（电磁场与微波技术专业论文）干涉型光纤传感系统中光板的实现(1).pdf

干涉型光纤传感系统中光板的实现 摘要 近年来，随着传感器朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络 化的方向发展，光纤传感器这一传感器家族的新成员，正由于其传递 信息量大、抗电磁干扰能力强、安全可靠、灵敏度高、可构成传感网 络等优点而倍受青睬。而在光纤传感中，又以干涉型光纤传感器的灵 敏度最高，应用最广泛。 论文主要研究基于一种新型的光纤于涉环结构的光纤传感器系 统。这个系统通过光谱分析等技术来实现长距离，完全分布式的定位 检测。这种系统对军事、民用都具有重要的意义。它可以用于机场、 通信线路、国界、交通道路的检测。 该传感系统主要包含两个部分：传感线路部分、终端监控部分。 其中传感线路部分主要就是一个新型的光纤干涉环结构。而终端监控 部分就包括：光板、偏振控制模块、数据处理模块以及人机界面。其 中光板是本论文的研究内容。 本论文首先分析了此传感系统的噪声特性，得到提高传感系统误 检率的理论基础；完成了光板各个子模块的设计与实现，包括：光发 射子模块，接收子模块，数字控制子模块及其控制软件系统；根据设 计要求，通过p c b 设计与调试、控制软件的设计与调试，实现了光板。 关键字：光纤传感器，m z 干涉仪，误检率，相位噪声 r e a l i z a t i o nm e t h o do fo p t i c a lb o a r d o f i n t e r f e r o m e t r i co p t i c a lf i b e rs e n s o rs y s t e m a bs t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，a ss e n s o rs y s t e mb e c o m e sm o r ei n t e l l i g e n ta n d p o w e r f u l ，t h ef i b e ro p t i cs e n s o r , w h i c hi st h en e wo n ei ns e n s o rf a m i l y , i s b e i n gm o r ep o p u l a r , d u et oi t sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hi n f o r m a t i o n c a p a c i t y , a n t i 。e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，s e n s i t i v i t ya n dr e l i a b i l i t y w h a t sm o r e ， t h ef i b e r o p t i c s e n s o r sb a s e do ni n t e r f e r o m e t e rh a v et h e h i g h e s t s e n s i t i v i t y i nt h i sp a p e r , af i b e ro p t i c a ls e n s o rs y s t e mb a s e do nan e wo p t i c a l f i b e ri n t e r f e r o m e t e r l o o p i si n t r o d u c e d t h i s s y s t e m c a na c h i e v e l o n g 。d i s t a n c ea n dt o t a l l yd i s t r i b u t e dl o c a l i z a t i o nb ys p e c t r at e c h n i q u e s i t sp o t e n t i a lm i l i t a r ya n dc i v i l i a na p p l i c a t i o n si n c l u d et h e i n t r u s i o n p r o t e c t i o no fa i r p o r t ，c o m m u n i c a t i o nc a b l e s ，n a t i o n a lb o u n d a r i e sa n ds o o n ih i ss e n s o rs y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h es e n s o r sf i b e rl i n ka n d t h et e r m i n a lu n i tf o rd e t e c t i o n t h ef o r m e ri sb a s e do nan e wf i b e ro p t i c i n t e r f e r o m e t e rr i n gs t r u c t u r e t h el a r e rc o n s i s t so fo p t i c a lb o a r ds