（通信与信息系统专业论文）干涉型光纤传感器pgc调制解调系统的sopc实现.pdf

ab s t r a c t _ ab s t r a c t a m o n g d i ff e r e n t m o d u l a t i o n t y p e f ib e r o p t i c s e n s o r s , p h a s e m o d u l a t i o n t y p e s e n s o r s b a s e d o n o p t i c a l i n t e r f e r e n c e t h e o ry - e x h i b i t h i g h s e n s i t i v i ty , h i g h r e s o l u t i o n , g e o m e t r i c v e r s a t i l i ty a n d c a n b e e m p l o y e d i n m a n y s e n s i n g f i e l d s . a n d p h a s e g e n e r a t e d c a r r i e r d e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e w h i c h i s e a s y t o r e a l i z e d i g i t a l s y s t e m a r e u s i n g w i d e l y i n d i ff e r e n t s i g n a l d e t e c t m e t h o d o f i n t e r f e r o m e t r i c fi b e r o p t i c s e n s o r . a n i n t e r f e r o m e tr i c o p t i c a l f i b e r s e n s o r m e as u r i n g s y s t e m b as e d o n d i g i t a l s i g n a l t e c h n o l o g y i s d e s i g n e d . t h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e o f s y n t h e t i c h e t e r o d y n e a r i t h m e t i c i s i n t r o d u c e d , a n d t h e fr a m e o f m e as u r i n g s y s t e m i s d e s c r i b e d . t h e d e s i g n o f p g c d e m o d u l a t i o n u s e r - d e f i n e d b l o c k , w h i c h u s e d s p b u i ld e r t e c h n o l o g y , i s m a i n l y d i s c u s s e 氏a n d d e s i g n a n d i m p l e m e n t t h e b l o c k o f c a r r i e r w a v e g e n e r a t o r b as e d o n d i r e c t d i g i t a l fr e q u e n c y s y n t h e s i s ( d d s ) , t h e b l o c k o f l o w p as s f i l t e r b a s e d o n d i s t r ib u t e d a l g o r i t h m .u s i n g s o p c t e c h n o l o g y , d e v e l o p m e n t n i o s i i a n d u s e r - d e f in e d b l o c k i n t e r f a c e . a s a r e s u l t , d s p a n d i n t e l l i g e n t d a t a c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e r u n i n p a r a l l e l . a f t e r p e r f o r m e d t h e f o l l o w i n g : fu n c t i o n s i m u l a t i o n o f s y s t e m m o d e l , t i m e s i m u la t i o n a n d t e s t i n o b j e c t - c h i p , i t