振荡器25提供本地振荡信号至下变频器24，自动增益衰减器22、本地振荡器25均连接于整机基准与时序产生控制模块5。

自动增益衰减器22可为单片数控电调衰减器，具有***损耗低、体积小等特点，易实现小步进衰减控制，高控制比特位可以覆盖光电信号电平变化范围。

接收通道模块2将光纤激光双频拍波传感器6的光载微波信号进行下变频处理。由于传感器固有激光双频频差大，而传感器测量物理量(如振动加速度物理量、水声声压物理量)产生的瞬时频率带宽较激光双频拍波的载频而言，属于窄带信号，故可以通过下变频处理以缓解后续信号处理的压力，同时可以提高信噪比。

本地振荡器25根据光纤激光双频拍波传感器6的载频大小，将从整机基准输入的相参基准信号经过直接倍频、间接/直接合成得到合适的本地振荡信号。

下变频器24将经过光电变换的双频拍波信号与本地振荡信号混频，从而将双频拍波信号变为中频信号。

实时解调信号处理模块4对中频数字信号进行实时处理，解调传感信号，并将解调结果以485总线、光以太网数字接口形式送下一级控制处理单元。实时解调信号处理模块4包括数字零差处理单元、数字相位解调单元、数字频率解调单元、数字高通滤波器、传感器定标转换处理子单元。请结合图2，数字零差处理单元完成中频数字信号的数字零差处理得到正交基带信号，所述正交基带信号依次通过所述数字相位解调单元、所述数字频率解调单元完成数字相位解调、数字频率解调，将解调结果进行数字滤波、降采样处理以降低数据率，将降采样后的信号，经过所述数字高通滤波器以滤波传感器的低频干扰信号，再经过所述传感器定标转换处理子单元解调出被测物理量信号，最终以485总线、光以太网数字接口形式送下一级控制处理单元。

实时解调信号处理模块4中的数字零差处理单元，完成本地数字振荡器生成(含相应数字中频的两路正交信号)，将输入的数字中频信号与本地两路正交中频信号分别相乘、低通滤波后，得到两路正交基带信号。

实时解调信号处理模块4中的数字相位解调单元，将数字零差处理单元输出的两路正交基带信号进行相除，之后进行四象限反正切运算，再通过周期扩展，即可得到大动态范围的相位解调。

实时解调信号处理模块4中的数字频率解调单元，将数字相位解调单元输出的相位信号进行数字微分处理，即可以得到与传感器测量物理量成正比的频率信号。

实时解调信号处理模块4中的数字高通滤波器，以滤波传感器的低频干扰信号，该数字高通滤波器的阶数由下一级处理单元对测量信号的暂态时间所约束，即数字高通滤波器产生的延迟不应超过所约束的暂态时间。

实时解调信号处理模块4中的传感器定标转换处理子单元，将事先存储在非易失性存储器中的传感器定标常数(对于加速度传感器，即加速度频率偏移灵敏度参量；对于水声声压传感器，即水声声压频率偏移灵敏度参量)，与测得的频率信号相乘，以得到最终的传感器物理量数字信号。

如图3所示为光纤激光双频拍波传感器解调***示意图，输入进光纤激光传感器的信号可以为任意波形信号，光纤激光双频拍波传感器将输入的信息线性的转换为双频激光频差的变化，输出信号为光载微波调频信号。经过光载微波信号动态宽频实时数字解调***可以解调出激光频差的变化信号，从而恢复传感信息，达到测量输入物理量的目的。

综上所述，本发明公开的光纤激光双频拍波传感器光载微波信号动态宽频实时数字解调***，包括光电转换模块、接收通道模块、模数转换模块、实时解调信号处理模块、整机基准与时序产生控制模块。其中接收通道模块包括低噪声放大器、自动增益衰减器、抗镜像滤波器、下变频器、本地振荡器、中频滤波器、补偿放大器。实时解调信号处理模块包括数字零差处理、相位解调、频率解调、数字低通滤波、降采样处理、高通滤波、传感器定标转换处理、数据通信。传统的频谱分析技术仅仅针对光纤激光双频拍波传感器输出的静态或者准动态拍频信号处理有效，很难解调动态拍频信号。本发明针对光纤激光双频拍波传感器输出的光载微波宽频动态传感信号实现了实时解调，***架构简洁，易于集成化，解调算法精度高、速度快、无需***参数校准、鲁棒性强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其特征在于：其包括光电转换模块、接收通道模块、模数转换模块、实时解调信号处理模块、整机基准与时序产生控制模块；其中：