y s t e m ， p o l a r i z a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，d a t ap r o c e s ss y s t e ma n dg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e s ( g u i ) o p t i c a lb o a r dw i l lb ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h ew a y st oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e sa r ed i s c u s s e db a s e do n t h ea n a l y s i so ft h en o i s e si nf i b e ro p t i cs e n s o rs y s t e m t h e nt h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no fo p t i c a lb o a r da r ed e m o n s t r a t e d ，i n c l u d i n go p t i c a l t r a n s m i t t e r , o p t i c a lr e c e i v e ra n dd i g i t a lc o n t r o lu n i t l a s t l y , t h ed e s i g na n d d e b u gt e c h n i q u ea r ei n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g n e do p t i c a lb o a r d m e e t st h es y s t e mr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：f i b e ro p t i cs e n s o r , m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , d e r ，p h a s e n l o s e 缩略词索引表 a d c a p d a p i c p u d a c d f b g u i i d e l a s e r l e d m z r a m p c b p i d p i n s p i t e c t 认 u 氏 a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r a v a l a n c h ep h o t od i o d e a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e c e n t e rp r o c e s su n i t d i g i m lt oa n a l o gc o n v e r t e r d i s t r i b u t e df e e d b a c k 伊a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e s 模拟数字转换器 雪崩二极管 应用程序接口 处理器 数字模拟转换器 分布反馈 用户界面 i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t集成开发环境 l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i m i o n 激光器 l i g h te m i t t i n gd i o d e发光二极管 m a t h z e h n d e r 马赫一泽德 r a n d o ma c c e s sm e m o r y 随机存取记忆体 p r i n tc i r c u i tb o a r d 印制电路板 p r o p o r t i o n a l - i n t e g r a l - - d e r i v a t i v e 比例积分微分控制器 p o s i t i v ei n t r i n s i cn e g a t i v e 光电二极管 s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 串行外设接口 t h e r m a le l e c t r i cc o o l e r 半导体制冷器 t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r阻抗放大器 u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r 通用异步收发器 5 2 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：王虚 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查i 、列和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀t 匕 传感器是感受规定的被测量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装 置，它在工业生产、国防建设和科学技术等各个领域都发挥着巨大作用。