（通信与信息系统专业论文）数字式干涉型光纤传感器条纹电子计数细分实现方案研究.pdf

哈尔滨工程大学学士学位论文 摘要 干涉型光纤传感器因其灵敏度很高而成为光纤传感器研究的个重要组 成部分。利用传统的数字式传感器的条纹细分技术可以实现干涉型光纤传感 器大相移测量，并且能够测量出相移变化的绝对值，课题对这种新型的数字 式光纤传感器的实现方案进行了研究。 课题主要对数字式光纤传感器的实现方案进行了的理论分析和仿真，通 过理论分析和仿真发现，新的实现方案能够得到两路高质量的正交条纹信号， 完全可以利用传统条纹计数细分技术进行处理。课题提出了一种软硬件相结 合的电子计数细分方案，根据提出的方案提出了一种适用的辨向电路实现方 案，对实现方案进行了仿真验证。 通过理论分析和仿真，验证了这种新型的数字式光纤传感器实现方案的 可行性，对后续的方案实现有重要意义。 关键词：干涉型光纤传感器；数字式传感器；条纹细分；辨向电路 哈尔滨工程大学学士学位论文 a b s t r a c t i n t e r f e r o m e t r i cf i b e ro p t i cs e n s o ri sa ni m p o r t a n tc a t e g o r yo ff i b e r - o p t i c s e n s o rb e c a u s eo fi t sh i g hs e n s i t i v i t y i ft e c h n o l o g yo ff r i n g ec o u n t i n ga n d s u b d i v i s i o no ft r a d i t i o n a ld i g i t a ls e n s o ri su s e dt om e a s u r e ，t h ei n t e r f e r o m e t r i c f i b e r - o p t i cs e n s o rc a r lm e a s u r el a r g ep h a s ec h a n g ea n da b s o l u t ep h a s ec h a n g e t h i s p a p e rr e s e a r c ho nt h er e a l i z i n gs c h e m eo ft h en e wd i g i t a li n t e r f e r o m e t r i c f i b e ro p t i cs e n s o l w eh a v em a i n l ym a d eas t u d yo fd i g i t a li n t e r f e r o m e t r i cf i b e ro p t i cs e n s o r s s c h e m eo nt h e o r e t i c a la n a l y s ea n ds i m u l a t o rv a l i d a t i n g t h r o u g ha n a l y s i n ga n d s i m u l a t i n g ，i ti sf o u n dt h a tt w oo r t h o g o n a ls i n g a l so b t a i n e df r o mt h en e ws c h e m e c o m p l e t e l yc a nb ep r o c e s s e db yt h et e c h n o l o g yo fc o u n t i n ga n ds u b d i v i s i o no f t r a d i t i o n a lm o i r ef r i n g e ，i ft h ec i r c u i t r yp a r a m e t e r sa r ep r o p e r l ys e l e c t e d an e w m e t h o do fe l e c t r o n i c a lc o u n t i n ga n ds u b d i v i s i o no ff r i n g es i g n a li sp r o v i d e da n di s c o m p l e t e db yh a r d w a r ea n ds o f t w a r em a t c h i n g an e ws e u s ef i n d i n gc i r c u i t s c h e m ei sp r o p o s e dt om a t c ht h em e t h o do fe l e c t r o n i c a lc o u n t i n ga n ds u b d i v i s i o n o ff r i n g es i g n a l ，s i m u l a t o rv a l i d a t i n gi sp e r f o r m e d t h es c h e m eo ft h en e w d i g i t a li n t e r f e r o m e t r i cf i b e ro p t i cs e n s o ri sf e a s i b l e t h r o u g