（通信与信息系统专业论文）智能服装中新型光纤光栅心音传感器信号解调系统的设计.pdf

摘要 智能服装是能够感知人体外部环境或内部状态的变化，通过反馈机制实时地 对这种变化做出反应的服装。它涉及到电子信息学科、纺织学科和材料等多个学 科，是目前研究的热点。心音是人体生理的重要参数之一，具有心音检测功能的 智能服装对于心血管等疾病的发现和救治具有十分重要的意义。 本文对具有心音检测功能的智能服装中新型光纤光栅心音传感器信号解调 系统进行了研究。在分析了光纤光栅传感原理和比较了各种解调方法优缺点的基 础上，提出了一种将可调谐f p 滤波器作为匹配滤波器的智能服装中光纤光栅心 音传感器信号动态波长解调方法及系统方案，并设计了其解调系统。设计了系统 的光路，包括a s e 光源、光隔离器、可调谐f p 滤波器、光耦合器和光电探测 器；以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 为核心设计了系统的硬件电路，包括光电转换 电路、信号调理电路、d s p 最小系统电路、串口通信电路、数据存储电路和d a 转换电路：采用c 语言编写了系统的软件，包括主程序、动态波长解调子程序、 a d 采样子程序、串口通信子程序和d a 转换子程序；通过理论分析确定了光 纤光栅波长的动态工作点，提出了一种将可调谐f p 滤波器透射谱的中心波长稳 定在动态工作点的方法，并验证了该方法的有效性：搭建了系统的实验平台并进 行实验，结果表明该系统能够实现频率为3 0 h z 2 0 0 h z 的波长检测，其动态波长 检测的分辨率为o 1 p m ，最小解调的波长变化为4 p m ，并利用光纤光栅心音传感 器对实际心音进行测试，测试结果显示该解调系统能够实现动态波长的解调和心 音信号的检测，达到了设计的要求。 本文研究的动态波长解调系统具有光路简单，灵敏度和精度高等优点。它能 够实现心音信号的检测，为具有心音检测功能的智能服装的研究提供基础，在人 体心音智能服装中具有重要应用价值。 关键词：智能服装；心音检测；光纤光栅；可调谐f p 滤波器；动态波长解调 a b s t r a c t s m a r tc l o t h i n gi sak i n do fc l o t h e sw h i c hc a n p e r c e i v et h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t a n di n t e r n a ls t a t e so fc h a n g e so fh u m a nb o d y ，a n dt h e nr e a c ti nr e a lt i m et h r o u g h f e e d b a c km e c h a n i s m s i ti n v o l v e se l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n ，t e x t i l e ，m a t e r i a la n do t h e r d i s c i p l i n e s ，s ot h a ti tb e c o m e sar e s e a r c hh o t s p o tn o w a d a y s h e a r ts o u n di so n eo ft h e i m p o r t a n th u m a np h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，s os m a r tc l o t h i n gw i t ht h ef u n c t i o no f h e a r ts o u n dd e t e c t i o nf o rc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ed e t e c t i o na n dt r e a t m e n ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c e i n t h i st h e s i s ，as i g n a ld e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do nn e wf b gh e a r ts o u n d s e n s o ri ns m a r tc l o t h i n gw i t ht h ef u n c t i o no fh e a r ts o u n dd e t e c t i o ni ss t u d i e d a f t e r a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ff i b e rb r a g gg r a t i n ga n dc o m p a r i n ga d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fs o m ef i b e rb r a g gg r a t i n gd y