近十几 年来，传感器的产量及市场需求的年增长率均在1 0 以上。传感器技术作为当今 世界迅猛发展起来的高新技术之一，已经成为一个国家科学技术发展水平的重要 标志。 近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。 在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受 青睐。与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下的优势： 光纤是一种耐高压，抗腐蚀的介质，能在电磁或电子传感器不能工作的恶 劣环境下运行。 其次光波的传播频率极高，具有巨大的信息容量，又能有效的防止无线电 波及电火花干扰被传输的光频信号。 光纤很细，又具有极高的韧性，可以制造各种体积小、重量轻以及任意形 状的传感器。 光纤传感器和光纤遥测及通信技术有内在的兼容性，使得信号传输和信号 处理变得很容易。 更重要的是光纤传感器可以传感各种物理量，例如声，电、磁、温度、压 力、振动、旋转等，并具有极高的灵敏度。 光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日 常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存 在的技术难题，具有很大的市场需求。军用光纤传感器需求量也相当大，目前主 要集中在光纤陀螺、光纤水听器、光纤加速度传感器和光纤压力传感器，它们应 用遍及陆、海、空三军，预计将有8 0 亿人民币的市场需求。 目前，在美国、欧洲及日本等国家，光纤传感器已进入商品化阶段。随着光 纤技术的发展，光纤传感器的性能越来越好，y a m a t a k e h o n e y w e l l 公司为电子和 半导体工业提供了应用很广的h p x 系列光纤传感器。i d e ci z u m i 公司推出了s a i c - - f u 系列模拟传感器，用于水污染和混浊度监测。日本富士公司推出光纤式网 络总线( o r t i c a lf i e l d b u ss y s t e m ) 为工业自动化提出标准而优秀的光纤传感器网 络系统，并推出了光纤压力表、流量计、温度计等一系列工业自动化应用的光纤 传感器。国际光纤传感器从八十年代起以平均每年4 0 左右的速度在递增，19 9 6 年销售额达5 0 5 亿美元，2 0 0 0 年达6 0 亿美元，预计到2 0 0 6 年将达到1 0 0 亿美 元。 我国在2 0 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相 差不远。目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、武汉理工大 学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1 4 2 6 所等。他们在光纤温度传 感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取 得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到 世界先进水平。但是与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表 现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投人批量生 产和工程化应用。我们应该加大对传感器技术研究、开发的投入，缩短我国传感 器技术与国外的差距，促进我国仪器仪表工业和自化化技术的发展。 光纤传感器可分为传光型( 非功能型) 和传感型( 功能型) 两大类。在传光型光 纤传感器中，光纤仅起到传输光波的作用，必须在光纤端部或中间安装其他敏感 元件才能组成完整的传感器；而传感型光纤传感器则利用光纤本身的敏感特性进 行工作。对于传感型光纤传感器，由光源发出的光在光纤中传播时，若应力、温 度、电场、磁场等外界因素发生了变化，则光波的振幅、相位、波长及偏振态等 特征参量就随之变化，该过程称为光波的调制。含有调制信息的光波经光纤传输 到光电转换部分，解调后被仪器接收，即可得到外场确切变化的信息。根据被测 量对光的调制方法不同，传感型光纤传感器可分为强度传感器，频率( 或波长) 传感器，相位传感器及光纤偏振式传感器四大类。其中尤其以光纤相位传感器( 即 各种光纤干涉仪) 的灵敏度最高。 目前光纤传感器已经运用于军事和民用领域，广泛用于机械测量 1 】，温度 测量 2 】，声音监控【3 】以及压力检测与定位【4 】 5 】 6 】等等 1 2 光纤干涉仪 光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度 变化的影响，引起空气的折射振动及声波干扰。