（通信与信息系统专业论文）基于dsp的干涉型光纤传感器高速数据采集.pdf

中文摘要 摘要：自2 0 世纪8 0 年代以来，光纤传感的研究日益受到人们的重视，特别是具 有高灵敏度的干涉型光纤传感器，由于其具有较高的灵敏性、较大的动态范围、 超宽频带的响应范围，因此成为光纤传感研究领域里的热点研究方向之一。然而 在干涉型光纤传感器中影响传感器检测精度和响应速度的一个主要因素是高速的 信号采集系统，目前的采集系统采样速率较低，一定程度上阻碍了光纤传感器的 实用化进程。本文研究重点基于高速d s p 研究适合于干涉型光纤传感器的高速实 时数据采集系统。 论文完成的主要工作如下： ( 1 ) 研究基于马赫曾德尔干涉仪的光纤传感系统的结构特点和设计原理，设计 研究了p g c 相位载波检测方案并用m a t l a b 编程进行仿真，得到正确的仿真 结果，验证了方案的可行性； ( 2 ) 基于处理器d s pt m s 3 2 0 c 6 4 1 6 系统开发板进行研究分析，重点研究c p u 、 e d m a 控制器、数据程序存储器控制器等内部原理及开发平台的硬件资源 和性能特征。实现数据存储与传输功能，保证了d s p 的控制单元和时序控 制单元能同时对存储单元进行数据存取操作； ( 3 ) 给出整个系统的总体结构功能设计方案。设计外围电路与c p u 的接口控制， 利用p r o t d 9 9 实现了电路设计及仿真，并调试电路； ( 4 ) 软件设计及程序优化。利用t i 公司的d s p 的软件集成环境c c s 3 1 。设计 实现系统数据采集功能的d s p 程序及相应的子程序，包括：d s p 的初始化 程序、a d 控制及处理程序、中断处理程序、数据通信程序。最后对程序进 行优化； ( 5 ) 对软、硬件系统集成调试成功，基于d s k 板上进行了实验测试。对模拟信 号进行采集，在p c 机上观察波形，采样结果与输入信号基本一致，得到了 预期的结果； 关键词：干涉型光纤传感器；p g c 检测；d s p 处理系统；信号采集；c c s 。 分类号：t n 9 1 1 7 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：s i n c et h ef i r s td e m o n s t r a t i o n so ff i b e ro p t i c 鸵i i s o i si nt h el a t e19 8 0 s ，t h e r e s e a r c ho fo p t i cs e n s o l - sa n ds y s t e m _ , e s p e c i a l l yi n t e r f e r e n c ef i b e rs e n s i n gs y s t e m , h a s b e c o m em o r ea n dm o r es i g n i f i c a n t d u et oi t sh i g hs e n s i t i v i t y , u l t r a - b r o a d b a n dr e s p o n s e a n dl a r g ed y n a m i co p e r a t i o nr a n g e , r e s e a r c ho nf i b e rs e n s o rb e c o m e san e w d i s c i p l i n e h i g hs p e e dd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mo ff i b e rs e n s i n gs y s t e mi sv e r y i m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h ed e t e c t i n gp r e c i s i o na n dr e s p o n s es p e e d ，n l ea p p l i c a t i o no f f i b e rs e n s i n gs y s t e mi sl i m i t e db yt h es p e e do fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s t h e r e f o r e , t h i st h e s i si sc o n c e n t r a t e do nt h es t u d yo fh i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o no ff i b e r i n t e r f e r e n c es e n s i n gs y s t e m 、 r i n ld s p t h em a i nw o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) ，n 他s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es y s t e mb a s e do