n a m i cd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，an e w d y n a m i cw a v e l e n g t hm e t h o dw i t hat u n a b l ef - pf i l t e ra sam a t c h e df i l t e rb a s e do n f b gh e a r ts o u n ds e n s o ri sp r e s e n t e d ，a n dt h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d t h e o p t i c a lp a t ho f t h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e sa s e l i g h ts o u r c e ， o p t i c a li s o l a t o r ，t u n a b l ef - pf i l t e r ，l i g h tc o u p l e ra n dp h o t o d e t e c t o r t h eh a r d w a r e c i r c u i tw i t ht h ec o r eo fd s pc h i pt m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5o ft h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mi s d e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ep h o t o - e l e c t r i cc o n v e r s i o nc i r c u i t , t h es i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i t , t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，t h ed a t as t o r a g ec i r c u i ta n dt h ed i g i t a lt o a n a l o gc o n v e r s i o nc i r c u i t t h es o f t w a r eo ft h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mi sw r i r e ni nc l a n g u a g e ，i n c l u d i n g t h em a i np r o g r a m ，t h ed y n a m i cw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n s u b p r o g r a m ，t h ea n a l o gt od i g i t a ls a m p l i n gs u b p r o g r a m ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n s u b p r o g r a ma n dt h ed i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r s i o ns u b p r o g r a m t h ed y n a m i cw o r k p o i n to ff b gw a v e l e n g t hi sd e t e r m i n e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dam e t h o dw h i c h c a nm a k et h et u n a b l ef pf i l t e rt r a n s m i s s i o ns p e c t r u mc e n t e rw a v e l e n g t hr e m a i no n t h ew o r kp o i n ti sp u tf o r w a r da n dt h ev a l i d i t yo ft h em e t h o di sd e m o n s t r a t e d f i n a l l y ， a ne x p e r i m e n t p l a t f o r m i sb u i l t ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e m o d u l a t i o ns y s t e mc a na c h i e v es i g n a ld e t e c t i o nw i t ht h er a n g eo f3 0 h zt o2 0 0 h z ， t h er e s o l u t i o no ft h ed y n a m