这种影响都会导致空气光程的变 化，从而引起干涉测量工作的不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪 的光路，就可以排除上述影响并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制， 从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。 实现干涉测量的仪器很多，通常采用的光学干涉仪主要有四种：迈克尔逊 2 ( m i c h e l s o n ) 干涉仪、马赫一泽德( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪、塞格纳克( s a g n a c ) 干涉仪和法布里一珀罗( f a b r y - p e r o t ) 干涉仪。空间中满足频率相同、相位差稳 定、且具有相同振动方向的光称为相干光。两束单色光相干叠加时产生的效果在 接收屏上反映为明暗相间的干涉条纹。条纹亮度最大的地方满足相位差为2 p 的 整数倍这个条件。因此，若其中一束光的相位发生改变，则接收屏上的干涉条纹 随之移动，m i c h e l s o n 、m a c h z e h n d e r ( m z ) 、s a g n a c 干涉仪就是基于这个原理。 宽带光在通过两个互相平行、具有一定反射率的镜面时会发生多光束干涉，只有 特定波长的光的输出光强为极大值，这是f a b r y - p e r o t ( f p ) 干涉仪的原理。若f p 腔腔长发生微小改变，输出的极大波长即随之改变。这些干涉仪共同的特点是， 只要其中一束或多束光的光程发生微小的变化，则接收到的干涉条纹就会明显地 发生变化。 把这些干涉仪的光路移植到光纤系统中就构成了干涉型光纤传感器的基本 结构，此类光纤传感器具有如图1 1 所示的结构。光源发出的光被分束器分成n 束，其中的一束或多束经过外场调制，再由合束器件合并到一根光纤中并发生干 涉。被测物理量作用于光纤的外场，导致光纤中光相位的变化或光的相位调制。 调制信号由光电转换器件接收解调，经信号处理即可精确得到外场变化的信息。 因为光强中携带有相干光之间的相位信息。因此，如果检测到干涉光强的变化就 可以确定光束间相位的变化，从而得到待测物理量的数值大小。 图1 1干涉型光纤传感器装置图 1 3 几种典型的干涉型光纤传感器介绍 空间中满足频率相同、相位差稳定、且具有相同振动方向的光称为相干光。 两束单色光相干叠加时产生的效果在接收屏上反映为明暗相间的干涉条纹。条纹 亮度最大的地方满足相位差为2 p 的整数倍这个条件因此，若其中一束光的相位 发生改变，则接收屏上的干涉条纹随之移动，m i c h e l s o n 、m a c h z e h n d e r ( m - z ) 、 s a g n a c 干涉仪就是基于这个原理；宽带光在通过两个互相平行、具有一定反射率 的镜面时会发生多光束干涉，只有特定波长的光的输出光强为极大值，这是 f a b r y - p e r o t ( f p ) 干涉仪的原理，在此简单介绍上述几种干涉型光纤传感器： ( 1 ) 马赫一泽德( m a c h - z e h d e r ) 干涉型光纤传感器 从激光二极管发出的光经耦合器分成两束光，分别进入传感光纤和参考光 纤，其中传感光纤随着结构件变形，两路光纤中的光在另一耦合器处发生干涉后 进入探测器，然后对信号进行处理。马赫一泽德干涉型光纤传感器的实际应用受 其结构的限制，参考臂光纤不能埋入待测结构中，否则同时受到待测场的影响就 失去了参考的意义，而放在外边又会给实际使用带来不可接收的“累赘”。 ( 2 ) 迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉型光纤传感器 带有包层的两根单模光纤组合在一个防护层内，光源是激光二极管，光线进 入参考光纤后，再经耦合器进入测量光纤，两光纤另一端的长度作为测量被测物 理量的标距，端面处镀银作为反射面，两束反射光耦合后产生干涉，干涉后的光 强由光敏管接收。由于迈克尔逊光纤传感器中存在反射端面，部分反射光被直接 反馈到激光二极管中，会导致光路不稳定并产生噪声。此外，由于迈克尔逊光纤 传感器的两束光干涉发生在光纤耦合器中，且由于外界条件的影响，很难保持两 束光的恒定相位差。 ( 3 ) 法布里一珀罗腔( f a b r y p e r o t ) 干涉型光纤传感器 入射光在两反射镜往返多次反射形成多光束干涉的输出，当腔长l 或腔中折 射率n 随外界因素改变时，其干涉输出也随之改变，由此测出外界因素的变化。 法布里一珀罗腔干涉型光纤传感器中需要将一束光分成两束光和将两束光合成 一束光，因此它具有单传输线、单端点和灵敏度高等特点。 ( 4 ) s a g n a c 干涉型光纤传感器 典型的s a g n a c 干涉仪是光纤陀螺，是一种角速度传感器，其基本结构是一 个光纤环，光由光纤两端进入，沿着相反的方向传播，经光纤传输后分别从两端 输出，经耦合器被合成一束，并相干叠加。当光纤环绕垂直于环面的中轴转动时， 两束光的相位差发生变化。