nm a c h - z e n h d e r o p t i c a l f i b e ri n t e r f e r o m e t e ri s b r i e f l yi n t r o d u c e d a n dt h e np g cd e t e c t i o n t e c h n i q u eo fi n t e r f e r e n c ef i b e ro p t i cs a t l s o i si sd i s c u s s e di nd e t a i l s t h ev a l i d i t y o ft h ep r o p o s e ds c h e m ei sd e m o n s t r a t e db yn u m e r i c a lr e s u l t sw i lm a t l a b s o f t w a r e ( 2 ) n ed s p c h i pt m s 3 2 0 c 6 4 16b a s e do nd e v e l o p m e n tb o a r di si n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r w ef o c u so nt h es t r u c t u r eo fc p ua n de d m a ，a n a l y z i n gt h e c o n t r o l l e ra n dl o c a lm e m o r yd e s i g n ，h a r d w a r es o u r c eo ft h ed e v e l o p m e n tb o a r d t h eh a r d w a r ep l a t f o r ms y s t e mc a nc o m p l e t et h ed a t aa c q u i s i t i o ne f f e c t i v e l y ( 3 ) n er e a l i z a t i o ne l e c t r i cc i r c u i ti sd e s i g n e d n ep r e - p r o c e s si n t e r f a c ec i r c u i t b e t w e e np e r i p h e r a lc i r c u i ta n dc p ui ss i m u l a t e db yp r o t e lv e r s i o n9 9 ( 4 ) d s p sa p p l i c a t i o ni sf i n i s h e do nc o d ec o m p o s e rs t u d i oi d e w eh a v ed e s i g n e d a n do p t i m i z e dp r o g r a m s i n c l u d i n gt h et a r g e ts y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，s a m p l e c o n t r o lo f t m s 3 2 0 c 6 4 1 6t ot h ea i c 2 3 ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s pa n da d c ( 5 ) s y s t e mi n t e g r a t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ed e b u g g e d n es a m p l e d r e s u l ta n di n p u ts i g n a l sa g r e e 、i t l le a c ho t h e r n e a n t i c i p a t e dr e s u l t ，w h i c h d e m o n s t r a t e st h ei d e n t i f i c a t i o no ft h es y s t e mi np r a c t i c a lu s ea n dt h ed e s i g n i n g r e q u i r e m e n t s ，i ss a t i s f i e d k e y w o r d s ：i n t e r f e r e n c ef i b e rs e n s o r ：p g c ：d s ps i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ；c c s c l a s s n o ：t n 9 1 1 7 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 翻参鋈 签字醐：训7 年伽娟 导师签名：玲 签字醐。1 “月j 咱 致谢 本论文是在我的导师娄淑琴教授的悉心指导下完成的，两年的研究生学习期 间，无论是在学习、工作还是生活中，娄老师都给予了我无微不至的关怀和精心 的指导帮助。