i cw a v e l e n g t hd e t e c t i o ni so ip m a n dt h em i n i m u m d e m o d u l a t i o nc h a n g eo ft h ew a v e l e n g t hi s4 p m u s i n gt h en e wf b gh e a r ts o u n d s e n s o ri nt h ee x p e r i m e n t , r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mc a l la c h i e v e d y n a m i cw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o na n dt h ed e t e c t i o no fh e a r ts o u n d ，w h i c hr e a c h e s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s w i t ha d v a n t a g e so fs i m p l e o p t i c a lp a t h ，h i g hs e n s i t i v i t y a n dp r e c i s o n ，t h e d y n a m i cw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ns y s t e mt h i st h e s i sd e s i g n e di sa b l et od e t e c t i n g h e a r ts o u n ds i g n a l i tc a np r o v i d eb a s i cf o rt h er e s e a r c ho fs m a r tc l o t h i n gw i t ht h e f u n c t i o no fh e a r ts o u n dd e t e c t i o na n dh a sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u ei ns m a r t c l o t h i n gw i t ht h ef u n c t i o no fd e t e c t i n gt h eh e a r ts o u n d k e y w o r d s ：s m a r tc l o t h i n g ，h e a r ts o u n dd e t e c t i o n ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ，t u n a b l ef - p f i l t e r ，d y n a m i cw a v e l e n g t h d e m o d u l a i t o n 学位论文的主要创新点 一、提出了一种将可调谐f p 滤波器作为匹配滤波器的智能服装 中光纤光栅心音传感器信号动态波长解调方法及系统方案，并设计了 系统的光路、硬件电路和软件。经实验结果表明该系统可实现频率为 3 0 h z 2 0 0 h z 的波长检测，其动态波长检测的分辨率为0 1 p m ；最小 解调的波长变化为4 p m ，且该系统能够实现心音信号的检测。 二、通过理论分析确定了光纤光栅波长的动态工作点，提出了一 种将可调谐f p 滤波器透射谱的中心波长稳定在动态工作点的方法， 并验证了该方法的有效性。 第一章绪论 1 1 课题国内外研究现状 第一章绪论 随着科学技术的快速发展和生活水平的日益提高，人们对服装的要求也越来 越高，人们希望服装在具有御寒和装饰这两种基本功能外，还能够有更多其它的 功能。当具有隔热、防静电、防水、防辐射和抗菌等功能的服装出现后，人们又 希望服装能够根据外部环境的变化而做出相应的反应，即能够实现服装的智能 化。 智能服装是能够感知人体外部环境或内部状态的变化，然后通过反馈机制实 时地对这种变化做出反应的服装【l 刁】。它涉及了电子信息、材料、纺织和生物等 多个学科，是近年来的研究热点之一。随着时代的发展，人们也越来越重视自己 和家人的健康，因此近十几年面向医学健康监护领域的智能服装的研究应用也成 了国内外研究的重点。 2 0 0 2 年，美国加州生命衬衫公司研制成功一种能够让医生随时获得患者生理 参数的生命衬衫。它将6 个传感器放在衬衫内，通过随身携带的微型电脑将穿戴 者的生理参数通过互联网随时传给医生，从而达到实时健康监护的目的【4 】，图1 1 为生命衬衫。 图1 1 生命衬衫 2 0 0 3 年，德国h o h e n s t e i n 医学研究所研制出一种提供给救护人员使用的智能 型医用夹克，它能够在非常短的时间记录病人的信息，然后通过天线将信息传递 回医院或者急救车，并且该医用夹克还可外接u s b 设备，从而使得救护人员可 以利用相机记录下病人的情况，让医生在病人到达前能够做好充分的准备，提高 天津工业大学硕士学位论文 医疗的品质【5 】。 