i s p r o v e d t h a t t h e d e s i g n i s r i g h t . f in a ll y , s u m m a r i z e d t h e a r ti c le p o i n t e d o u t t h e c o n t e n t s o f t h e f u r th e r re s e a r c h . k e y wo r d s : p h a s e ca r r i e r s o p c ds p b u i l d e r dds di s t r i b u t e d a l g o r i t h m 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 :川 室 。7年s 月3 10 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密1 0 年_( 最长 :丫二 机密2 0 年 ( 最长 1 0 年，可少于 1 0 年) 2 0 年，可少于 2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中己 经注明引用的内 容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均已 在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 呆 卜 呈 w 了 年 月 3 “ 日 第一章绪论 第一章绪论 第一节光纤传感技术的研究状况和进展 光纤自 问 世以 来， 不仅能作为光波传输介质， 而且光纤中传输的光波的特 征参量， 如振幅、相 位、偏振态、 波长 和模式等， 对外界环境因素， 如温度、 压力、辐射等都能敏感，这使得光纤传感技术正日益成为传感领域的重要研究 方 向。 相对于传统的基于压电、超声等的传感技术，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，工作频带宽:高于其 他传感 技术 1 - 3 个量级的灵敏度和分辨率; 传感部分结构和几何形 状的多 样性; 普 遍适 用于各 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， 可应用于高温高 压、 易燃易 爆等恶劣环境;易 于实 现光纤传输和远距离遥 测; 易于构成传感网络实现对多点多参量的测量等等。 正是由 于光纤 传感技术相对于传统传感技 术的巨大优势， 应用的 广泛性及 其广阔的市场，其 研究和开发在世界范围内引 起了高度的重视。 美国 是研究光 纤传感器起步最早、 水平最高的国家， 在军事和民用领域的应用方面， 其进展 都十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要 包括: 水下探测的 光纤传感 器、 用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。美 国也是最早将光纤 传感器用于民 用领域的国家。 如运用光纤传感 器监测电 力系 统的电 流、电压、 温度等重要参数， 监测桥梁和重要建筑物的应力变化 等。日 本和西欧各国 也高 度重视并投人大量经费开展光纤 传感 器的 研究与开 发。 2 0世 纪9 0 年代，由 东芝、日 本电 气等几家公司和研究机构， 研究开发出多 种具有一 流水平的民用光纤传感器。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、 重庆 大学等。 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。 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，不能投入批量生产和工程化应用。 第一章绪论 第二节光纤传感器的应用及须解决的问 题 光纤传 感器的 应用范围 之广，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。主要表现在以下几个方面: 1 . 城市 建设中 桥梁、 大坝、 油田 等的 干涉陀螺仪和光栅压力传感 器的 应用。 在混凝土中 嵌人光 纤传感器或加强性光纤凝结物; 在飞机场 用干涉型光纤震 动 传感器系统监测交通。 2 .在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机 的定子、 转子内的 温度检测等，由于电 类传感器易受强电磁 场的干扰， 无法在 这些场合中使用，只能用光纤传感器。 3 . 在石油化工系统、 矿井、 大型电 厂等， 需要检 测氧气、 碳氢化合物、 c o 等气体，采 用电 类传感器不但达不到要求的精度， 更严重的是 会引 起安 全事 故。 因 此， 研究 和开发高 性能的光纤气敏传感器，可以安 全有效 地实 现上述检测。 