由于光纤中光的相位对各种环境变化都非常敏感，很 难保证m - z 参考光纤中的参考光相位保持不变，而且多种因素的影响容易混杂在 一起，产生串音。而s a g n a c 干涉仪只使用一根光纤，可以避免这些不良因素的 影响。 1 4 光纤传感定位系统的基本原理 干涉型光纤传感器属于相位调制的功能型光纤传感器，其基本原理是通过被 测物理量的作用，使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化，再利用干涉技术 4 把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检测的物理量。 在本项目中，我们采用的光纤传感系统是基于马赫一泽德干涉环路的干涉仪。 马赫一泽德干涉传感器的基本结构如图卜2 所示。两个耦合器分别用来进行合束和 分束，由两根光纤构成的两臂位于耦合器之间，其中一条作参考光路，与外界隔 离，另一条作传感光路，测量传感光路中光相位的改变，可获得外场变化信息。 这种干涉仪的结构具有一定的对称性，若利用两个2 x 2 耦合器，用两束激光分别 从干涉仪两端输入，相干效果由各自的另一端接收，即可实现分布式传感。 图1 2典型的光纤m z 干涉传感器结构示意图 而我们的系统是基于一种对称的m - z 干涉传感器结构，其结构如图1 - 3 。在 l = 工处的一点发生的扰动，顺时针方向传播到耦合器的时问为t ：竺逆时针传 c i j 一1 播到耦合器的时间为t = 竺竺，通过测量时间差，即可得到扰动点的位置 c z = 要犯一! 坐) ( 其中行是光纤的折射率，c 是真空中光速，是干涉仪两臂的长 z 刀 度) 。 系统应用y m a c h z a h n e r 干涉效应以及s a g n a c 效应，把光纤直接作为敏感器 件，即感知信息又传输信息，构成分布式监控系统，感知光缆沿线的非正常扰动， 判断扰动出现的位置。 5 图l 一3对称式m - z 干涉仪实现分布传感 目前，本项目组提出基于马赫一泽德干涉环路利用高精度的光谱信号分析技 术，设计新型高精度、完全分布式的光纤传感定位系统。拟定的系统框图如图1 - 4 所示。主要分为两部分，一部分为线路传感部分，另一部分为终端监控部分。其 中线路传感部分主要是由光学设备组成，包括光缆，耦合器等，实用化的光缆长 度可以达到2 0 公里左右，相当于被保护面积3 0 平方公里，光缆为普通单模光纤， 但是对纤芯的温度特性要求高，松套，触动光缆任何一个位置，或者距离光缆一 定距离内发出震动，即可引发报警。光缆铺设可以在地下，可以沿围栏悬挂，也 可以隐藏在合适的管道内；终端监控部分放置在中继站或中央监控室内。它主要 包括了四个部分：光板、偏振控制模块、数据处理模块及用户界面。光板主要用 于产生和接收光信号；偏振控制模块负责控制链路中光信号的偏振态；数据处理 模块完成定位算法；用户界面就是给系统操作人员提供良好的人机交互。本论文 主要介绍光板的设计与实现。 图l - 4传感系统框图 6 1 5 光纤传感定位系统的应用方向 在一些重要的区域，如机场、军事基地、武器弹药库、石油管道等处，为了 防止非法的入侵和各种破坏活动，传统的防范措施是在这些区域的外围周界处设 置一些屏障，如围墙、栅栏、钢丝篱笆网等，并安排人员巡逻。但是人力防范往 往受到时间、地域、人员素质和精力等因素的影响，难免出现漏洞和失误。因此 需要应用一些先进的周界探测报警系统形成一道人眼看不到的“电子围墙。另 外，传感器定位也可以用于很多民用设施中，例如：道路交通，通信光缆防护等 等。以道路交通为例，传感器定位系统可以用于优化道路交通，在十字路口处监 控道路上是否有车辆驶来，如果没有，就可以减少这条路的绿灯，让别的路上始 终是绿灯，这样就最大程度的优化了交通。 全光纤分布式检测第三方入侵，对需要防护的地域、管线进行预警、保护， 可沿管线( 油、天然气) 铺设光缆，定位入侵位置。铺设电子围栏，提供入侵者 对保护地域的入侵位置。对通信光缆保护，利用光缆中暗纤进行防护，可在窃听 方接近光缆，剥开光缆，泄漏光信号的整个过程中，进行提前定位报警。还可以 分区域防护，每个区域面积在几平方米到几平方公里，不提供精确定位。光缆可 以安装在围墙、屋顶，或者在地下，保护政府机构、军事基地、输油管线、电厂、 机场、通信设施、通信线路、国界等对安全性和实时性要求非常高的地段，检测 现场破坏或者入侵，提前报警，将损失降到最小。这不仅对于干涉型光纤传感器 的实用化具有重要的理论和实际意义，而且在国防、工业等方面也会有极其广泛 的应用，将会带来较大的经济和社会效益。 1 6 论文主要研究内容 本论文主要研究一种m z 干涉型光纤传感系统。本项目是基于一种新型的 光纤干涉环结构，并在深入研究传感器噪声、偏振检测、控制技术以及高速光谱 信号分析的基础上，实现高速、高精度和完全分布式的光纤传感，并能对外界震 动和压力的影响进行准确定位。该技术能用于检测第三方入侵，对需要防护的地 域、管线进行预警、保护并提供精确定位。研究成果对于长距离分布式干涉型光 纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值，并在工业和国防领域极 具应用潜力。 该系统主要由五部分组成1 传感系统、光板、偏振控制模块、数据处理模块 及用户界面。论文主要在研究传感系统的噪声特性的基础上，讨论光板的设计与 实现。