2 0 0 5 年，飞利浦公司生产了一款电子智能运动服，它通过利用植入的传感器 对运动员的脉搏、血压、速度及所消耗的卡路里值进行检测和记录，根据这些数 据运动员可以及时了解自己的身体状况，从而提高自己的运动成绩【6 】。 2 0 0 7 年，印度的研究者p s p a n d i a n 等人研制出一种s m a r tv e s t 智能服装。 它将检测人体心电、体温和皮电的传感器植入到服装内，从而实现了对多种生理 参数的检测，图1 2 为s m a r tv e s t 服装示意图【7 j 。 图1 2 0 0 7 年9 月，飞利浦德国 传感器嵌入衬衫或女士内衣里 各种生理参数传送给服务中心 服装【8 1 。 、。n h 、，= j i li 、l 一-r 2s m a r tv e s t 服装示意图 亚琛研究中心主导研发的m yh e a r t 项目，通过将 ，从而实时地对心脏状态进行监测，并把监测到的 ，达到预防和早期诊断的目的，图1 3 为m yh e a r t 图1 - 3m y h e a r t 服装 2 0 0 6 年，华中科技大学研究了一种基于m e m s 的智能服装及制作方法。它 通过将柔性传感器阵列薄膜与纺织品结合来对人体的心电和心音等生理参数进 行采集【9 1 。 2 0 0 7 年，东华大学研究的一种嵌入服装式的人体亚健康智能评估装置及方 法，通过在衣物的前片中嵌入能够检测生理信号的传感器，在衣物的后片中嵌入 信息处理和无线通信等模块，同时将传感器与模块之间利用导电纤维进行连接， 第一章绪论 从而对穿戴者的亚健康状态进行预测报警，提醒穿戴者积极调整机体功能，维护 健康【10 1 。 从上述调研的结果可以看出，国外的一些发达国家已经在面向医学健康监护 领域的智能服装研究方面取得了一定的成果，而国内在该领域的研究才刚刚起 步，与国外发达国家相比还存在着较大差距。 在上述提到的智能服装中，都是利用电学传感器进行人体生理参数的检测， 然后通过导电纤维传递给信号处理单元进行处理和分析，所以基于电学传感器的 智能服装会对人体造成安全隐患，同时还容易受到外界环境的电磁干扰并引入外 界的噪声。 光纤是光导纤维的简称，是一种重要和常用的光波导材料，它利用光在玻璃 或塑料制成的纤维中的全反射引导光波沿光纤轴线方向传播 1 1 - 1 3 l 。与电缆相比， 光纤具有较长的中继距离、信息传输容量大、不易受到电磁场的干扰、良好的保 密性和使用轻巧等优点。因为光波在光纤中传播时表示光波的特征参量( 如振幅、 相位、波长等) 因外界环境因素( 如温度、压力、磁场、电场等) 的作用而直接 或间接地发生变化，所以光纤传感器的基本原理是利用光纤的传光特性将光纤作 为传感元件来探测各种物理量 1 4 - 1 6 j 。 与传统的电学传感器相比，光纤传感器具有损耗低、体积小、灵敏度高、复 用性好、抗电磁干扰和响应速度快等优点，而且它易于衣服结合，并且不存在人 体被电流击伤的安全隐患，因此基于光纤传感技术的智能服装在面向医学健康监 护领域的研究应用具有巨大的潜能。 2 0 0 3 年，佐治亚理工学院研究的利用金属纤维和柔性光纤作为数据总线的 s m a r ts h i r t 【17 1 。在s m a r ts h i r t 中，金属纤维和柔性光纤交织在一起织入布料中， 从而使得传感器检测到的心率、呼吸、体温及其他生理参数可以通过它们传输给 监测装置，当被测者的生命特征出现问题时，该监测装置可以及时发出报警信号， 从而减低突发性死亡的概率。该s m a r ts h i r t 如图l _ 4 所示。 图l _ 4s m a r ts h i r t 3 天津工业大学硕士学位论文 2 0 0 9 年，为了使患者能够在进行磁共振扫描的同时得到心率等重要生理参数 的监控，由欧盟资助的o f s e t h 项目研究了将光纤织入纺织品中从而实现在磁 共振扫描中对患者的不间断监控，监控项目包括心脏的各种重要参数、呼吸频率 和脉搏血氧饱和度等1 8 , 1 9 。图1 5 是o f s e t h 项目中的光纤光栅传感器和监控系 统，其中图( a ) 为光纤光栅传感器与纺织品的结合，图( b ) 为监控系统的示意 图。 ( a ) 光纤光栅传感器与纺织品的结合 ， 、一 j 一、 么“飘 叭 1 弋嚣 ，。l l 叫 ， 一 ，：。 ( b ) 监控系统示意图 图1 5o f s e t h 项目中光纤光栅传感器和监控系统 从上述的调研情况可以看出，目前国外在基于光纤传感技术检测人体生理参 数的智能服装的核心技术方面已取得一定研究成果，但是国内还未见该领域的相 关研究和报道。 随着全球经济的快速发展和城市化的步伐加快，人类疾病谱也发生了很大的 变化。二十一世纪人类的健康所面临的最大威胁是心血管疾病，全球每年因心血 管病死亡的人数约为1 7 0 0 万【2 。据中国心血管病报告2 0 1 0 中的数据显示， 我国患心血管疾病的人数高达2 3 亿，即每5 个成年人中就有1 个人忠心血管病， 而每年死于心血管疾病的人约为3 0 0 万，占全部死亡原因的4 0 左右，居各种死 因之首【2 1 1 。由于心血管病具有突发性、短暂性和危险性等特点，所以保证生命的 有效方法是进行实时监测和及时救治。