4 . 在 环境监测、 临床医学检测、食品安全检 测等方面，由于 其环境复杂， 影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰， 采用光纤传感器可以 具有很强的 抗干扰能力和较高的梢度， 可实现对上述各领 域的 生物量的快速、方便、准确地检测。目 前，我国水源的 污染情况严重， 临 床检验、食品安全检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场 前景。 目前光纤传感技术虽然发展迅速并取得了可喜的成绩，但离大规模的工程 应用仍有相当长的路要走，主要因素如下: 1 .由 于制作工艺 和器件发 展的限 制， 光纤传感器尚 末形成较大生产规模。 2 . 具备高性能、高 可靠的 光纤传感系统在系统造价上尚 不能为多数工程应 用所接受，仍需大力改进以降低成本。 3 . 光纤传感过 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几乎所有光纤传感器都面临的主要问题。光纤传感技术虽 然有着极高的 检测灵敏度， 但同时也容易受到外界干扰的影响， 如光纤陀 螺仪 中的 非互易噪 声对灵敏度的降低。 4 . 光纤 传感 信号与后续光电 信号处理部分的配合尚未完善。 部分光纤 传感 方案需要复杂的光信号解调机制，使得整个传感系统的稳定性和一致性要求y 第一章绪论 制于电 处理系 统。 如高精度的光纤光栅传感系统的 波长漂移解调常利用干涉仪 将波长变化转 化为相 位变化后再用外差或零差 法进行解调， 这种解调机制运算 电路调试复杂，有时会明显影响最终传 感输出的 性能。 由于存在这样或那样的技术难题，阻碍了光纤传感器的应用规模和应用范 围，使得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。 本文将研究重点放在光相位调制解调电路的数字化实现上，设计了基于现 场可编程门阵 列 ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y f p g a )的 相位生 成载波的 光相 位调制解调系统。 该系统 将传统的由 分 立器件实现的 解调过程集成到一片f p g a 芯片中处理， 很好地解决了 模拟实现方法中直流漂移、稳定 性和一致 性差、电 路调试复杂等缺点， 而且这种系统比 专用电 路系统具有更高的灵活性和可 扩充 性。 可以灵活的更改 系统参数，适应不同带宽传感信号的要求。 而且随着大 规 模可编程逻辑 器件的 发展， f p g a器件的 性价比 也越来越高， 例如系 统主芯片采 用a l t e r a c y c l o n e e p l c 6 q 2 4 0 c 8， 包含5 9 8 0 个逻 辑单元，相当于1 2 万门 的规 模， 价格却非常低廉。由此可见， 本文所作的 工作对于光纤传感系 统的 实用化 和商品化具有一定的参考意义。 第三节干涉型光纤传感器及其解调系统概述 光纤传感器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。 相位调制型( 干 涉型 ) 光纤传感器是光纤传感中最 重要的传感技术之一 ， 其基 本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发 生变化， 而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的千涉条纹发生变化， 通 过检测干涉条纹的 变化量来确定光的相位变化 量， 从而得到被测对象的 信息川 。 通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器;利用磁致伸缩效应的电流、磁 场传感器;以及利用电致伸缩的电场、电压传感器等。 这类传感器的灵敏度很高。对待测物理量具有高度敏感性和潜在的高分辨 率， 作为一种高灵 敏度的 检测手段 有着广阔的应用前景。 各种 高灵敏度干涉型光纤传感调制解调系统的核心是高性能的光纤干涉 仪 。 干 涉 仪 输 出 的 光 强 信 号 为 i = i , + i z 十 2 召 不 二 【 c o s ( g 十 汽 ) ， 其 中 i , . i s 分 别 是 千 涉 仪两 束 干 涉 光 的 光 强， 9 7, 表示 信号 引 起 的 相 位 变 化，010 表 示 外 界 环 境 产 第一章绪论 生的 相 位 差 与 初 始 相位 差 之 和， 由 于 温 度 、 压 力 等 环 境因 素引 起的 9 70 随 机 变化 将 导 致 干 涉 仪 输 出 信 号i 的 明 显 衰 落， 严 重 影 响 光 纤 传 感 器 对 v响 应 的 稳定 性 。 为解决环境因素对光纤干涉仪检测灵敏度的影响，人们相继使用了多种信号检 钡 解调方法。