她严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，我 不仅在专业知识方面有所收获，还学到了分析问题、解决问题的思路和方法，以 及全身心投入的敬业精神和做人的道理。在此衷心感谢两年来娄老师对我的关心 和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，张鑫、赵琳、史螈螈、郭兰等同学对我论文 中的理论研究和研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。感谢 他们在我遇到困难的时候给予我帮助，他们的热情和正直为人，我将永记心中。 另外也感谢我的家人，感谢他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 1 引言 1 1课题研究背景及选题意义 自2 0 世纪8 0 年代以来，光纤传感的研究日益受到人们的重视，特别是其中 具有高灵敏度的干涉型光纤传感器技术得到了迅速发展，它在温度、电场、水声、 微震动和液体参量等测量方面有着重要的应用【1 0 1 。相对于传统的基于压电、超声 等传感技术，光纤传感技术有着显著的优势，包括：传感和传输信息量大；尺寸 小、轻便；t 作频带宽；高于其他传感技术1 3 个数量级的灵敏度和分辨率：传感 部分和几何形状的多样性；普遍适甩于各种物理现象的传感，如声场、磁场、温 度、旋转等；不受电磁干扰影响；可用于高温高压、易燃易爆等恶劣环境；易复 用和形成传感网络；易实现实时、在线、分布式传感等等。 目前，虽然光纤传感技术发展迅速并取得了可喜的成绩，但实用化的光纤传 感系统和商品化的光纤传感器件尚不多见，主要问题在于后续光电信号的数据实 时采样速率较低，采样精度和可靠性不够。传统的光电数据采集实现方法是利用 单片机作为主c p u ，由单片机完成数据采集、处理以及传输的功能或采用专门的 p c 机采集处理卡，前一种方法的优点体现在系统设计简单，但缺点是由于单片机 的运算能力有限，只能完成一些简单的控制算法无法实现实时的信号处理；后一 种方法具备了较强的数据采集能力处理能力，但缺点是无法脱离p c 机独立工作， 对实际的控制场合并不一定适应。因此，研究出一种新的光纤传感信号的数据采 集系统对于传感技术的发展有着重要的作用。 1 2 光纤传感技术 2 0 世纪8 0 年代，光纤传感器因其具有广泛的应用领域和极大的潜力受到人们 的重视，光纤传感器具有灵敏度高、频带宽、动态范围大、器件体积小、重量轻、 耐高压、耐腐蚀、无源性、几何形状多方面适应性等诸多特点，不仅可以完成位 移、压力、温度、流量、震动等测量，还可以在强电磁干扰和高电压的环境下， 完成现有测量技术难以完成的测量任务。光纤传感器组成的光纤传感系统便于与 中心计算机连接，易于实现传感器智能化发展的要求【4 ，5 1 。 光纤传感器的种类很多，主要有两大类型：一类是调制型光纤传感器，利用光 纤作为感应元件，通过调制光纤中的光束实现信号的检测：另一类是混合型光纤传 感器，感应元件采用反射镜、光栅、光纤等器件。研究最多的还是调制型光纤传 感器，这类传感器又分为强度调制型和相位干涉型两种。目前，强度调制型光纤 传感器主要有微弯型、受抑全内反射型、多模混合波导型和光栅光纤型等。相位 干涉型光纤传感器是根据相干光的干涉原理制成的，因而不仅灵敏度高，而且动 态范围大。美国海军实验室、英国普莱西舰用设备公司和普莱西电子研究所对这 种传感器的研究己达到相当先进的水平。目前普遍认为，相位干涉型光纤传感器 是最有发展前途的传感器。这种相位调制型光纤传感技术，是以光纤中光的相位 变化来表示被测物理量，通常对光束或者多光束干涉信号进行解调获得相位信息， 多采用单模光纤。无论传感对象是磁场、声场、还是温度、位移等各种物理现象， 理论上都具有很高的灵敏度，传感方式几何结构灵活多样，且灵敏度、分辨率等 关键性能指标非常高，在很多场合都具有应用价值。其基本传感原理为：通过被 测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位 变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的 物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，可以表示为k 。n l ，其中k o 为光在真空中的波数，n 为传播路径上的折射率，l 为传播路径的长度。一般说， 应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化， 实现光纤的相位调制。 干涉型光纤传感器虽然具有极高的探测灵敏度，但同时也容易收到外界干扰 的影响，传感过程中消除噪声干扰的问题仍未得到完善解决，对被测量的增敏和 对噪声的去敏是相位干涉型光纤传感器面临的主要问题【6 】。本文实验系统中，对相 位信息的检测采用了相位产生载波( p g c ) 检测方案，是在被测信号带宽以外的某 一频带内引入大幅度的相位调制，使被测信号位于调制信号的边带上，把外界干 扰的影响转化为对调制信号的影响，并且把被测信号的频带与低频干扰频带分开， 以便噪声的分离。 1 3 数字信号处理 “数字信号处理是指将温度、压力、流量等传感器输出的模拟信号转换成 数字信号，根据不同的需求由计算机进行相应的计算和处理，得到所需数据【7 1 。 