ha n a l y s i sa n ds i m u l a t o rv a l i d a t i n g i ti sv a l u a b l et ot h es u b s e q u e n ts c h e m e r e a l i z a t i o no f t h ed i g i t a li n t e r f e r o m e t r i cf i b e ro p t i cs e n s o l k e yw o r d ：i n t e r f e r o m e t r i cf i b e r o p t i c s e n s o r ；d i g i t a l s e n s o r ； f r i n g es u b d i v i s i o n ；s e u s ef i n d i n gc i r c u i t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完 成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。 除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：夕哆年月加日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 光纤传感器概述 1 1 1 引言 光纤传感器是本世纪7 0 年代中期发展起来的一种新型传感器，它是光纤 和光纤通信技术发展的产物。近2 0 年来，世界范围内用于光纤通信和光纤传 感器的资金正在不断增长，科学家已提出了四十多种测量对象的几百种光纤 传感器，同时也指出了其乐观的市场前景。近十年来，更多的光纤传感器商 业化，医学方面已有一百多种光纤传感器用于医学测量，如血压测量仪，p h 值光纤测量仪等，除了强度调制的位移传感器外，工业自动化近程传感器， 干涉光纤陀螺仪也是目前传感器市场的重要一类，它应用于航天航海，机器 人工业，自控汽车。光纤水听器和光纤陀螺已被列入西方国家的重点军事研 究项目，目前世界上已经有五百多家企业生产各类光纤传感器0 1 。 1 1 2 光纤传感器的优点 光纤是一种新型的材料，它与其他材料相比有许多特性。首先光纤具有 良好的导光特性，它对光波的损耗目前可降低到0 2 d b k m ，甚至更低。其次 频带宽。这是因为光纤传输的是光，而光的频率特别的高，现在所用的光频 率在1 0 “一1 0 ”h z 的范围里，比微波高5 个数量级。光纤的另外一个特性是 它本身就是一个敏感元件，光在光纤中传输时，光的特性如振幅，相位、偏 振态等将随检测对象发生变化而相应变化。光纤的这些特性使得光纤传感器 与传统传感单元相比具有一系列独特的优点，主要有：灵敏度高；抗电磁干 扰、耐腐蚀、耐高压、在易燃易爆环境下安全可靠；易为各种光探测器件接 收，可方便地进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机 相匹配；频带宽，动态范围大；在一定的条件之下光纤特别容易接受被测量 或者场的加载：可以与遥控技术相配合，实现远距离测量和控制。因此，光 纤传感器技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到了研究和应用， 成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展“”。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 _ 3 光纤传感器的分类 一、按照工作原理分，可分为二大类：传光型光纤传感器( 非功能型) 和传感型( 功能型) 光纤传感器。前一种类型中光纤只当作传光媒质，外界 信号是通过其它敏感元件来感知的，所以一般通信用光纤就可以满足要求。 后一种类型是利用光纤本身具有对外界信号的敏感性而开发成功的，这时光 纤不但起到传光作用，同时兼具有传感功能，往往只有特种光纤才能满足要 求。 二、按光在光纤中被调制的原理可分为：光强度调制传感器、光频率调 制传感器、光相位调制传感器、光偏振调制传感器等。 三、按检测对象可分为：光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤加速 度传感器、光纤角速度传感器、光纤电流传感器等。 1 2 数字式干涉型光纤传感器 1 2 1 干涉型光纤传感器 干涉型光纤传感器是光相位调制传感器，它是利用外界因素改变光纤中光 波的相位，通过检测相位的变化来测量物理量的一种传感器。相位调制变化 受环境变化最灵敏，所以它是一种具有极高灵敏度的传感器，它可检测微弱 信号，据报导可检测出小到1 0 。t a d 的相位变化，对于波长为o 8 5 口m 的光 波，意味着光程差约为1 0 - 1 4 m ，这相当于一个原子半径的大小。它的基本传感 机理是：通过被测能量场的作用，使能量场中一段敏感的单模光纤内传搔的 光波发生相位变化，再利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，从而 还原所测物理量。一般情况下，这种传感器采用相干激光源和两根单模光纤， 即：使激光源发出的光经过分光后注入两根光纤，如果外界环境影响其中一 根光纤，则在两根光纤输出将出现相位差，并且这种相位差可以精确的检测。 