所述光电转换模块接收一个光纤激光双频拍波传感器的光载微波信号，以此转换成电信号，并完成所述光纤激光双频拍波传感器的拍波过程，输出含有传感信息的射频调频信号；

所述接收通道模块包括低噪声放大器、自动增益衰减器、抗镜像滤波器、下变频器、本地振荡器、中频滤波器、补偿放大器；低噪声放大器、自动增益衰减器、抗镜像滤波器、下变频器、中频滤波器、补偿放大器依次前后连接在所述光电转换模块与所述模数转换模块之间，本地振荡器提供本地振荡信号至下变频器，自动增益衰减器、本地振荡器均连接于所述整机基准与时序产生控制模块；所述接收通道模块对含有传感信息的射频调频信号经过变频滤波放大处理，以得到中频信号；

所述模数转换模块对中频信号模拟数字转换成中频数字信号；

所述实时解调信号处理模块包括数字零差处理单元、数字相位解调单元、数字频率解调单元、数字高通滤波器、传感器定标转换处理子单元；所述数字零差处理单元完成中频数字信号的数字零差处理得到正交基带信号，所述正交基带信号依次通过所述数字相位解调单元、所述数字频率解调单元完成数字相位解调、数字频率解调，将解调结果进行数字滤波、降采样处理以降低数据率，将降采样后的信号，经过所述数字高通滤波器以滤波传感器的低频干扰信号，再经过所述传感器定标转换处理子单元解调出被测物理量信号，最终以485总线、光以太网数字接口形式送下一级控制处理单元；所述实时解调信号处理模块对中频数字信号进行实时处理，解调传感信号，并将解调结果的被测物理量信号送下一级控制处理单元；

所述整机基准与时序产生控制模块将基准时钟、时序产生控制信号送入所述接收通道模块、所述模数转换模块、所述实时解调信号处理模块，以此协调所述接收通道模块、所述模数转换模块、所述实时解调信号处理模块的有序运行。

2.如权利要求1所述的光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其特征在于：所述自动增益衰减器为单片数控电调衰减器，所述实时解调信号处理模块对中频数字信号进行实时处理，解调传感信号，并将解调结果的被测物理量信号以485总线、光以太网数字接口形式送下一级控制处理单元。

3.如权利要求1所述的光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其特征在于：所述本地振荡器根据所述光纤激光双频拍波传感器的载频大小，将从所述整机基准与时序产生控制模块的基准信号经过直接倍频、间接/直接合成得到所述本地振荡信号，所述下变频器将所述抗镜像滤波器输出的双频拍波信号与所述本地振荡器的本地振荡信号混频，从而将所述双频拍波信号变为中频信号。

4.如权利要求1所述的光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其特征在于：所述数字零差处理单元：完成本地数字振荡器生成，将输入的数字中频信号与本地两路正交中频信号分别相乘、低通滤波后，得到两路正交基带信号，本地数字振荡器含相应数字中频的两路正交信号。

5.如权利要求4所述的光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其特征在于：所述数字相位解调单元：将两路正交基带信号进行相除，之后进行四象限反正切运算，再通过周期扩展，即可得到大动态范围的数字相位解调的相位信号。

6.如权利要求5所述的光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其特征在于：所述数字频率解调单元：将相位信号进行数字微分处理，即可以得到与传感器测量物理量成正比的频率信号。

7.如权利要求6所述的光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其特征在于：所述数字高通滤波器的阶数由下一级处理单元对测量信号的暂态时间所约束，即数字高通滤波器产生的延迟不应超过所约束的暂态时间。

8.如权利要求7所述的光载微波信号动态宽频实时数字解调***，其特征在于：所述传感器定标转换处理子单元：将事先存储在非易失性存储器中的传感器定标常数，与测得的频率信号相乘，以得到最终的被测物理量信号。