数字信号处理的实现方法一般有以下几种： ( 1 ) 在通用的计算机上用软件( 如f o r t r a n 、c 语言) 编程实现； ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现。这种方法主要在一些 专门场合下用于算法调试； ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s 5 1 ，9 6 系列等) 实现。这种方法可用于一些 2 不太复杂的数字信号处理，如数字控制等； ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 芯片更加适合于 数字信号处理的软件和硬件资源，可用于需要复杂数字信号处理算法的 系统； ( 5 ) 用专用的d s p 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极 高，用通用d s p 芯片很难实现，例如专用于f f t 、数字滤波、卷积、 相关等算法的d s p 芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部 用硬件实现，无需进行编程。 在上述几种方法中，第1 种方法的缺点是速度较慢，一般可用于信号处理算 法的模拟；第2 种方法和第5 种方法专用性强，应用受到很大的限制；同时，第2 种方法也不便于系统的独立运行；第3 种方法只适用于实现简单的信号处理算法； 而第4 种方法是目前数字信号处理的应用较广泛的一种方法。因此本实验采用d s p 与p c 机相结合的方法对光纤传感信号进行高速的数据采集处理。 d s p 芯片是一种特别适用于实时数字信号处理的微处理器。它能快速实现各 种数字信号处理算法，是针对信号处理需求发展出的快速、高效的可编程处理器， 被广泛地应用于各种检测系统。其主要特点有： l 改进的哈佛结构( h a r v a r ds t r u c t u r e ) d s p 芯片采用哈佛结构，具有独立的 程序总线和数据总线，内部有程序数据总线、程序地址总线、数据的数据总线和 数据的地址总线。哈佛结构允许同时获取指令字( 来自程序存储器) 和操作数( 来 自数据存储器) ，在一个机器周期内可同时执行指令和操作数，提高了运算速度。 改进的哈佛结构允许数据总线和程序总线之间的局部交叉连接，允许数据存放在 程序存储器中，并被处理器直接使用，增强了灵活性。 2 流水线操作( p i p e l i n e ) 执行一条d s p 指令，需要完成取指、译码、取操作 数和执行四个阶段，d s p 的流水线结构使得这几个环节是重叠进行的，即一般d s p 在执行本条指令的同时，下面的三条指令已一次完成了取操作数、解码、取指令 的操作，即流水线深度为四级。程序的连续执行，可将需要多个工作周期完成的 指令，在一个时钟周期内完成。而我们选用的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列芯片流水线深度 为八级，这就意味着在一个指令周期内同时处理8 条指令。 3 快速的指令周期和良好的并行运行特性。针对超大型数据处理系统，大多 数d s p 都提供了专门用于多个d s p 并行运行的硬件通信接口。以上发展方向有助 于提供更好的性能和更灵活应用系统。 作为t i 高端的d s p 系列，目前的c 6 0 0 0 是性能最高的系列。最低的运算速度 也要达到1 2 0 0 个m i p s 以上。采用v l i w 结构，一个指令在运行的时候，可以有 8 个运算器同时进行运算。此外，d s p 开发中有着比较完善的软件和硬件开发工具， 3 包括软件仿真器( s i m u l a t o r ) ，在线仿真器( e m u l a t o r ) ，c 语言编译器等。t i 公司 的集成开发环境c c s 更是集成了上述工具于一身，大大提高了开发效率，增强了 程序的可读性和可移植性，使得d s p 系统编程方便、接口方便、易集成、精度高、 稳定型好、可重复性好。因此使用d s p 进行信号处理终端无论从性能上还是成本 上都有巨大的开发潜力和市场价值。 1 4 论文的主要工作和结构安排 本课题以实际工程为背景，基于马赫曾德尔光纤干涉仪结构，研究相位干涉 型光纤传感信号，利用p g c 检测实现信号的获取，用d s p 实现对信号的处理，提 出了一种基于1 i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 处理器的高速数据采集系统，由于d s p 强 大快速的数据处理能力，使得数据采集处理系统能集中在一块电路板上完成。论 文的主要工作如下： ( 1 ) 掌握光纤传感器的原理。掌握基于马赫一曾德尔干涉仪的光纤传感系统的结 构特点和设计原理，研究分析了p g c 相位载波检测方案并用m a t l a b 进行软 件仿真。 ( 2 ) 基于处理器t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 系统开发板进行研究分析，重点研究c p u 、 e d m a 控制器、数据程序存储器控制器等内部原理及开发平台的硬件资源 和性能特征。