光板包括光发射、光接收模块以及数字控制模块三个部分。光发射部分要 7 求输出稳定的、低噪声的光源；光接收部分则要求小信号的接收能力以及大范围 的信号接收动态范围；数字控制部分主要提供和主机的交互能力。 论文结构如下： 1 第一章对光纤传感器做一般性的介绍； 2 第二章介绍传感器系统的原理和结构框图； 3 第三章主要分析传感器系统的噪声特性； 4 第四章主要讨论光板的设计，实现与实验结果； 5 第五章总结论文的主要工作。 第二章传感系统噪声分析 在此光纤压力传感系统中，系统的误检率是评价系统性能的一个重要指标。 而系统中存在的各种噪声是系统的误检率的根源，因此分析系统中存在的噪声类 别，及其对系统的影响，是光板设计的理论基础。因此，本章首先分析此传感系 统中的噪声。 2 1 基本原理 图2 1 是光纤传感器定位系统的结构框图。首先由耦合器1 将激光器发出的 光分为两路。从耦合器1 的c 1 端口出来的光又进入耦合器2 ，并且再一次被分 为两路，这两路分别沿着传感光纤1 和传感光纤一2 到达耦合器- 4 ，然后在耦合器 - 4 处发生干涉，干涉后光由辅助光纤，经耦合器3 最后到达光接收机2 。将这路 从光源最后到达光接收机一2 的称为顺时针光路。 而另一路从耦合器一l 的d 1 端口出来的光，会先到达耦合器3 ，然后经辅助 光纤到达耦合器- 4 ，再一次被分为两路，分别经传感光纤1 和传感光纤2 后在耦 合器2 发生干涉，干涉结果到达光接收机1 。这路称为逆时针光路。 图2 1光纤压力传感器系统结构图 9 最后根据到达两个接收机的干涉信号的时间差就可以计算出压力点p 的位 置。为简化分析，假设传感光纤与辅助光纤的损耗均为口，传感光纤1 和传感光 纤一2 具有固定的相位漂移嗔。= 九：= ，且各个耦合器的分光比均为k = o 5 。同 时由于本文不分析偏振态对系统的影响，因此我们同时在这里也忽略光的偏振态 变化的影响。 若光源信号为：e = 扇c o s ( f + 唬)( 2 1 ) 依据前面的假设，经过耦合器1 和耦合器2 后，在c 2 的输出应为： e 4 = e o k 4 ac o s ( f + 唬)( 2 2 ) 然后信号在沿着传感光纤进入耦合器4 ： e 4 = e o k q ac o s ( f + 吮+ 绣i + 。( f ) ) ( 2 3 ) 同理可以得到另外一路，经c 1 ，d 2 再到达b 4 的信号为： 瓦4 = & k q ae o s ( o j o t + 谚o + 终2 ) ( 2 4 ) 由这两个信号产生干涉后，得到： i = + + 2 = z o k 2 0 t + k 2 a + 2 x k 2 a k 2 t rc o s ( c , i 一九2 + ，( f ) ) 】( 2 5 ) = 2 1 0 a k 2 【1 + c o s ( 绣i 一九2 + ，o ) ) 】 其中m ，( f ) 是由各种作用所引起的信号相位变化，包括系统所要检测的压力 信号，以及噪声等等。此干涉信号继续经辅助光纤到达接收机2 ，转换为电流信 号： i 2 = 2 z ( a k 2 ) 2 o 1 + c o so ，2 ( f ) 】 ( 2 6 ) 其中，s 为光接收机的响应度。 同理另外从耦合器的d 1 输出的光信号，经耦合器3 的c 3 ，过辅助光纤到达 耦合器- 4 ，然后被耦合器4 分成两束，分别进入传感光纤1 和传感光纤2 ，在耦 合器2 进行干涉，干涉结果输入到接收机1 ，接收机1 将光信号转换为电信号： = 2 z ( a k 2 ) 2 1 0 1 + e o s o ，i ( f + r ) 】 ( 2 7 ) 只要能够计算出两个信号的时延差f ，就可以根据x = 三一罢计算得出压力 二刀 点的位置。 目前已有很多种算法用于计算两个信号的时延差，例如：离散小波变换法， l o 自适应l m s 以及互相关最大值法等等，为简化算法复杂度，提高检测实时性， 目前系统中采用互相关函数最大值法，即： 力一叫j ? 1 ，”， ( 2 8 ) = m a x 】 、 其中墨屯( d 3 0 信号墨和屯的互相关函数。 接收到的信号既含有直流成分，也有交流成分。对于系统进行相关运算来说， 信号中的直流成分是无用的，并且如果不除去直流，还会影响计算结果。因此求 信号互相关函数之前，我们先将信号的直流分量滤除，即： m 三篇s 叩均( 2 9 ) 和吃三竺州 ( 2 1 0 ) 其中a = 2 e ( a k 2 ) 2 厶r ，r 为接收机的跨阻。于是互相关函数最大值为： 氏屹( f ) = m a x j m ( f + f d v 2 ( t ) a t 。( 2 1 1 ) 、 = a 2 m a x jc o s o 而o + 卜t ) c 幻s o 屯( f 渺】 在此系统的理想状态下，( f ) 只由被测压力引起，并且 ，( f ) = ，：( f ) = ，( f ) 。但是由于环境温度，噪声等影响因素的存在，使得相位 上，。( f ) ，：( f ) ，同时在幅度上也会叠加有加性噪声，从而使得最后计算r 产生 误差，进而影响计算压力点x 位置的精确性，增加了系统的误检率，严重时就 使得系统失效。接下来的部分就要分析影响系统误检率各种噪声因素。