心音是指心脏在舒张和收缩运动中心肌、 血液等机械振动产生的复合音，由于它含有人体心脏大量的生理和病理信息，通 第一章绪论 过对心音进行检测和分析能够分析判断心脏和血管的状态阻2 4 1 ，因此具有心音检 测功能的智能服装对于心血管等疾病的发现和救治具有十分重要的意义，但由于 我国在智能服装的研究刚刚起步，因此还未见利用光纤传感技术对心音进行检测 的理论和方法研究。 1 2 课题研究的目的和意义 本课题的目的是设计智能服装中新型光纤光栅心音传感器信号解调系统。通 过将可调谐f p 滤波器作为匹配滤波器，实现基于可调谐f p 滤波器的动态波长 解调方法对振动信号的解调。同时根据该动态波长解调方法，提出了相应的解调 系统方案，并设计了解调系统，最终完成对心音信号的检测。 心音是人体生理的重要参数之一，它包含大量的心房、心室和心血管及各个 瓣膜的生理和病理信息，因此对心音信号的采集和分析在基础研究和临床诊断上 都有着十分重要的意义【2 5 , 2 6 1 。本课题研究的智能服装中新型光纤光栅心音传感器 的信号解调系统可以采集心音信号，并能够为后续心音信号的处理和分析打下基 础。同时本课题研究的具有心音检测功能的智能服装能够用于心脏病和高血压病 人的实时监测，使得人们能够及时发现病情，早日治疗或自救，避免死亡，并且 该智能服装还能够为人体生理参数智能服装的研究提供理论依据，促进光纤光栅 人体生理参数智能服装研究的科学发展。 1 3 课题主要研究内容 本文在对面向健康监护领域的智能服装国内外研究现状进行了深入分析的 基础上，以光纤光栅心音传感器作为研究对象，对智能服装中新型光纤光栅心音 传感器信号解调系统的设计进行了研究，主要内容如下： 1 、提出一种将可调谐f p 滤波器作为匹配滤波器的光纤光栅心音传感器信 号动态波长解调方法及系统方案。 2 、确定光纤光栅波长的动态工作点，提出一种将可调谐f p 滤波器透射谱 的中心波长稳定在工作点的方法。 3 、根据动态波长解调方法，设计该动态波长解调系统的光路。 4 、以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 为核心，设计该动态波长解调系统的硬件电 路。 5 、采用c 语言编写该动态波长解调系统的软件。 6 、搭建动态波长解调系统实验平台，进行动态工作点稳定方法验证实验、 振动测试实验、模拟心音测试实验和实测心音实验。 天津工业大学硕士学位论文 第二章光纤光栅传感原理及解调方法 第二章光纤光栅传感原理及解调方法 2 1 光纤光栅传感原理及应变特性 2 1 1 光纤光栅传感原理 1 9 7 8 年，加拿大渥太华通信研究中心的k o h i l l 等人首次在掺锗石英光纤 中发现光纤的光敏效应【2 7 1 。1 9 8 9 年，美国的g m e l t z 等人利用紫外侧写入技术研 制出布拉格波长位于通信波段的光纤光栅【2 8 1 。1 9 9 3 年，k o h i l l 等人又提出了相 位掩膜技术，它使得光纤光栅的制作更加简单和灵活，也使得光纤光栅的大批量 制造成为可能【2 9 】。由于光纤光栅具有体积小、带宽范围大、波长选择性好、附加 损耗小、良好的耦合性和复用性、抗干扰性( 如湿度和电磁场等) 和不受非线性 效应影响等优点，因此它具有非常好的实用性，并在光纤通信和光纤传感等领域 具有广阔的应用前景【3 0 ，3 1 1 。 光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ，简称光纤光栅) 是利用掺杂光 纤的光敏性制成的，通过紫外光曝光的方法将入射光形成的空间干涉条纹写入纤 芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性的空间相位 光栅，其作用实质上是在纤芯内形成了一个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射 镜【3 2 , 3 3 】。 根据光纤耦合波理论可知【3 4 1 ，当满足相位匹配条件时，光纤光栅的b r a g g 波长五。为 九= 2 n 盯a 公式( 2 1 ) 式中，刀。伊为光纤纤芯的有效折射率；人为光栅的周期。式( 2 1 ) 又被称为 光纤光栅的布拉格方程。 b r a g g 波长的峰值反射率r 为3 5 】 r ：t a n h 2 ( ；r t a _ n m x 三) 公式( 2 2 ) 如 式中，刀一是折射率最大变化量：l 是光栅长度。从式( 2 2 ) 可以看出， 血一越大，反射率越高，反射谱的宽度越宽。 光纤光栅传感原理如图2 1 所示，当光信号在光纤光栅中传播时，满足光纤 光栅b r a g g 条件的波长被反射回来，其余的波长透过光纤光栅继续传输。 天津工业大学硕士学位论文 入射光 反豉痞一 纤芯 透射光 五 允 兄 图2 1光纤光栅传感原理 由式( 2 1 ) 可以看出，光纤光栅反射光的中心波长五。跟光纤的有效折射率 刀讲和光栅周期人有关，所以任何使得这两个参数发生变化的物理过程都会引起 光纤光栅反射光中心波长的变化。在所有引起光纤光栅反射光中心波长变化的外 界因素中，最直接的物理量是应变和温度等参数【3 6 。弱j 。当传感光纤光栅周围的应 变、温度或其它相关的待测物理量发生变化时，会引起光纤光栅的即。帝或人发生 变化，从而导致光纤光栅反射光中心波长的改变。图2 2 为光纤光栅敏感的外界 物理量示意图。 