在开发板上实现数据存储与传输功能，保证d s p 控制单元和 时序控制单元同时对存储单元进行数据存取操作。 ( 3 ) 给出整个系统总体结构功能的设计方案。针对前端预处理电路，利用 p r o t d 9 9 进行绘制并仿真。 ( 4 ) 软件设计及程序优化。利用t i 公司的d s p 的软件集成环境c c s 3 1 。设计 实现系统数据采集功能的d s p 程序及相应的子程序，包括：d s p 的初始化 程序、a d 控制及处理程序、中断处理程序、数据通信程序。最后对程序进 行优化。 ( 5 ) 对软、硬件系统集成调试成功，基于d s k 板上进行了实验测试。对模拟信 号进行采集，在p c 机上观察波形，采样结果与输入信号基本一致，得到了 预期的结果。 论文的主要安排如下： 第一章背景知识介绍。简要介绍了干涉型光纤传感器的发展，针对光纤传感 信号的数据采集研究现状，指明了研究课题的目的及意义。 第二章研究干涉型光纤传感器的基本原理。提出p g c 相位载波检测方案， 并用m a t l a b 进行软件仿真。 4 第三章系统硬件设计。对系统所使用的t i 系列的d s p 芯片性能进行研究， 详细介绍了c 6 4 1 6 芯片的结构特点。根据d s p 硬件开发平台，对前端的预处理电 路进行p r o t e l9 9 原理图绘制，对数据存储和传输等各个模块进行详细地设计。 第四章软件设计及优化。主要介绍t ic c s 集成开发环境，研究分析了d s p 环境下的c 代码优化理论。优化d s p 程序，在信号波形不失真的前提下，提高了 运算速度，使之满足实时性的要求。 第五章给出d s k 板上的测试结果和数据分析。 第六章对全文的总结，并对研究前景作展望，提出未来的工作方向。 5 韭厦窑丑盍芏鲤生也主盘窑 扫僮甥割型盘红佳盛瞿 2 i 引言 2 相位调制型光纤传感器 光纤传感器是本世纪七十年代中期发展起来的一种新型传感器。它是光纤和 光通讯技术迅速发展的产物，与以电为基础的传感器相比有本质的区别。光纤传 感器的应用领域极广，从最简单的产品统计到对被测对象的物理、化学或生物等 参量进行连续监涮控制等，都可采用光纤传感器。相对于强度调制型、波长调制 型等其他类型光纤传感技术，相位调制型传感器以光纤中光的相位变化来标定被 测物理量，而传感场中物理量的微小扰动就会引起光纤中光相位的明显变化，在 采用理想相干光源和不考虑偏振问题的前提下，理论上这种相位检测可达到 1 0 。r a d 的高灵敏度。因此这种基于相位调制的光纤传感器在备类光纤传感器中具 有极高的灵敏度，也极易受外界环境噪声的影响嘲。 常用的相位调制型光纤干涉仪如图21 有四种：( 1 ) 迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉 仪；( 2 ) 马赫一曾德尔( m a c h - z e h n d e t ) 干涉仪；( 3 ) 塞格奈克( s a g n a c ) q ：涉仪；( 4 ) 法布 里珀罗( f a b r y - p e t ，简写为f - p ) 干涉仪。本课题研究的就是双光束干涉型马赫 一曾德尔干涉仪i 。 ( 1 ) l f i c h d s o n2 lh 白c h z e 抽l d e r 检器斡矛嚣 瞎 | | 纛 孙 2 2 光纤马赫一曾德尔干涉仪 2 2 1 光纤马赫曾德尔干涉仪的传感过程 光纤马赫曾德尔干涉仪属于双光束干涉仪类型，它的典型结构如图2 2 所示， 由光源、接收器、两个耦合器和两路光纤臂组成，其相位信息的提取是通过测量 两路光纤臂中传输光的相位差获得。与迈克尔逊型的反射干涉结构相比，马赫一曾 德尔型干涉仪是一种透射式的干涉结构，没有反射回来的光影响光源工作，而且 具有两路互补信号输出的优点，这种对称输出使得对干涉仪进行控制和信号处理 较为方便i l o j 。 l i 出s c n c e f i b e r 图2 2 光纤马赫曾德尔干涉仪 f i g 2 2t h es t r u c t i o no f m a c h - z e h n d e ri n t o r f o r o m o t o r 马赫曾德尔干涉仪用于传感的过程如下：外界的被测物理量直接或者间接引 起干涉仪中传感臂上的相位变化，这种相位信息包含在光强信息中，且被接收系 统检测到，通过从光强变化量中提取这个相位变化量，我们可以得到所需的传感 信息。在图2 2 中，光源发出的光经过耦合器后分成两束，分别进入干涉仪的两臂， 两臂间存在一个随被测量调制的相位差，因此往往令其中一臂的光相位保持不 变，称为参考臂，而另一臂则受到传感量的影响，称为信号臂。两束光经过第二 个耦合器后重新合在一起，并发生了干涉。干涉信号被光探测器接收转化为电信 号，然后通过解调电路后可以得到相位差矽，最终得出需要测量的传感量【n 】。 2 2 2 相位传感基本原理 光相位调制具有很高的灵敏度和分辨率，而用光纤构成的干涉仪测量相位变 化，又增加了简易性和灵活性，利用光纤的特性，用外界的物理场来调制光纤所 传光的相位，使其随外界物理场的变化而变化 1 2 , 1 3 。然后使用干涉的办法把光波 的相位变化转化为光波的光强变化，从而检测出被测量的大小。