另外，实 际系统中是具有偏振控制模块的，但由于本文主要分析噪声的影响，因此，本文 中均忽略了偏振态的影响。 2 2 传感系统噪声分析 2 2 1 相位噪声 引起，。( f ) ，：( f ) 主要因素有：温度引起的相位漂移【8 】，激光器线宽引起 的相位噪声，压力点的位置。因此，我们可以将，重写为： ，= 谚+ 丸+ 噍 ( 2 1 2 ) 其中： 识是由温度变化而引起的缓慢的相位漂移； 谚，是由激光器的频率抖动所引起的相位噪声； 识即为由压力引起的相位变化，即系统需要监测的信号； 首先为了分析由温度引起的缓慢的相位漂移的影响，暂时忽略破，。于是由式 ( 2 1 0 ) 和式( 2 1 2 ) 可以得到： 屹= a c o s ( i ) ，o ) = 彳c o s ( 谚+ 红( f ) ) = a c o s ( 痧, + 欢s i n ( r o t ) ) 。 ( 2 1 3 ) 在这里为便于分析，将压力信号简化为一正弦信号。然后使用b e s s e l 函数 将上式展开可得 1 1 】： 屹= 彳 c o s ( 谚) 厶( 唬) + 2 以。( 2 ) c o s 2 n r o t + s i n ( 识) 2 以川( ：) s i n ( 2 n + 0 r o t n = 0 b e s s e l 函数的函数图形如图2 - 2 ： ( 2 1 4 ) 由图可知，可以忽略高阶的b e s s e l 项，同时在红1 时，也即压力强度很小 时，厶= l ，以( 欢) = 办2 ，并且只考虑信号的交流成分，于是可得： 1 2 1 j 2 彳s i i l ( 谚) 唬s i n c o t7o ( 2 1 5 ) 由式( 2 1 5 ) 可以看到，当谚= m t 时，即s i n ( 谚) = 0 ，信号会完全消失，这时 系统就完全失效了，而当唬一( 2 m ，+ 1 ) o ri t 寸，会得到最佳的信号。 z 在传感系统中，必须尽量排除这个缓变信号的影响。这可以通过将传感系统 置于温度比较稳定的环境中，例如地下，同时还需要加入一些补偿控制措施，例 如通过对激光器的偏振态进行实时的调节来使信号始终处于最佳的功率状态。 除这个由温度引起的相位漂移以外，由激光器的频率抖动所引起的相位噪 声，在经过系统相干以后，转化为相位噪声输出，该相位噪声可以表示为： 吮：2 r c n a l a v( 2 1 6 )纯= u c 其中：址为光程差，在本系统中，也就是传感光纤1 和传感光纤2 的长度 差。 上式可以看出，相位上的噪声强度与两个干涉臂的光程差成正比，即n a l ， 同时还是激光器的频率抖动成正比，即a v 。 要减小这个相位上的噪声，首先就需要减小n a l ，由于制造工艺，环境变化， 以及受到外力的情况下都有可能改变两根传感光纤的相对长度以及光纤的折射 率等参数，从而使得以址很难完全的去除 1 4 】。 另外一种减小相位噪声的方法就是将n a l 控制在一定范围内的同时，来减小 a v 。稳定激光器的频率一般有两种办法： 1 使用电流反馈( a c t i v ec u r r e n tf e e d b a c k ) 来使得激光器的输出稳定1 1 5 】 2 将光反馈( o p t i c a lf e e d b a c k ) 回激光腔中来减小激光器的线宽 1 6 】 2 2 2 加性噪声 除了相位噪声以外，系统也存在加性噪声。假设啊( f ) ，i = 1 ，2 为系统中的加性 噪声，则最后进行互相关的信号的为： 巧= m o + f ) + 惕o ) 和k = v 2 ( t ) + n 2 ( t ) ( 2 1 7 ) 这两个信号进行互相关运算，即： 吒( 丁) - = 足1 如( 丁) + + ( 2 1 s ) + 若传( f ) ，f = 1 ，2 为高斯白噪声，则： - o ，汪1 ，2 ，且( f ) ，i = 1 ，2 与信号 是独立的，因此式( 2 1 8 ) 的后面三项均为0 ，于是：心吩( 丁) = r i 吩( r ) 。因此，加 性的高斯白噪声对互相关运算没有影响。系统中主要的加性噪声为散粒噪声和热 噪声 9 】，其中热噪声为高斯白噪声，因此互相关最大值法可以很好的滤除热噪 声对相关运算影响，也就说系统中的热噪声对系统的误检率几乎没有影响。 而散粒噪声输入光强相关，并不会完全被相关运算去除。散粒噪声的强度为： = 2 吐枷，( a m p 4 h z ) ( 2 1 9 ) 随着接收机的入射光强的提高，散粒噪声的强度也会提高，但是信号的信噪 比不会因为散粒噪声强度的提高而减小，而是与l 刚成正比的增加。在忽略其 它噪声影响的情况下，散粒噪声对系统误检率的影响如图2 3 ： 图2 3入射光功率散粒噪声信噪比与系统误检率的关系图 如图所示随着光功率的增加，虽然散粒噪声的幅度会增加，但是信噪比会增 1 4 加，同时，可以看出散粒噪声对系统误检率的影响不大。 