常用的干涉仪有4 种结构形式，这4 种结构形式是：马赫一泽德干涉仪( m a c h - - z h e h n d e r ) ，迈克尔孙干涉仪( m i c h e l s o n ) ，法布里一珀罗干涉仪( f 籼一p e r o o 和萨格耐克干涉仪( s a g n a c ) 1 2 2 数字式干涉型光纤传感器 数字式传感器就是将被测量参数直接转换成数字信号输出，进而进行数 字信号处理获得所测参量的数字数值。数字式传感器有以下优点： 2 哈尔滨= 程大学硕士学位论文 ( 1 ) 精确度和分辨率高 ( 2 ) 抗干扰能力强，便于远距离传输 ( 3 ) 信号易于处理和存储 ( 4 ) 可以减少读数误差 正因为如此数字式传感器引起了人们的普遍重视。数字式传感器可分为直接 数字传感器和准数字传感器( 又称频率输出式数字传感器) 。直接数字式传感 器是指它的输出为二元形式( 0 ，1 ) 的信号，它包括各种编码器( 直接编码器、 光栅、感应同步器、c c d 或类似的光敏器件以及触发器式的传感器) ，准数 字式传感器是指以频率形式输出的谐振式传感器。它的输出信号可以为频率 脉冲个数、位相或脉冲宽度。数字式传感器有很多是基于光的干涉原理，比 如光栅测量传感器，以及激光相位调制式数字传感器，都是利用光的干涉测 量具有高精度的特性来进行物理量的检测，其实质是通过对光干涉条纹的计 量细分测出两干涉光路的相位差，条纹测量技术已经是成熟的测量技术。光 纤干涉型传感器同样根据光的干涉原理，只不过光路在光纤中而不是在空气 中传输而已，同样干涉型光纤传感器也可利用数字式传感器成熟的条纹测量 技术。实际上文献 6 】介绍了一种利用条纹测量技术的干涉型光纤温度传感 器，如图1 1 所示。 垃 图1 1 干涉型温度光纤传感器 图1 1 为干涉型温度传感器，采用肿z 型干涉仪原理，把肿z 干涉仪的两臂 端并在一起，在前方置一个干涉屏，可以在干涉屏上得到干涉的条纹信号， 然后利用传统莫尔条纹的获得方法，在条纹的相差四分之一周期的位置放置 两个光电接收器，便可得到两路正交的莫尔条纹信号，即可利用成熟的条纹 测量技术。这种方案实现只能用于原理上的讨论，现实中是不可能实现的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中一个重要的原因就是，单模光纤芯径很小，其传输的光功率有限，干涉 屏离两个单模光纤臂如果较远，虽然可以得到的明暗条纹的宽度增加，这样 安置光电接收器比较容易，但是得到的光强大大减弱，如果干涉屏和干涉臂 的距离较近，虽然得到的条纹的光强可以有所增加，但是安置光电接收器又 比较困难，限制了这一方案的实现。另外一个重要的原因是被测的温度场不 能离光电接收装置太远，否则外界干扰严重，就是说这种传感器不能够远距 离传输，使得光纤传感器抗电磁干扰能力强及利于远距离信号传播的优点难 以发挥，更限制了它的应用。 本课题提出一种新的可利用传统数字式传感器成熟条纹细分技术的干涉 型光纤传感器，这种利用光纤干涉仪易于实现高频调制的特性，对干涉仪进 行三角波调制，然后对光电接收器的输出进行分时采样，可以得到相差不同 初始相位的条纹信号，克服了图1 1 方案难以实现和不能进行远距离测量的 缺点。通过对得到条纹信号质量进行分析发现它们在正弦性，正交性，等幅 性满足甚至超过传统条纹计数细分技术的要求，并且采取措施可减小零电平 漂移，对于这种新的利用数字式传感器条纹计数细分技术的光纤干涉型传感 器，我们称为数字式干涉型光纤传感器5 1 。 1 3 课题研究目的和意义 本课题对数字式光纤干涉仪条纹细分进行研究，研究目的是对其原理进 行理论仿真和并找到一个适合数字式光纤干涉仪条纹细分的方案。由于利用 了条纹计数和细分计数，所以这种干涉仪的特点是可检测大相移，可以检测 相位变化的绝对数值，即使光功率和干涉可见度发生较大变化，对检测结果 的影响也很小，这些特点使得数字式干涉型光纤传感器在测位移，测速及测 加速度有重要实际意义。 1 4 课题研所做的工作 在参考了有关文献资料，本课题主要做了一下方面的工作： 、方案理论研究，课题实现的一个重要特点就是，通过三角波实现相 位调制，然后进行精确的分时采样，最后得到n 路相差不同初始相位的条纹 信号，对这一实现方法进行理论分析和研究。并通过利萨如图，对信号的正 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 交性，正弦性，等幅性通过m a t l a b 实现理论仿真，验证了理论的正确性， 得出了这种新的干涉型光纤传感器利用条纹计数细分技术方案在理论上是正 确可行的。 二、根据上一部分的结果，对得到的条纹信号进行处理，提出直接的计 数和细分方案，由于整个方案在理论上可实现高倍数的直接细分，辨向就成 为一个重要问题，传统的辨向技术在小于, r g 的幅度上无法正确辨向，对此提 出了一种新的适用于整个方案的辨向电路。 三、直接细分虽然可以实现较大倍数的细分，但是电路比较庞大，为此 提出了一种软硬件相结合的解决方案，对其中的部分实现进行了研究，提出 软件细分实现的方案。 1 5 课题来源 本课题来源于科技部创新预研项目“光纤加速度计实现方案研究”。