当一束光在光纤 7 中传输的时候，光波的相位取决于光纤波导的下面三个参数：总物理长度、折射 率及其分布、光纤波导的横向几何尺寸。若光纤受被测物理量的作用，将会使这 三个特性参数发生不同程度的变化，以实现对光相位的调制。设真空中的光速为c ， 则光通过长度为，的光纤后，出射光波的相位延迟为： 矽：2 n n v( 2 1 ) c 式中：n 一光纤纤芯折射率 y _ 光频 推导出：丝( 垒+ 竿+ 与 c刀ly 显然，、，及胛的变化都将导致输出光相位的变化。 2 3 相位产生载波检测实现原理 从前一节可以看出，光纤干涉型传感器通常是将被测量的物理量转换为光信 号的相移，对相位进行检测是这种传感器信号处理的基本要求。如果直接测量就 会由于外界干扰而产生相位的漂移，引入测量误差。同时电路直流漂移也会对直 接检测带来影响。另外灵敏度、判向、动态范围等都是相位检测需要解决的问题。 针对这些问题提出了相位产生载波。 相位产生载波技术是光纤传感器中很重要的一种信号解调方法，是指在被测 信号带宽以外的某一频带内引入大幅度的相位调制，则被测信号位于调制信号的 边带上，这样就可以把外界干扰的影响转化为对调制信号的影响，并且把被测信 号的频带与低频干扰频带分开，以便后续噪声的分离。 干涉型光纤传感器系统中可以有两个途径实现相位载波调制：在两臂等长的 m a c h - z e h n d e r 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 上， 利用其在载波信号的驱动下产生电伸缩效应，引起干涉仪一臂光纤长度、折射率 发生变化，导致最后输出的光波相位差随载波信号有规律的变化，从而实现了相 位调制，即外调制。第二种是采用半导体激光器的直接电流频调和不平衡光纤干 涉仪，即内调制。 2 3 1 外调制的原理 外调制通常是通过单频正弦信号调制干涉仪中相位调制器来实现，相位调制 器一般由一段光纤缠绕在一压电陶瓷环上来实现。它的基本原理是通过调制压电 8 陶瓷，光纤的长度随压电陶瓷直径的变化成正比变化，于是两臂的光程差被调制。 这时，干涉仪两臂的相位差可写为： 伊= ( 2 7 r 2 n v c ) ( “皱c o s c o o t ) = + c e o s c o o t ( 2 2 ) 其中，n 是光纤纤芯折射率，c 是真空中光速，是干涉仪两臂的静态臂差， 是调制频率，a t 是调制产生的最大臂差。如果考虑外界干扰和噪声，则经光电转 换后的光纤信号表达式为： v = a + b e o s ( c e o s c o t + q 伊m + 讫+ 纯) 2 3 ) 2 3 2 内调制p g c 调制原理 通过调制光频实现不等臂干涉仪的相位载波称为内调制，它不需要在干涉仪 中加任何器件，但它要求光源可调频。 设光纤干涉仪两臂相位差为p ( f ) ，则在光纤干涉仪输出端的干涉光强表示为： i = a + b e o s ( t ) ( 2 4 ) 其中a 是与干涉仪输入光强、偏振器、耦合器插入损耗有关的直流项，b 与光 纤干涉仪输入光强、光纤耦合器的分光比、干涉仪的消光比等有关，b - - k a ，k 是 干涉条纹相干度，k l 。 相位差口( t ) 由信号和外界环境噪声、调制光源产生的相位差以及初始相位组 成，可以写成： 伙f ) = 矽( f ) + 织( f ) + o ) ( 2 5 ) 其中矽( f ) 表示调制光源产生的相位差，纪 表示信号作用干涉仪产生的相位 差，吁a o ( t ) 则表示外界环境影响产生的相位差、初始相位差以及其它因素产生的相 位差。下面让我们先来分析由于调制光源产生的相位差( f ) 。在内调制p g c 调制解 调方法中，干涉仪两臂的光纤长度不等，因而，从信号臂和参考臂出来的光场存 在相位差，相位差可写为： t g ( t ) = ( 2 万2 n l c ) ， ( 2 6 ) 其中，1 1 是光纤纤芯折射率，c 是真空中光速，设光源相干长度l ，相干要求 l 2 n l 。 用电压信号矿= r oc o s c o o t 调制光源，得到光源输出的瞬时光频为： v = + a v c o s c o o ( t ) ( 2 7 ) 9 其中，缸表示最大调制v o 时的频移。这样，通过调频光频，相位被调制( f ) ： 0 ) = 4 万刀c a v c o s c o o t 设：c = ( 4 # n l c ) a o ，上式可以写成： ( f ) = c c o s c o o t ( 2 8 ) 设妙舻虬( t 卜9 。( 0 ，最后得到： l = a + b c o s c c o s c o o t + y ( t ) ( 2 9 ) 两种方法的差别主要是直接调制光源时，调频的同时伴生了幅度调制。用p z i 实现相位载波调制，可以实现零光程差，这无疑对降低由光源频率随机漂移造成 干涉仪输出的相位噪声有利。因此，这种调制解调方案具有很高的研究价值和应 用前景。 2 4p g c 检测方案模型的数学分析 2 4 1p g c 检测方案产生原理 由干涉原理可知同频率同振动方向的两束光在任意点发生干涉时，该点的干 涉光强为： ，= 五+ 厶+ 2 厶c o s ( a q , ) ( 2 1 0 ) 其中，、厶分别为发生干涉的两束光的光强，缈为两束光的相位差。 