现在常用的主要有主动零差解调法、合成外差解调法、伪外差解 调法 和相位生 成载波( p h a s e g e n e r a t e d c a r r i e s p g c ) 零差解调法。 目 前， p g c零差解调法以 其高 灵敏度、 大动态范围和良 好的线性 性使其成 干涉型光纤传感解调系统主要采用的信号处理技术。 p g c检 测原理是采用不平衡干涉仪， 通过对光源或p z t 元件进行高 频调制， 从而 在千涉仪中引 入检测信号带宽外的 某一频率的大幅度相位调制信号，使所 检测信号成为这些大幅度载波的边带，用相关检测和微分交叉相乘方式分离光 纤干涉仪的交流传感信号和低频随机相位漂移，再通过高通滤波器得到稳定的 传感信号输出。 传统实 现p g c解调主要采用模拟电 路实 现，而随着数字信号处 理技术的发 展， 采用全 数字方案以 其不 可比 拟的 优势 逐渐取代模拟方案，并成为p g c解调 研究和实 现的 主要方案。 大规模可编程逻 辑器件 f p g a的出 现和 发展， 使其在 数字信号处理领域占有越来越重要的地位，而利用可编程片上系统技术即 s o p c (s y s te m o n p r o g r a m m a b le c h ip ) 可 将 整 个d s p 系 统 和 嵌 入式 处 理 器 集 成 在 一片f p g a芯片上，大大提高了开发效率，节约了成本。 第四节s o p c技术简介 s o p c 技术是美国公司于2 0 0 0 年 最早提出 来的， 并同时 推出了 相应的开发 软件q u a r t u s ii o s o p c是基于f p g a解决 方案的s o c s o p c 系统及其开发技 术具有鲜明的特色。 s o p c的设 计是以i p为基 础的，以 硬件描述语言为主要设计手段，借 助于 以 计算机为 平台的e d a工具进行的 。s o p c技术主要是指面向 单片系统及 专用 集成电 路设 计的计算机技术，与传 统专用集成电 路设计技术相比， 其特点 有: 1 .设 计全程， 包括电路系 统描 述、 硬件设计、 仿真测试、 综合、调 试、系 统软件设计，直至整个系统的完成，都由计算机进行。 2 .设 计技术直接面向 用户。 3 .系 统级专用集成电 路能 通过大规模可编程器件f p g a来实 现。 第一章绪论 s o p c一般采用大容量 f p g a作为载体，除了在一片 f p g a中定制 mc u处 理器和d s p 功能 模块外， 还可以 设计其它逻辑功能 模块， 实现m c u + d s p + f p g a 在 一 片 芯 片 上 集 成 。 如 可 采 用a l t e r a 公 司 的c y c lo n e , s t ra tix , s tr a tix i i 等 大 容 量 f p g a实现片上系统。 在利用 f p g a进行 ds p系统的开发应用上，采用 a l t e r a公司推出的 d s p b u i l d e r 。 作为 一个面向d s p 开发的 系统级工具， d s p b u i l d e r 是以m a t l a b 的 一个 s i m u l i n k 工具箱 ( t o o l b o x ) 出 现的。 m a t l a b 是功能强大的数学分析工 具， 广泛用 于科学计算和 工程计算， 可以 进行复杂的 数字信号处理系统的建模、 参数估计、 性能分析。s i m u l i n k 是m a t l a b 的 一个组成部分，用于图形化建模仿真。 d s p b u i l d e r 使得用f p g a设计d s p 系统完 全可以 通过s im u l i n k 的图 形化界 而进行， 只要简单地进行d s p b u i l d e r 工 具箱中的 模块调用即 可。 值得注 意的是， d s p b u i l d e r 中 的d s p 基本模块是以 算法级的 描述出 现的， 易于用户从系统 或者 算法级进行理解， 甚至不需要十分了 解f p g a本身 和硬件描述语言。 基于f p g a和s o p c 技术的现代d s p 技术完全突破了传统 d s p 系统和设计 技术的 瓶颈， 克服了 传统方案的诸多劣势，在d s p 设计和应用领域拓展了自 己 全新的空间。 第五节本论文的主要工作 本文 主要做了以 下工作: 1 .分 析了 千涉型光纤传感调制解调系统所涉及 到的相关理论 基础， 如光纤 相位调制机理，相位载波零差检测方案等。 2 介绍千涉型光纤传感 p g c调 制解调系统的 总体设计， 提出 基于 f p g a 的全数字解调 方案。 该解调方案是以 n i o s i i 为控 制器实 现数据采 集、过 程控制 等功能，基于d s p b u i l d e r 技术实现p g c 调制解调算法。 3 .