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ _ - - i _ l l _ l l _ - l _ - l _ l i - _ l l _ _ - - _ l _ i i i i - _ _ - _ - i l l _ - - - _ _ _ 第2 章数字式干涉型光纤传感器理论基础 2 1 引言 数字式干涉型光纤传感器是一种利用直接数字测量技术的干涉型光纤传 感器，这种测量技术一个最大的特点就是可以测量大量程的相移，并且可以 测出相移的绝对值。条纹计数检测方案的另一个突出优点是，即使光功率和 干涉可见度发生较大变化，对检测结果的影响也很小。干涉型光纤传感器是 基于双光束干涉仪原理的一种光纤传感器，光束干涉仪主要有m a t h - z e h n d e r 干涉仪、s a g n a e 干涉仪、f a b r y - p e r o t 干涉仪、m i c h e l s o n 干涉仪。本课题所 研究的数字式干涉型光纤传感器就是采用m a c h z e h n d e r 双光束干涉仪为基 础的干涉装置来进行设计的。 物理光学指出，由光源发出的两个频率相同、振动方向一致的( 偏振方 向一致) 、相位差恒定的光波在相遇的空间区域将会产生明暗相问的条纹，即 发生了干涉，干涉条纹记录了光波的相位信息。当这两个光波的相位差发生 变化时，干涉条纹会移动，如果知道了干涉条纹的移动数目，就可以算出相 位差的变化，从而进一步导出引起这种变化的外界信号，这就是条纹干涉测 量的基本原理。本章所讨论的是基于m a t h z e h n d e r 干涉仪的数字式光纤传感 器的有关理论。 2 2m a e h z e h n d e r 双光束光纤干涉仪的基本原理 图2 1 是一个全光纤m a c h z e h n d e r 双光束干涉仪。从光源发出的光耦 合进光纤后，由光纤定向耦台器d c ( 3 d b 光纤耦合器) 分成空间分离的两路 光束，分别称为信号光束和参考光束，在输出端d ，、d ，处产生干涉。 图2 1 全光纤m a c h z e h n d e r 坝光束干涉仪 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如果在信号光纤和传感光纤的汇台端放着一个光电检测器，就可以将合 成光强的强弱变化转换成电信号的大小的变化，由图2 2 可以看出在初始情 况，信号光纤与参考光纤中传播的光同步相位时，输出光电流最大；随着相 位差的增加，光电流逐渐减小，相位差增加到石弧度，光电流达到最小值；相 位差继续增加到2 - 弧度是，光电流又上升到最大值对应相位变化2 石，移动 一个条纹，这样光的相位调制转换成电信号的幅值调制。 石 2 r e3 疗 毋( t a d ) 图2 2 光电流随相位差的变化 为了简单起见，我们忽略光纤的双折射效应，假定在上述系统中光波的 偏振态始终不变，且保持一致，这种假设简化了现实中的光波干涉情况。在 这种假设下，光电探测器n 、d ，处的电场可写成 e t = k 2 。e x p ( i 矽) 七l 。e o ( r 6 ) + k 2 ，e x p ( i 庐。) 七l ，e o ( r 。) ( 2 1 ) e 2 2 k 2 。e x p ( i 庐b ) t l 。e o ( r 6 ) + k 2 。e x p ( i 丸) i i ，e o ( f o ) ( 2 2 ) 式中下标c 和b 分别表示信号臂和参考臂：k 。，是第i 个耦合器的分光比( 耦合 系数) ，下标f 表示直接传输光束，而c 表示问接传输光束( 耦合光束，光源 到参考臂的光束) ；e o 是光源的电场矢量，并随时间而变化；式中的f 。、 分别是光波从光源经信号臂和参考臂到达探测器的时间；丸、丸分别表示光 波经信号臂和参考臂传输的相位延时。对于理想的3 d b 光纤耦合器，被耦台 的光束将产生一个附加衫2 的延时相位，所以t ，可以表示成实数，而k 。则是 虚数，于是有 k m = i k 。( 2 - 3 ) 蜷1申孱骓1申皋 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中，k ，是个实数。利用( 2 - 1 0 ) 式可以计算在探测器d 处的光强 ，。= ( e 。e b ( 2 4 ) 式中括号表示求时间平均值，星号表示共轭复数。把式( 2 - i ) 、( 2 - 3 ) 代入式 ( 2 4 ) 得 和篱：黢e 2 赢2 a 222rek k 然e o ( r e 0 魄) ) s ， 一k 2 。j i l 。如，e x p f ( 丸一庐6 ) 】(。) ( f ) ) 用耦合进入光纤的光强，。表示( 瑶( l ) ) 及( 露( 死) ) ，上式可以简化，光源的 相干强度定义为 y ( r 。一f 6 ) = ( e o ( r 。) e ：( f 6 ) ) ，。( 2 6 ) 于是有 ，i = 1 0 k 之i ；。+ 七1 2 ，2 2 ，- 2 k 。i 。k 。2 。七l ，k 2 ，r c o s ( 庐。一妒。) 】( 2 7 ) 同理，利用式( 2 - 2 ) 可得 j 2 = i o k 2 c | j 鼍。+ 瑶k 2 2 , + 2 k 1 。k 2 。k t t k 2 ，r c o s ( # o 一九) 】 ( 2 8 ) 干涉条纹的可见度定义为 石：争争( 2 - 9 ) ，。