光通过干涉仪两臂后发生干涉，此时发生干涉的两束光的相位差缈可以看作 是由于两条光纤臂本身参数不对称等原因造成的初始相位差和传感信号作用的 相位差败的叠加，即 i = 厶+ 厶+ 2 厶c o s ( c o + 仍) ( 2 1 1 ) 将式( 2 1 1 ) 的两边对织求导，可得到光强，对传感信号纺的相应灵敏度： 当= 之厄s i n ( q o + 织) ( 2 1 2 ) a 吼 由式( 2 1 2 ) n - i 知，传感信号作用引起的光强变化不仅与相位差缈有关，还与 有关。对于相同的信号相位织，当+ 织= ( n + l 2 ) t r 时，即s i n ( c o + 织) = l ，相 应灵敏度驯d 织取极大值( 不考虑符号影响) ；当+ 纯= 舰时，灵敏度d l d t p , 为 零。当初始相位差随环境温度等因素影响随机漂移到满足+ 纯= n ：；r c 的条件时， 光相位变化对微弱信号的响应便很难被检测出来，而且对于相同幅度的信号，由 1 0 初始相位差不同，其对应的光强变化幅度也不同，将导致严重的非线性，无法对 信号强度进行判定。因此，要实现对信号检测的高灵敏度以及对信号强度的线性 测量，就必须解决初始相位差纸的漂移问题。 对于这一问题的解决，一般有两种方案：一种是对于干涉信号的相位进行有 源补偿，使补偿的相位仇与初始相位差编以及信号相位织的和能够始终保持在 死+ 纯+ 识= ( n + l 2 ) a 附近，这种检测方法通常称为零差检测；另外一种是用频 率远高于待测信号频率上限，而且幅度较大的高频载波信号对相位进行调制，通 过调制，虽然不能保证初始相位差编能够维持在灵敏度最高的+ 识= ( n + 1 2 ) a 附近，但也避免了停留在+ 纯= 腼附近的低灵敏度区域，这种检测方法通常称 为相位产生载波( p g c ) 检测【1 4 1 。 2 4 2 检测信号分析 假设载波信号为c c o s ( c o o t ) ，待测信号为d c o s ( c o , t ) 。由前面分析得到加入待测 声信号d c o s ( 哆f ) ，待测信号引起的相位变化为纪，由于光电检测器只存在光电转 换效率的关系，我们可以将光电检测器上得到的光电流信号表示为： ，= + 1 2 + 2 丽c 0 s ( ( f ) + 织( f ) + c c o s ( f ” 为简便起见上式可以改写为 i = a + b c o s c c o s ( r o o t ) + d c o s ( c o , t ) + f a o ( t ) 】 或 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) i = a + b c o s c e o s ( t o o t ) + 烈f ) 】( 2 1 5 ) 其中：伊( f ) = d c o s ( r o , t ) + q ，o ( t ) ，a 、b 是与输入光强成正比的常数，且么与 激光器输出功率成正比，c 是载波信号所引起的相位调制幅度，绋为载波信号的 频率，d 是待测信号所引起的相位调制幅度，哆为待测信号频率，为初始相位 差。 由公式( 2 15 ) 可以看出，各系数和初项r p o ( t ) 取值的不同会直接影响光电转换后 输出信号的波形。在调制信号一定的情况下，初始相位( f ) 变化的不确定性，光 电转换后的信号也将随之产生上下漂移。 将式( 2 1 5 ) 用贝塞尔函数展开可以得到公式( 2 1 6 ) ，= 彳+ b 厶( c ) + 2 ( 一1 ) 以t ( c ) c o s ( 2 k c o o t ) c o s # ( t ) - 2 e ( 一1 ) 以川( c ) c o s ( 2 k + 1 ) c o o t s i n9 i ( t ) ( 2 16 ) k = o 式中( o 为第f 阶贝塞尔函数宗量值。 且有： 咖( f ) = 【2 ( 一1 ) 七以t ( d ) c o s ( x k + 1 ) t ot c o s 西o ( t ) 一 + 【厶( d ) + 2 ( - - 1 ) 七以i ( d ) c o s ( 2 k c o f l ) s i n # o ( t ) 。( 2 1 7 ) c o s 矽( f ) = 【厶p ) + 2 ( - - 1 ) t j 2 t ( d ) c o s ( 2 k ( ot ) c o s # 0 ( t ) - 【2 ( 一1 ) 以川( d ) c o s ( 2 k + 1 ) ( o ，t s i n # o ( t ) ( 2 1 8 ) k = 0 由于p g c 检测的是载波的边带，即贝塞尔函数的基波或谐波，因此在解调信 号时，需要贝塞尔函数的调制幅度相等，由于p g c 调制解调方案的解调因子与输 出信号可见度、信号调制幅度均有关：。因此存在着输出解调信号的波动1 5 1 。 2 4 3 p g c 检测方案框图 载波信号0 干涉信号i 积分 电路 高通 滤波电路 带阻 滤波电路 调理 放大电路 解调信号 载波信号 移向倍频 二倍 混频电路 光电检测及i 叫 一倍 调理电路卜- 叫混频电路 低通 滤波电路 低通 滤波电路 微分 电路 微分 电路 交叉 相乘电路 交叉 相乘电路 差分 电路 图2 3p g c 调制与解调系统 f i g2 3t h ed i a g r a mo f p c , - cm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns y s t e m 信号的解调可以简单的表述为这样的一个问题：如何从干涉信号中得至w j f p ( t ) ， 得到待测信号。