图2 - 2 光纤光栅敏感的外界物理量示意图 当光纤光栅受到的应变和温度等参数发生的变化引起光纤光栅的力够和a 也 随之发生相应的，? 够和人的变化时，由式( 2 1 ) 可知，光纤光栅的波长偏移 量九为 兄矗= 2 胛万人+ 2 以够人 式中，刀够为光纤由弹光效应或热光效应引起的折射率的变化； 在应变或温度的作用下光栅周期的变化。 公式( 2 3 ) a 为光纤 由式( 2 3 ) 可知，通过检测光纤光栅的反射光中心波长变化的情况，就能 获得被测物理量的信息。 第二章光纤光栅传感原理及解调方法 2 1 2 光纤光栅的应变特性 当光纤光栅受到外界轴向应变时，由于光栅的周期变化和弹光效应，使得光 纤光栅的中心波长发生改变。 假设外界环境的温度场保持不变，光纤光栅仅受到了轴向应变占，的作用， 因此光纤光栅的栅距周期人变化为 a a = 人占： 公式( 2 4 ) 同时由于弹光效应引起光纤光栅的有效折射率刀谚发生了a n 的变化，如式 ( 2 5 ) 所示。 血咿：蓝堕掣乞 公式( 2 - 5 ) 式中，弓( j 2 l ，2 ) 为弹光系数；，为纤芯材料的泊松比。将式( 2 5 ) 的两 端同时除以以够可得 公式( 2 6 ) 定义有效弹光系数为 e ：盟半 公式( 2 - 7 ) 所以式( 2 - 6 ) , - 3 以表不为 垃：一屯 门e f t 将式( 2 4 ) 和式( 2 8 ) 代入式( 2 3 ) 中，可以得到 华：( 1 一) 巳 公式( 2 8 ) 公式( 2 9 ) 式( 2 9 ) 即为光纤光栅应变测量的基本公式，由式中可以看出，通过求得以 就能够获取外界的轴向应变占：。 2 2 光纤光栅传感解调方法 光纤光栅传感器是以波长编码的方式对信号进行传感，其解调方法是将传感 信号从波长编码中解调出来，然后转换为电信号，再对其进行显示和计算。由于 光纤光栅解调方法是光纤光栅传感系统的关键部分，所以它一直是光纤光栅传感 天津工业大学硕士学位论文 领域研究的热点 3 9 , 4 0 。 传统的测量光纤光栅波长变化量的方法是直接采用光谱仪、单色仪和多波长 计等设备，但这些仪器价格高、体积大、测量速度慢，并不适用在现场应用的传 感系统中【4 1 4 3 1 。因此人们提出了很多解决的方法，其中根据待测物理量的类型不 同可将其分为两大类，一类是静态解调方法，另一类是动态解调方法。静态解调 方法适用于对传感信号变化缓慢的被测量进行检测，它具有易于控制、稳定性高、 实用性强的优点，但由于它解调速度较慢，所以无法解调频繁变化的传感信号， 常用的静态解调方法主要包括可调谐f p 滤波器检测法和可调谐窄带光源检测 法等。动态解题方法适用于传感信号变化较快的测量系统，其优点是能够快速准 确地对信号进行解调，并且获取信号的细微变化特征，缺点是相对稳定性较差。 常用的动态解调方法主要包括干涉解调法、边缘滤波法和匹配解调法。 2 2 1 干涉解调法 干涉解调法的基本原理是在单模光纤中传输的相干光由于被测物理量引起 的光纤光栅中心波长变化，而产生干涉光的相位调制，通过测量干涉仪相位变化 导致的输出光强变化，进而达到光纤光栅的波长解调。虽然干涉法检测灵敏度特 别高，但外界环境的变化也容易对该解调法的准确性产生影响。目前常用的干涉 解调法包括马赫泽德( m a c h z e h n d e r ) 干涉解调法、迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干 涉解调法和萨格奈克( s a g n a c ) 干涉解调法i 非4 6 】。 1 9 9 2 年，a d k e r s e y 等人提出了非平衡m z 干涉仪法，该方法是利用非平 衡m z 干涉仪将传感光纤光栅的波长变化转换为与之对应的相位的变化，然后 再通过检测干涉仪输出的相位从而获取传感光栅波长变化的信息，其解调系统框 图如图2 3 所示。 驱动陶瓷p z t光电探测器2 差分放大器 图2 3 非平衡m z 干涉仪法解调系统框图 宽带光源发出的光经过光耦合器进入到传感光纤光栅上，它的反射光经过另 一个光耦合器分成两路光信号，其中一路进入不等臂长的m z 干涉仪，然后通 过非平衡m z 干涉仪把光纤光栅中心波长的变化转化为与之相对应的相位变化。 第二章光纤光栅传感原理及解调方法 所以光电探测器l 检测到的干涉仪输出的光强，为 i ( 2 ) = a 1 + k c o s ( a ) + ( ，) 】) 公式( 2 1 0 ) 式中a 和k 为常数，其中a 是输出的直流分量，与输入的光强、光耦合器 的分光比及系统的损耗有关，k 是干涉条纹的可见度；( 五) = 2 n n , f f d 2 b ，它是 干涉仪两臂的相位差：( f ) 是由外界环境引起的随机相位差。 当光纤光栅的中心波长发生变化时，通过非平衡m z 干涉仪引起的相位变 化量为 矽( 力) = 2 n n a r d a 2 口2 占2 公式( 2 一1 1 ) 式中，矽( 兄) 为相位变化量；以为光纤光栅中心波长的变化量；甩是纤 芯的折射率；d 是干涉仪两个臂之间的长度差。 由式( 2 1 1 ) 可知，只要得到( z ) 就可求出传感光纤光栅的波长偏移量， 从而测得待测的物理量。 