+ k 。 式中i 。、i 。分别表示光强随相位变化而产生的最大值和最小值，于是有 i i = i o 1 一x c o s ( 妒。一以) 】( 2 - 1 0 ) j 2 = i o 1 + j r c o s ( 庐。一九) 】( 2 一1 1 ) 式中 一糍， 蚴 该式表明了干涉条纹可见度的大小不仅取决于干涉仪两臂相对光强，而且直 接与光源的相干强度成正比。 式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 式光的干涉原理得到的输出信号，它和传统激光式数 哈尔滨工程大学硕士学位论文 字传感器和光栅数字传感器最后条纹信号的形式完全一样，m a c h z e h n d e r 双 光束干涉仪将外界信号引起的相位移变转换为光强的变化，出于相位调制形 式，并使用干涉原理测量，其输出具有标准的正( 余) 弦的形式，它们都属 于数字式传感器的范畴，都可以用数字式传感器的共同理论和技术进行分析 和处理4 “。 2 3 数字式干涉型光纤传感器相关理论基础 2 3 1 光纤相位调制原理 光在光纤中传输时的相位取决于光频外，还取决于光波导的三个特性： 总物理长度，折射率及其分布及光纤波导的横向尺寸。假设在光纤波导中传 输的光是单色的，其频率为p ，在空气中的波长为 。 假定光纤波导折射率分布随外界变化保持恒定，则下面的分析将集中讨 论由长度、折射率和波导尺寸变化而引起的相位变化。对于施加于光纤的已 知扰动( 外界信号) ，我们就可以估算出光纤对这个扰动的相位灵敏度。光通 过长度为，的光纤后，出射光波的相位延迟为 妒= k o n l = 肼= _ 2 n n l( 2 1 3 ) 九 一 其中k 。= 竿，_ j = 帆分别为光在真空中和传输介质中的波数。显然， k 、 ，及h 的变化都将导致输出光相位的变化，由式( 2 一1 3 ) 可知 = a k l + k o l a n + k o n a t ( 2 - 1 4 ) 通常认为引起相位调制的物理因素可分为应力应变效应和温度效应。 第一应力应变效应 施加于光纤的应力主要产生三个方面的相位调制效应： 1 光纤长度变化( ，) 产生纵向应变s = 形，直接引起光波相位的变化： 2 光纤直径变化( 口) 产生横向应变s ，= 形，进而导致波数变化( 七) ， 最终导致光波相位的变化； 3 光纤纵横向应变产生光弹效应，使折射率发生变化( 加) ，从而导致相 位的变化。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由此分析，式( 2 1 4 ) 改写为 庐= 坝石1 石a k 也+ 等+ 等) = k o n l ( 去差叩+ 等怕) ( 2 - 1 5 ) 由光弹效应，考虑到单模光纤中光波的横向性质，竹由下式给出 a n = 一兰- ( p 1 1 + p 1 2 ) j ，+ p 1 2 5 f l ( 2 1 6 ) 式中p 、p 。2 为光纤的光弹系数，由光纤材料决定，把式( 2 一1 6 ) 代入式( 2 1 5 ) 中得 声= 讲( i l i 石a k 口一i n 2 ( 一。+ 一：) i s r + ( 1 一手n 。) s ， ( 2 1 7 ) 该式表明了光纤相位调制的主要机制。 第二温度效应 温度效应是由温度变化导致光纤长度和折射变化引起的，对相位的调制 主要考虑n 及，的作用，d 的影响很小，一般可以忽略不计。如果相位变 化是由温度变化引起的，式( 2 2 ) 可改写为 筹= k a 亍n + 栉等( 2 - 1 8 ) 温度效应所引起的相位变化主要涉及光纤干涉仪所处的外环境对系统的影 响，这是我们在进行系统设计时需要充分考虑的，不过温度效应所引起的相 位变化通常较为缓慢，可以通过采用信号处理的办法加以解决【7 】。 2 3 - 2 主动相位调制 式( 2 1 0 ) 是m a c h z e h n d e r 输出的光强，可写为下式： i = a + b c o s 庐( 2 - 1 9 ) 式中a 、b 为与光源发光功率有关的常量，b = k a 。妒为两臂光程差。由式( 2 1 3 ) 可知，m a c h z e h n d e r 光纤干涉仪两臂输出光波相位差为 ， 2 7 0 7 1 v 口= c ( 2 2 0 ) 其中口为真空中光速，3 7 为光纤折射率，为两臂长度差，l ，为激光光频，以 痧来表示相位差的变化： 眙尔浜工样入学硕士学位论文 ；丝业( 竺+ 掣+ 坐)( 2 2 1 ) c疗1y 可以看出改变光纤的长度、折射率和光频都能使相位差发生变化，据此有两 种方法实现主动相位调制。一种是在两臂等长的m z 干涉仪的一臂用数匝光 纤缠绕p z t 元件，把载波信号加到p z t 元件上，利用其在载波信号的驱动下 产生电致伸缩效应，引起干涉仪一臂光纤长度、折射率发生变化，导致最后 输出光波相位差随载波信号有规律的变化，从而实现相位调制，通常把这种 调制方式叫外调制。另一种方式就是直接调制半导体激光器。其基本机理是 输出激光波长( 频率) 与输出光功率有关，即与其注入激励电流有关，具有独 特的调制特性。在一定发光功率范围内光源输出光频随调制电流的变化而近 似线性变化，我们称这种调制方式为内调制”1 。 