介绍 如何在d s p b u i l d e r 下实 现p g c 调制解调算法并进行仿真， 重点 研 究了基于d d s 技术设计的载波生成模块和基于位串 行分布式算法实现的f i r滤 波器模块。 4 . 介 绍n i o s i i 处理器、 外围 设备及自 定义外设的定制。完成 系统软 、 硬件 设计及仿真验证。 第二章相位调制型光纤传感器的理论基础 第二章相位调制型光纤传感器的理论基础 第一节光纤相位调制机理 光相 位调制1 2 1 ， 是指外界信号 ( 被测量) 按照一定的 规律使光纤中 传播的 光 波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测量的变化。 光在光纤中传输时 相位取决于光纤波导的 三个特性: 总物理长度、折射率 及其分布、光纤波导的横向 几何 尺寸。 这里假设在光纤波导中传输的光是单色 的，它 在空气中的波长为x o 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。对于施加于光纤的己知扰 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 1 的光纤 后，出 射光波的 相位延迟为: 卜竺 竺( 2 . 0 c 其中n 是 光纤纤芯折射率， c 是真空中 光速， v 是光频。 显 然， v , l 及n的 变 化都将导致输出光相位的变化，由 式 ( 2 . 1 ) 可知: ， 一 2 )rn ly (o n 十 孚 十 o v a c刀iv ( 2 . 2 ) 通常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。 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: ， 光 纤 长 度 变 化( “ ， 产 生 纵 向 应 变 s , 一 州， 直 接 引 起 光 波 相 位 的 变 化 ; 2 光 纤 直 径 变 化 、 ， 产 生 横 向 应 变 s , 一 嘿 ， 进 而 导 致 波 数 变 化( 、， 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 ( a n ) ，从而导 致相位的 第二章 相位调制型光纤传感 器的 理论基础 变化。 由 此 分 析 ， 设 二 呱， 一 n k o分 别 为 光 在 真 空 中 和 传 输 介 质 中 的 波 数 。 式 ( 2 . 2 )改写为: a o = a k l + k o l a n 十 k a n a l 最终得到: ( 2 .3 ) . 1 a k . a n 配、 ， ， 1从 。 ao = kn l ( - a a十十 )= kn t ( - , a十 k , n匆n 1一 k a n a a a n 十 s , ) ( 2 . 4) 由光弹效应，考虑到单模光纤中光波的横波性质，a n 由下式给出 ， 一 誓 ( 。 :+ p u )s ,+ p us,i ( 2 . 5 ) 式 中p u p u 为 光 弹 系 数 ，由 光 纤 材料 决 定， 式 (2 .5 ) 代 入 式 (2 .4 ) ， 得 a o 2. 1.2 . ( f 1 a k n 2、 _ . = k . n l i i - - a 一 : 二 ( p n + p2 ) 。 ， + k i 一 : 丁 p u ) a l vc a n o a 温度效应 ( 2 . 6) 温度效应对相位的调制主要考虑a n 及a l 的作 用，a a 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: m， an ai、 = k ( l 十 月 j at，、 at at ( 2 . 7 ) 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。 第二节光相位调制的干涉测量 物理光学原 理指出，由光源发出的两个频率 相同、 振动方向 一致( 偏振方向 一 致) 、 相位差值一定的 光波在相遇的 空间区 域将会产生明 暗相间的 条纹，即发 第二章 相位调制型光纤传感器的理论基础 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， 这就是千涉测量的 基本原理。 在光 波的千涉测量中，参与工作的 光波是两束或多束相干光。 例如， 有两 束 光 振 幅 分 别为i , 和1 2 的 相干 光 ， 如 果 其中 的 一 束 光由 于 某 种 原 因 的 影 响 或调 制， 在干涉域中就可以产生 干涉。 干涉场中 各点的 光强可表示为 1 2 = i 2 + 1 2 + 2 7 ,i 2 c o s ( o q ) (2 . 8 ) 式中 e q 是 相 位 调 制 造 成 的 两 相 干 光 之 间 的 相 位 差。 如 果 检 测 到 干 涉 光 强的 变化就可以 确定 两光 束间 相位的 变化， 从而得到待测物理量的 大小。 