虽然非平衡m z 干涉法的动态响应和分辨率都很高，但由于非平衡m z 干 涉仪在测量中易受到外界环境的噪声干扰，而这种随机的噪声干扰会造成干涉仪 两个臂的相位发生随机漂移，引起随机相位差，从而导致检测的信号不准确，影 响最终的解调效果，所以该解调法只适用于动态应变的检测，不适合对绝对应变 进行检测，并且根据干涉仪的相位变化范围也限制了该解调法的测量范围。 2 2 2 边沿滤波法 边沿滤波法是采用边沿滤波器进行光纤光栅波长解调的一种方法1 4 7 , 4 8 1 。边沿 滤波器是指其反射谱或透射谱的光强与波长具有一定单值边沿的滤波器。当传感 光纤光栅的中心波长发生漂移时，其反射光经过滤波器后的光强输出就会发生相 应的变化，根据波长和输出的光功率具有一一对应的关系，所以能够达到解调的 目的，其解调原理图如图2 4 所示。 图2 _ 4 边沿滤波解调原理图 天津工业大学硕士学位论文 宽带光源发出的光经过光耦合器入射到传感光纤光栅，其反射光经过光耦合 器分成两路，分路比为m n ，其中一路光信号i s 经过光谱透过率为线性函数f ( 五) 的滤波器后进入光电探测器1 ，另一路光信号i r 则作为参考光直接进入光电探测 器2 ，然后两路从光电探测器出来的电信号相除，其解调系统框图如图2 5 所示。 光电探测器2 图2 5 边沿滤波法解调系统框图 通过对两路从光电探测器出来的电信号进行除法运算，可以消除光源的波动 和其它的损耗对系统输出的影响，然后可以得到波长的变化量为 i = i s x ，= a ( m n ) , t 占一厶+ ( 州万) 】 公式( 2 - 1 2 ) 式中，2 。为光纤光栅的原始中心波长；五为光纤光栅的波长偏移。 边沿滤波法的优点是能够有效地消除光源波动和各处附加损耗对信号的影 响，但由于解调系统的分辨率与滤波器的滤波曲线斜率有关，并且滤波曲线的线 性近似也会产生一定的误差，所以使得该方法解调系统的分辨率与其它的解调系 统的分辨率相比较低，并且该方法动态应变测量的响应速度与其它解调法相比也 不快。 2 2 3 匹配解调法 匹配光纤光栅滤波解调法是指将一个与传感光纤光栅匹配的光纤光栅作为 参考光栅，然后利用驱动元件使得参考光栅能够对传感光纤光栅的中心波长进行 跟踪，从而可以根据驱动元件的驱动信号获取引起传感光纤光栅变化的待测物理 量1 4 9 , 5 0 1 。 根据光纤光栅谱信号的匹配方式，匹配光纤光栅滤波解调法可以分为两种， 分别是反射式和透射式。这两种方法的工作原理基本相同，即为宽带光源经过 3 d b 耦合器进入传感光纤光栅，从传感光纤光栅反射后形成的窄带光波再经匹配 光纤光栅反射或者透射后进入光电探测器并转换为电信号。这两种方法的解调系 统框图如图2 - 6 所示，图( a ) 为反射式的解调系统，图( b ) 为透射式的解调系 统。 第二章光纤光栅传感原理及解调方法 ( a ) 反射式解调系统 ( b ) 透射式解调系统 图2 - 6 匹配解调系统框图 由于反射式解调系统采用匹配光纤光栅的反射谱进行探测，系统的端面反射 和噪声都很小，且峰值位置对应输出谱线的极大值，这样有利于信号的检测，所 以一般采用反射式的结构 5 1 4 3 】。 当传感f b g 不受任何外界影响时，它的反射谱和匹配f b g 反射谱重叠面积 最大，此时光电探测器探测到的光强也最大。当传感f b g 受到外界扰动时，它 的反射波峰就会产生相应的移动，同时与匹配f b g 反射谱重叠面积也会相应减 小，使得光电探测器探测的光强也会变小，所以可以通过检测光电探测器的输出 得知传感f b g 中心波长的变化情况。 匹配光纤光栅滤波解调法具有检测灵敏度高、系统成本较低和结构简单的优 点，但缺点是其匹配条件比较严格，并且只能实现在相对较小的波长范围内对待 测物理量的变化进行检测。 2 3 本章小结 本章首先对光纤光栅的传感原理进行了介绍，通过公式推导分析了光纤光栅 的应变特性，然后介绍了常见的光纤光栅传感解调方法，重点分析了干涉解调法、 边沿滤波法和匹配滤波法这三种动态波长解调方法的解调原理及其优缺点。 天津工业大学硕士学位论文 第三章动态波长解调系统设计方案 第三章动态波长解调系统设计方案 3 1 基于可调谐f p 滤波器的动态波长解调方法 由于本课题研究的心音信号变化较快，因此需要设计一种动态波长解调方法 对心音信号进行检测，根据第二章提到的光纤光栅传感器动态解调方法，干涉法 虽然具有很好的动态响应和较高的分辨率，但它极易受到外界环境的干扰，而本 文设计的动态波长解调系统是用于检测人体心音信号，外界环境的干扰不可避 免，所以不适合采用干涉法。边沿滤波法虽然能够有效地消除光源波动和其它损 耗对解调信号的影响，但它的分辨率和动态响应速度不够快，因此也不适合本系 统。匹配光纤光栅滤波法虽然结构简单、灵敏度高，但是由于其匹配条件十分严 格，并且本系统使用的是自制的光纤光栅心音传感器，传感光纤光栅的反射谱型 和中心波长在封装后会发生变化，所以较难找到与之相匹配的光纤光栅。但因为 匹配光纤光栅滤波法结构简单的优点非常适合本系统，所以可以寻找一种光学器 件代替匹配光纤光栅实现与传感光纤光栅的匹配。 由于可调谐f p 滤波器可以通过改变驱动电压实现其透射谱的中心波长的 变化，因此本文结合可调谐f p 滤波器和匹配滤波解调法的优点，提出了一种基 于可调谐f p 滤波器的动态波长解调方法，该方法利用可调谐f p 滤波器代替匹 配滤波解调法中的匹配光纤光栅，通过改变可调谐f p 滤波器的驱动电压使得可 调谐f p 滤波器的透射谱和传感光纤光栅的反射谱进行匹配，克服了匹配滤波解 调法中的实现条件难的问题。 