利用光纤干涉仪易于实现人为相位调制的特点，使用三角波电流对光源 在一定发光功率范围内进行调制，依据内调制的原理，实现三角波主动相位调 制，实现的具体方法是，用周期为r 的三角波电流信号叠加在l d 的驱动电 流上，通过改变激光光频实现相位调制。如果两个传感臂没有扰动的光程差 即只有三角波主动调制相位，在光电接收器得到的光强信号为下式： ，= a + b c o s c ，( f ) 】( 2 - 2 2 ) 其中为由于加上连续三角波调制信号而产生的相移，其中c 为相位调制 幅度，r ( f ) 的周期为t 。由于主动调制相位是三角波，的波形可以看作是 八八厂、八厂 。 i “， ： 图2 3 三角波相位调制信号 l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 三角波扫描余弦信号而得到的波形，在半个周期能够扫描出的余弦信号的范 围取决于三角波的峰峰值，如果峰峰值是2 石，那么在三角波的前半个周期就 能扫描出一个完整的余弦波形，如图2 3 为m z 光纤干涉仪在周期三角波调 制下的输出波形。上面为调制三角波信号波形，下面为干涉仪输出的信号波 形，其中c = 万，即前半个周期和后半个周期峰峰值为2 z ，在三角波的前半 周期和后半周期各“扫描”出一个周期的完整的余弦波形，且两波形关于t = 土 2 对称。这样就可以通过高频三角波扫描把干涉信号在扫描的半个周期内展开， 通过主动相位调制的周期“扫描”作用，在空间分布在于涉光场中明暗相间 的干涉条纹变成在时间轴上展开的余弦信号。式( 2 2 2 ) 是假设两个臂没有 产生扰动相位信号的输出信号，如果加上扰动引起的两臂的相位差信号为 o 。则有下式： i = a + b c o s c ，r ( r ) + m 5 ( 纠 ( 2 2 3 ) 在干涉仪受到外界扰动时，即有中，( ，) 时，利用图2 4 对西。( f ) 引起三角波扫 图2 4 条纹信号的移动 描出条纹信号的变化进行分析，假设三角波的频率足够大，即西。( f ) 的在三 角波的一个周期内基本上可认为是不变的，设在三角波的第一个周期内 西。( ，) = o ，此时，在三角波极短的周期内扫描出一个余弦周期的条纹信号，如图 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 4 中的标号为1 的波形图。取另外一个时刻中。( ，) = 芸三角波扫描出的波形， z 在2 4 图中为标号为2 的波形，对比这两个图形可以看出：在三角波的前半 个周期里，m 。( f ) 的增加或减少的作用相当于使c r ( ，) 扫描出的干涉条纹左 移或右移，条纹移过的相位就等于m 。( f ) 的变化量，m 。( r ) 每变化2 万弧度， 就有一个完整的干涉条纹波形移过某一个定点，这个定点不是传统中的位置 点，而是三角波每个扫描周期的同一个相位时刻点，用计数器对条纹计数， 如果对条纹的细分数为m 则分辨率可提高到 ，1 音。 2 4 数字式干涉型光纤传感器直接条纹细分的方法 7 t下 以三角波为基准，把三角波前半周期鲁分成等份，每等份为，a t = 熹 zz “ 每相隔出产生一个采样脉冲，分别去控制个采样器对光电转换后的干涉波 形采样，并使n = 4 a ，其中4 = l ，2 ，3 ，4 。 设每移过一个完整条纹的时间为t f ，当t 远大予t f 时，即采样速度远高 于条纹移动速度时，因为在三角波每个周期内个采样点各采样一次，经过 开 滤波后，各路信号都可以恢复成周期为t f ，且相位依次相差等的正弦信号， v 骨 这是因为相邻采样点的扫描三角波幅度相差等如图2 5 所示。对得正弦信 “ 号再经过比较器产生方波信号，用每路方波的前沿生成计数脉冲，送入可逆 计数器，则每一个数代表移过j 个条纹，通过这种计数的方法可实现对固 定点的条纹信号相位移动量即为o ，( ，) 变化量的测量。用计数器对条纹计数 实现对外界扰动所引起的相移中。( r ) 的测量，这就是数字式干涉型光纤传感 器的基本实现方法9 1 。 可以看出，除了条纹信号的取得方法与传统叠栅光栅不同外，后边的计 数细分处理是完全一样的。干涉型数字式光纤传感器的实现方法是利用光纤 易于实现主动相位调制的原理，对调制的信号进行分时采样，一个扫描周期 内的每一采样点相当于光场中的不同位置的观测点，通过滤波恢复出每一个 采样点观测到的条纹信号，这样就可以解决图1 1 系统中难以实现和不能实 现远距离测量的弱点，并且可以实现高倍数的直接细分。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 砉o f i i t | 2 r w f ( s ) ，、f， ， 、 ， 、r 、 llll ， 图2 5 对扫描得到的余弦信号分时采样 2 5 本章小结 本章介绍了m z 光纤干涉仪的基本原理，以及光纤相位调制的基本原 理。在此基础上提出了数字式干涉型光纤传感器的实现方法。这些是本课题 进行的理论依据。 4 哈尔滨1 程大学硕士学位论文 第3 章数字式干涉型光纤传感器原理仿真 和条纹信号分析 3 1 数字式干涉型光纤传感器直接条纹细分系统 数字式干涉型光纤传感器直接条纹细分的实现框图如图3 1 所示： 图3 1 数字式干涉型光纤传感器直接条纹细分框图 其中p 胁为相位调制信号发生器，s p 为采样脉冲发生器，s s 。