结合检测方案框图2 2 ，p g c 解调原理推导如下： 将幅度分别为g 、日角频率为和2 的信号与干涉仪的输出信号进行混频， 得到的结果分别为 g a c o s c o o t + g b j o ( c ) c o s f c o s 缈( f ) + 曰g c o s 缈( f ) ( 一1 ) 五量( c ) c o s ( 2 j i + 1 ) f + c o s ( 2 七一1 ) 妇一( 2 1 9 ) k = l 曰g s i n 缈( f ) ( 一1 ) 以( c ) e o s ( 2 k + 2 ) c o o t + c o s2 k c o o t 1 2 h ac o s 2 r o o t + - b j o ( c ) c o s2 r o o tc o s 烈f ) + ( 2 2 0 ) h bc o s q ，( t ) e ( 一1 ) 七以七( c ) c o s2 ( k + 1 ) o d o t + c o s2 ( k - 1 ) c o o t - k = l b hs i nf p ( t ) ( 一1 ) 七j 2 i + l ( c ) c o s ( 2 k + 3 ) r o o t + c o s ( 2 k - 1 ) t o o t 分别通过低通滤波器媚和必后，得到 一s g s , ( o s i n 簟o ( t )( 2 2 1 ) 一b h j 2 ( c ) c o s 烈f ) ( 2 2 2 ) 上两式中均含有外部环境的干扰，还不能从上两式中直接提取待测信号。为 了克服信号随外部的干扰信号的涨落而出现的消隐和畸变现象，采用微分交叉相 乘( d c m ) 技术。从低通滤波器职和幔出来的信号分别通过微分电路，得到微分 后的信号为 一b g j , ( c ) 缈( f ) c o s 缈( f ) ( 2 2 3 ) b h j 2 ( c ) q , 0 ) s i n 缈( t ) ( 2 2 0 交叉相乘后得到两项分别为 - b 2 g h j , ( c ) j 2 ( c ) q , ( t ) s i n 2 缈o ) ( 2 2 5 ) b 2 g h j i ( c ) a ( c ) f p ( t ) c o s 2 烈f ) ( 2 2 6 ) 上面两路信号经差分放大器进行差分运算可得 b 2 g h j , ( c ) j 2 ( c ) 缈( f )( 2 2 7 ) 再经积分运算放大器后有 b 2 g h j , ( c ) j 2 ( c ) 伊( f ) ( 2 2 8 ) 代入( 2 2 8 ) 式得 b 2 g h j , ( c ) a ( c ) d c o s m + 9 ( t ) ( 2 2 9 ) 式( 2 2 9 ) 包含了待检测信号的信息( 幅度、频率) 以及外环境所造成的相位扰动项( 又 称为噪声项) ，后者通常情况下是缓变信号，在某些情况下可以通过高通滤波器滤 去噪声项，就得到了待测的信号d c o s mt ，系统最后的输出写成 1 3 d b 2 铡l ( c ) 以( oc o s 舀o ，t ( 2 3 0 ) 为了减小输出结果对b e s s e l 函数的依赖关系，适当地选择载波信号的幅度， 使以( c ) 以( c ) 出现最大峰值，这样的好处是当c 值稍有变化时系统最后输出结果 的幅值变化不大，此时有c 2 3 7 r a d 。经过一系列的信号处理过程待测信号被解 调了出来，只是其幅值变化了一个系数b 2 伽；( c ) 以( c ) ，由于曰值与干涉条纹可 见度有关，且相对比较稳定，因此在p g c 信号处理方案中能得到待测信号幅值大 小和完整频谱。 2 5 本章小结 本章首先介绍了光纤传感技术及光纤的相位调制原理，采用马赫一曾德尔干涉 仪检测出待测信号，为提高信号检测的灵敏度，结合信号处理知识，提出了p g c 相位检测原理，在被测信号带宽以外某一频带引入大幅度相位调制，再对待测信 号进行解调，提高了信号灵敏度。 1 4 3 基于t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 系统的总体方案设计 通用的数据采集系统分别由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要完成数据 采集、存储等功能，软件部分则完成对采集数据进行处理、对硬件控制等功能。 与传统的数据采集系统相比，本次实验没有采用软件对采样、转换过程进行控制。 而是用硬件实现转换过程的控制【1 q 和采样数据的同步，用高速缓存对数据进行存 储和高速的d s p 芯片完成数字信号的实时处理。其逻辑图如图3 1 所示。 图3 1 高速数据采集系统 f i g 3 1t h es y s t e 目mo f h i 曲- s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n 3