该动态波长解调方法原理图如图3 1 所示。当传感光纤光栅感受到外界扰动 时，其中心波长将会随之发生偏移，使得其反射谱和可调谐f p 滤波器透射谱的 重叠部分发生变化，如图3 1 中虚线所示。 哟 图3 1动态波长解调法原理图 天津工业大学硕士学位论文 假设传感光纤光栅的反射光谱为s o ) ，可调谐f p 滤波器的透射光谱为 r ( 2 ) ，则两个光谱重叠部分的光功率为 尸= 口s ( a ) r ( 允) 以 公式( 3 - 1 ) 式中，口为耦合器的分束比等因素造成的系统衰减。因此当传感光纤光栅感 受到外界扰动使得其反射谱的中心波长发生偏移时，它与可调谐f - p 滤波器透射 谱重叠部分的光功率也会随之发生改变，从而可以反映出传感光纤光栅上受到扰 动的信息。 为了建立该动态波长解调原理的数学模型，假设传感光纤光栅的反射谱和可 调谐f p 滤波器的透射谱均为高斯谱，即 跗脚o e x p 详m 秒】 础觚e x p 学”硝】 公式( 3 。2 ) 公式( 3 3 ) 式中，s 。为传感光纤光栅的最大反射率； 和 分别为传感光纤光栅反射 谱的3 d b 带宽和中心波长；r 。为可调谐f - p 滤波器的最大透射率；五和厶分 别为可调谐f p 滤波器透射谱的3 d b 带宽和中心波长。 将式( 3 - 2 ) 和式( 3 3 ) 代入式( 3 1 ) 中，可得传感光纤光栅的反射谱和可 调谐f - p 滤波器的透射谱重叠部分的光功率p 为 弋 p = 口l s ( a ) r ( a ) d z 卸0 r e x p 学”枷x p 等m 硝】 蜮 4 ， = a s o r 如 从式( 3 4 ) 中可以看出，重叠部分的光功率p 与传感光纤光栅的中心波长 和可调谐f - p 滤波器的中心波长的差值有关。 当传感光纤光栅反射谱和可调谐f - p 滤波器透射谱的重叠部分的光信号通 过光电探测器转化为电流信号后，再通过信号调理电路转化并放大成为电压信 号。该电压信号圪与光功率p 的关系如式( 3 - 5 ) 所示。 v o = k l 七2 p = k p 公式( 3 5 ) 式中，k 。为常量，与信号调理电路的放大倍数有关；k ：也为常量，与光电 探测器的灵敏度有关；k = k l k ：。将式( 3 - 5 ) 代入式( 3 4 ) 中，可得到 第二章动态波长解调系统设计方案 圪= 舻 = a k s o r o 如 e 堋毒豢，赋 石 从式( 3 6 ) 中可以看出，系统输出电压圪与传感光纤光栅和可调谐f p 滤 波器的中心波长差值呈非线性关系，其分布为高斯型。当传感光纤光栅的中心波 长 和可调谐f - p 滤波器的中心波长如差值为零时，即a = 如，系统输出电压圪 达到最大值，为 广一 =嬲oroaaa鸲上4in2(a2+aa22) 从式。7 v 当传感光纤光栅的中心波长丑和可调谐f p 滤波器的中心波长五差值大于 传感光纤光栅带宽的一半丑和可调谐f p 滤波器带宽的一半五的和时，即 k 一五2 i = 丑+ 如，此时系统输出电压圪为最小值，即= 0 。 若将可调谐f p 滤波器的中心波长固定不变，同时让传感光纤光栅的中心波 长在可调谐f p 滤波器透射谱的一侧变化，通过式( 3 6 ) 可以得出系统输出电 压与传感光纤光栅的中心波长变化的表达式，从而实现对传感光纤光栅中心波长 的检测。 3 2 动态波长解调系统设计方案 根据上述的基于可调谐f p 滤波器的动态波长解调方法原理，设计了该动态 波长解调系统，其解调系统框图如图3 2 所示。 图3 2 动态波长解调系统框图 该动态波长解调系统由放大自发辐射( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ， a s e ) 光源、光隔离器、可调谐f p 滤波器、3 d b 耦合器、传感光纤光栅、光电 探测器及d s p 等组成。a s e 光源输出的光经过光隔离器和可调谐f - p 滤波器后 形成可调谐窄带光，再通过3 d b 耦合器进入传感光纤光栅，由传感光纤光栅反 天津工业大学硕士学位论文 射的光信号经过3 d b 耦合器再输入给光电探测器转换为电信号，该电信号进入 信号调理电路进行放大和滤波处理，d s p 控制a d 对信号调理电路输出的信号 进行采样，再进行存储，然后通过对数据的处理实现对传感光纤光栅的动态波长 解调，完成心音信号的检测，并且d s p 控制d a c 输出两路信号，其中一路输出 可调谐f p 滤波器的驱动电压，另一路输出解调出的心音信号。 d s p 通过控制d a c 输出驱动电压控制可调谐f p 滤波器的扫描，其驱动电 压如图3 3 所示。 出1 0 羽 蒋 器 蜴 图3 3 可调谐f p 滤波器驱动电压 t 表示该驱动电压的一个周期，驱动电压在0 1 0 v 之间变化。当驱动电压从 高电压变化到低电压时，可调谐f - p 滤波器能够完整的对传感光纤光栅的光谱进 行扫描，从而获取传感光纤光栅的最大输出电压。当驱动电压从低电压变化到高 电压时，可调谐f p 滤波器的中。t 5 波长从高到低变化，当它到达动态工作点时， 保持驱动电压不变，并加入频率为2