为采样器， e 一日为平滑滤波器，c 。一c ，为比较器，q d 。为延时电路，只一0 为 计数脉冲产生器，d j c 为辨向电路，f 8 c 为可逆计数器，f b c 输出的是条纹移 动的数字信息，经数模( d a ) 转换后变为模拟输出。 从框图可以看出，整个系统分为两大部分，滤波器输出之前是一部分， 这一部分的主要功能就是产生具有不同初始相位的条纹信号，滤波器输出之 后是第二部分，这一部分实际上就是传统条纹信号直接细分的实现，已经有 成熟的技术，而且还有其他电子细分实现方法。 3 2 系统理论分析 3 2 1 理论分析 从第2 3 2 节可以看到，得到n 路条纹信号的关键技术是对卅z 干涉仪 经过三角波主动相位调制后输出的信号进行分时采样，并且使用图示法进行 哈尔滨工程人学硕士学位论文 了解释，这种解释方法虽然直观，但是由于没有办法在每个时刻都画出图形， 所以必须从理论上来进行推导。 经过三角波主动相位调制后的输出光强信号为式( 2 2 3 ) ，如果没有进行 三角波主动相位调制，直接输出的光强信号为： 1 = a + b c o s 中，( 0 ( 3 1 ) 根据在2 3 2 节所述的方法：在三角波的固定相位时刻采样，然后滤波得到 一路信号，我们来讨论其中任意第1 路信号。第1 路信号在经过n 个三角波 周期后采样得到n 个采样值，第一个三角波周期内采样值为； a + b c o s c r ( t ，) + 中，0 ，) 第1 路的在下一个三角波周期内采样得到是它的第二个信号采样值： h + b c o s c r ( t 。+ r ) ) + o 。( t 。+ 丁) 依次下去第n 个采样值为：a + b c o s c r ( t ，伸r ) ) + 毋。( ，。+ n t ) 可以由图2 5 看出，分时采样使得第1 路的每次采样都发生在三角波前 半周期的同一相位时刻，所以n 次采样得到的采样值有相同的由调制三角波 而得到的附加相位，以后采样时刻也是相同的，即： c r ( t ，) = c r ( t ，+ r ) ) 一= c r ( t ，十n ，) ) 。， 可以认为是一个常数，取c r ( t ，) 表示，如果对这一组采样信号值进行理想滤波 可恢复出第1 路条纹信号为： l = a + b c o s c r ( t ，) + 中。o ) ( 3 - 2 ) 对于第1 路信号来说，c r ( t ，) 是个常数，其值由第1 路的采样时刻决定。对 其他路信号进行相同的处理，就能够得到n 路( n 为分时采样的路数) 具有 不同附加相位的条纹信号，这一附加相位可以看作每路条纹信号的初始相位i io = a + b c o s c r ( to ) + 中。( ，) ；i f = a + b c o s c r ( t i ) + o ，( ，) ； i ，= a + b c o s 【c r ( t 。) 十西，( f ) ；i = a + b c o s c r ( t ) + 中。( f ) ( 3 3 ) 如果c = y ，又是均匀的分时采样，那么相当于在 一万，万 的区间上得到均匀 1 一 的相差等的初相位的n 路条纹信号。 川 对比( 3 3 ) 和( 3 - 1 ) 式可以看出滤波得到的n 路信号和不经过主动相 位调制直接得到的信号实际上是同个扰动的条纹信号，不同之处是它们有 不同的初始相位，每一路采样滤波之后得到的信号相当于在三角波前半周期 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - _ - - - _ _ i - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - - _ _ - - - - _ - _ _ - - _ _ _ _ 1 一 的不同相位时刻点探测到的条纹信号，相邻两路相位相差等，初始相位是 v 由于两路在三角波前半周期的采样时刻不一样，对应时刻的c r ( f ) 的值不同造 成的，正是由于不同时刻的c r ( t ) 值提供了相位差，因此可以考虑使用周期余 一 弦波代替三角波，在余弦波的上升的半个周中选择幅值均匀间隔等的时刻 采样，然后再滤波可以有完全相同的结果。在2 3 2 节图2 3 可知，如果主 动相位调制具有理想特性，则产生的条纹是标准的正弦波形，但实际上在调 制频率较高时，l d 的调频特性跟不上调制信号变化，因而三角波前后半周 期“扫描”出的波形两端都出现失真，如图3 2 。 国3 2 三角波扫描得到的信号 设r ( f ) 的周期是t ，付氏基数展开： 唧) _ 一事萎南c o s ( 2 1 ) 等( 3 _ 4 ) 可以看出是由余弦信号奇次谐波组成，当三角波的频率很大时，其高频成 分肯定会有所损失，所以实际当中是用周期为t 的余弦信号来代替。有了以上 的结论，采样时刻只要根据幅度决定最后得到的条纹信号就不会受到影响。 3 2 2 辨向信号的形成及其正交性分析 高倍数的细分技术和计数技术都需要辨向，由于数字式干涉型光纤传感 器的计数和细分技术完全利用的是传统的计数细分技术，所以也必须实现辨 向，由2 3 2 节所述，m 。( f ) 的变化方向决定了条纹的移动方向。