2 3 试验及仿真结果讨论 由于本系统用于检测压力信号，因此只考虑由压力引起的以，于是可以简化 得到【1 0 】： 纠一等丝+ 等( 1 嘶) ( 2 p n + p 1 1 ) ) p ，l s i n ( ( 2 l u ) 丘z 丘i 厶 = a p ，ls i n ( r o t ) 其中： 见：压力的强度大小； ，：压力点到相干点的距离，也就是图2 1 中光程p c 2 或者p a 4 ； e ：扬氏模数( y o u n g sm o d u l u s ) ； ：泊松率( p o i s s o n sr a t i o ) ； ：传播常数； a l ，a 2 ：均匀同向介质中的s t r a i n o p t i c t e n s o r 元素【1 2 】； 图2 - 4 给出了使用l = 2 6 ( k i n ) 传感光纤，址= l c m ，刀= 1 4 5 6 ，a v = 1 m h z ， 检测精度为5 0 0 ( m ) 的情况下，在传感光纤2 的中间部位施加压力的条件下，压 由上图可以看到，随着压力强度的增加，相位上的信噪比会增加，同时系统 的误检率也会降低。换言之，如果选用线宽较小的激光器，并减小n a l ，那么系 统的灵敏度也会提高。与此同时，系统的成本也会有所增加。 由于h 和从压力点到相干点的距离分别为，与三一，因此 缜= a p , l s i n c o ( t + r ) ，吮：= a p s ( i + a i ) s i n r o t ，= l - 2 l 。则进行两路相关函数为： 吧 r i 屹( 乃= iu 0 + f t ) v 2 ( t ) d t 鼍 = a 2ic o s a p s l s i n c o ( t + f - t ) e o s a p , ( 1 + a i ) s i n c o t d t ( 2 2 1 ) 忡， = a 2fc o s a p s ts i n 国oq - z - - r ) 】c o s 【q 陆，( 1 + 学) s i nc o t d t 二 1 由于，的存在，使得两路信号并非完全的只是一个时延差，它引入了一个 a p , a l s i n r a t 的相位噪声，这样就会使得相关函数凡咆( 丁) 的最大值点偏离t = f 点，从而使得系统检测定位出现误差。当l a i i ，时，这个噪声可以忽略，但是 当i 叫与，可以相互比拟甚至i 引，的时候，就会增加系统的误检率。根据式( 2 2 1 ) 式，在不考虑其他噪声的影响的情况下，压力较大的时候，对系统的影响也 会越大。如果考虑噪声的影响，压力强度的增加，可以改善相位上的信噪比，使 系统的误检率降低。图2 5 给出了，在不同压力强度时对系统误检率的影响，计 算中使用的传感系统光纤长度三= 2 6 ( k i n ) ，两根传感光纤的相对长度差为l e n a ， 激光器线宽为a v = 1 m h z ，检测精度5 0 0 ( m ) 。 1 6 从图中可以看到，随着压力强度的增加，其误检率曲线会变得越陡，也就是 说可以接受的范围越小；同时随着压力强度的增加，系统克服其它噪声干扰 的能力也会增加，在世影响较弱时，即a = 0 附近，系统误检率会降低。 2 4 本章小结 这一章主要分析了系统中的噪声类别和其对系统性能的影响，并且重点分析 系统中的相位噪声对我们的传感器检测系统的误检率的影响。为后面的光板设计 提供了理论基础。 1 7 第三章光板的硬件设计与实现 光板设计与实现是本论文的主要内容。光板主要是由三个部分组成：发射模 块，接收模块，数字控制模块。下面分别介绍三个模块的设计与实现。 3 1 光发射子模块的设计 d f b 光纤激光器没有传统的腔镜，而是直接在稀土掺杂光纤写入的光栅构 成谐振腔，有源区和反馈区同为一体，只用一个光栅来实现光反馈和波长选择， 因而频率稳定性较好，边模抑制比高，还避免了分布布拉格反射激光器谐振腔中 掺饵光纤与光栅的熔接损耗。分布反馈( d f b ) 光纤激光器在传感中有很多应用， 可以传感温度、纵向和横向压力、声压等不同的量。因此本传感系统选择采用 d f b 光纤激光器作为光源。 光板的光发射模块就是用于驱动d f b 光纤激光器，使其输出符合要求的稳 定的激光。发射模块主要包括电流驱动模块，温度控制模块，以及调制模块。图 3 1 为光板发射模块的原理图： 3 1 1 电流驱动 图3 1光板发射模块原理图 电流驱动模块采用的是激光器功率控制，它利用了激光器本身集成的背向光 检测模块。背向光检测模块是通过使用光电转换器，光电二极管( p i n ) 或者雪 崩二极管( a p d ) ，来采集激光器腔内的背向光，输出电流信。电路设计者就可 以根据这个电流信号来得到当前的实际激光器发光功率。然后根据这个功率信息 来反馈调节激光器的驱动电流，从而使得激光器的输出稳定在用户设定的功率 值。图3 2 为电流驱动模块的电路原理图： 图3 2电流驱动模块原理图 电流驱动模块的核心部分是一个差分积分电路，它的主要作用就是比较两个 输入的电压值，一个输入是通过转换激光器的背向光检测模块输出的电流得到的 电压信号，这可以通过将电流信号输入到一个跨阻放大电路或者仅仅是流过一个 电阻，无论是跨阻放大电路还是简单的电阻，电阻阻值的选取都应该要合理，通 常为1 七q 左右；另一个电压值就是用户的设定电压，通常在实际电路中这个电压 是由d a c 或者是电阻分压来提供的。差分积分电路将这个两个输入的差值积分 输出，从而控制运算发达器的电流输出，即改变激光器的驱动电流，进而改变激 光器的输出光功率，最后使得两个输入电压值趋于一致。 差分积分电路的核心芯片，电流运算放大器，使用的是t i 公司的o p a 5 4 7 运