辨向是由 两路正交的条纹信号来实现的，为此数字式干涉型光纤传感器也必须提供两 路正交的条纹信号，辨向电路必须适合条纹细分的方案，通过选择两路初始 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 相位相差昙的两路条纹信号即可做为辨向所要求的两路正交信号，其正交误 差取决于所选两路信号分时采样产生的幅度误差，只要两路信号在每次采样 时主动调制相位的差值精确为兰，那么这两路信号经过滤波后保持其正交 z 性。显然要想得到高度正交的两路辨向信号必须提高分时采样的准确性，这 需要高速器件来保证。 3 2 3 理论仿真 为了验证3 2 1 分析的正确性，使用m a t l a b 进行仿真，仿真时我们暂不 考虑3 2 1 节公式中的直流项a 。 图3 3 斜坡信号8 路细分仿真图 使用一个线性斜坡信号o 。( f ) = l o o t 进行仿真，采样路数选为8 ，采样频 率为i o k h ：，低通滤波器的截止频率为1 8 0 0 ( r a d s ) 。根据以上分析滤波后 得到的条纹信号应为具有不同初始相位的余弦信号c o s ( c ，+ 1 0 0 0 其中c 由 不同采样路决定，是常数。图3 3 所示为输入的巾，( f ) 信号和对应得8 路条 纹信号经过滤波后的输出。可以看出每一路都是余弦信号，其周期为o 0 6 2 4 s 但它们的初始相位不一样，和理论分析一致。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对中，( ，) 为一个单频率余弦信号，仿真参数为中。( ，) = 1 0 s i n ( 2 0 珂) 采样频 率为i o k h z ，进行仿真，低通滤波器的截至频率为1 8 0 0 ( r a d s ) 。如图3 4 所示： 图3 4 输入为余弦信号的仿真图 a 为输入的余弦信号，b ，c ，d ，e ，f ，g ，h ，1 分别为8 路滤波后的输出信号这里还 是三角波扫描，其中c = 万。按照上节所述，第5 路也就是图3 4 的f 的初始 相位为零，应该和c o s o 。( f ) 的波形一致，为了对比同时给出c o s o ，( ，) 】的波形 如图3 s u j 旺盈正墨叵蕊要受日蹈丑日 dd d 5d 10 1 50 2d2 50 303 5 图3 5 直接得到的条纹信号 可以看出图3 5 和图3 ，4 中的f 图的条纹信号完全是一个信号，和其他 路的信号波形一样只是初始相位不同。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ i _ l - _ _ l - _ l - _ l - l - - _ _ _ _ l - _ _ _ _ i _ _ _ - - - l - _ l _ i i _ - - l - _ _ - _ _ _ l l i 以上是在三角波扫描下，通过均匀定时来产生采样脉冲的仿真。下面的 3 6 图是使用c s i n ( 夕一要) 的正弦信号进行主动相位调制，利用均匀幅度控制 采样得到的仿真图，同样也是8 细分。实现方法如下：采样脉冲由扫描的正 图3 6 余弦波主动相位扫描 弦信号通过比较器和一定的基值幅度比较产生，对不同的路比较的基值不同， 如果大于基值，输出为1 ；小于基值输出为0 ，来产生采样控制脉冲， 相邻两路用来做比较的基值相差娶，比如第1 路余弦信号比较的值为罂， n 第( i + 1 ) 路比较的基值为半，通过比较器输出的上升沿控制采样脉 v 冲，进行采样。这样就可在扫描的高频正弦信号在不同的幅值点采样，即通 过幅度来控制采样点，得到不同幅值点的条纹信号。仿真的参数为扫描余弦 波频率f = 1 0 k h z ，为了能够在【一万，万 之间都产生采样脉冲，c 一定要大于万， 这里幅度c = 石+ l ， 中。( f ) ：1 0 s i n ( 2 0 m ) 和三角波扫描时的输入一样。比较图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4 和3 6 可以看出各路条纹信号的输出波形完全相同证明了3 2 2 节理论 分析的f 确性。 以上对信号的处理是在满足抽样定理和理想滤波的情况下得到的。其中 由于在一个高频扫描周期内对每一路只采样一次，所以每一路的采样频率 f ，= 未，t 是主动相位调制高频信号( 可是三角波也可是余弦波) 的周期，即每 一路的采样频率和主动相位调制频率相等。为了从采样信号中恢复出条纹信 号，必须找到条纹信号的频谱范围，然后根据奈奎斯特采样定理，选择主动相 位调制信号的频率，以及滤波器的滤波参数“。 3 2 4 条纹信号的频谱分析 条纹信号为h + b c o s cq + 中。( ，) + 妒( f ) ，这里我们暂时不考虑直流项a ， 其中中；( r ) 是外界有用信号产生的相位扰动，c 。是条纹的初始相位，不同路 有不同的数值，这里我们分析其中的一路，令c 。= 0 ，伊( ，) 是由于外界环境( 温 度) 变化引起的相位慢变信号。 c o s p ( f ) 十o ，( f ) = c o s 妒o ) 水c o s o ，( r ) 一s i n 妒( ，) * s i n 。( f ) ( 3 5 ) c o s ( d 。o ) 和s i n o ，o ) 的瞬时频率为堕冬盟，就是巾。( ) 在 时刻的微分值。则 n r c 。s p ( ，) + 中，( r ) 的瞬时频率是堕竺掣，设m ，( f )