实现 千涉测量的 仪器很多。 通常 采用的 干涉仪主要有四 种， 它们是m i c h e l s o n 千涉仪、 m a c h - z e h n d e r 干涉仪、 f a b r y - p e r o t 干涉仪及 s a g n a c 干涉仪。 如图2 . 1 所示。 它们的共同 点是:光 源发出的光都要分成两束或更多束的光，沿不同的 路径传播后，分离的光束又重新汇合， 产生干涉现象。不同的是它们采用祸合 器的数目 及传感器的位置不同。 伯 启 头 格 目 头 抬 召 头 传 感 头 图 2 . 1基于光纤干涉仪的光纤传感器原理示意图 第二章 相位调制型 光纤 传感器的 理论基础 由于本系统传感头采用双光束 ma c h - z e h n d e r干涉仪，所以下面介绍 m a c h - z e h n d e r 干涉仪的工作原 理。 m a c h - z e h n d e r 干涉仪结 构如图2 . 2 所示，从光源发出的 光由3 d b光纤 祸合 器分成空间分离的两路光束，分别称为信号臂和参考臂，信号臂用来感受信号， 参考臂 用来对信号臂的 相位提供参考 值。再经过另一 个 mb光纤藕 合器重新相 干混合，产生干涉， 最后由 光电 检 测器转换为电 信号， 经过信号检测就可以得 到待测信号 1 3 / 图2 . 2 全 光纤m a c h - z e h n d e r 双光束干涉仪 下面我们从光学原理上分析发生千涉时的光强变化，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 波千涉情况。 在这种假设下， 光电 探测器处的 电场可写成: e = k , e x p ( io e ) k , e , ( r e ) + k , e x p ( i o a ) k ,e o ( r . ) ( 2 . 9 ) 式 中 下 标 。 和 b 分 别 表 示 信 号 壁 和 参 考 臂 ; 凡是 第 i 个 祸 合 器 的 分 光 比( 祸 合系数) ， 下标t 表示直接传输光 束; 而c 表示间 接传输光束 ( 祸合光束， 光源到 参 考 臂 光 束 ) ; e o 是 光 源的电 场 矢 量 ， 并 随时 间 而 变 化; 式 中 的z , , z b 分 别 是 光 波 从 光 源 经 信 号 臂 和 参 考臂 到 达 探 测 器的 时 间 ;9n y b 分 别 表 示 光 波 经 信 号臂 和参考臂传输的相位延迟。对于理 想的3 d b的 光纤祸合器，被祸 合的 光束将产 生 一 个 附 加 %的 相 位 延 迟 ， 所 以 可 以 表 示 成 实 数 ， 而 k 则 是 虚 数 ， 于 是 有 : k , = 天(2 . 1 0 ) 式中 ， k ;, 是 个 实 数 。 利 用 下 式 可以 计 算在 探 测 器处 的 光 强 i = e - k ) ( 2 . 1 1 ) 式中 括号表示时间的 平均值， 星号表 示共扼复数。 把式 ( 2 . 9 ) , ( 2 . 1 0 ) 代 第二章相位调制型光纤传感器的理论基础 入 ( 2 . 1 1 )得: i 一 k i, k z , ( e o ( = b ) ) + k u k i 1 ( e o ( = o ) ) + 2 r e 一 。 k zkv kz, e p i(o 一 oa) (e o (z. ) e o (z6 ) j 用 祸 合 进 入 光 纤 的 光 强 i ii 表 示 ( 赊 动及 稀(z a ) ) ， 上 式 可 以 简 化 ， 相千强度定义为: ( 2 . 1 2 ) 光源的 a r,一 : )= eo(=a)eo (z) io 于 是 有 : = i ii 嵘 嵘十 k 2 k 2u z , 一 2 k ;k 2 k k z ,y c o s 队一 划 ( 2 . 1 3 ) ( 2 . 1 4 ) 千涉条纹的可见度定义为:k =1 m 。 一 l m i . i 二 二 十 1 二 ( 2 . 1 5 ) 式 中 i . - , 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 o 1 一 k c o s (o , 一 y6 ) 式 中 ( 2 . 1 6 ) k= 2 气 c k 2 , k i i k 2 , 斌 云 k 2 2 十 鱿 k 22 , ( 2 . 1 7 ) 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 直接与光源的相千强度成正比。 由 式( 2 . 1 6 ) 可知， 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 化转换为光强的变化，再经过光电转换器得到可检测的电压信号。 第三节相位生成载波( p g c ) 零差检测方案 2 . 3 . 1 干涉仪的相位衰落现象 干 涉仪的 随机相位衰落导致输出信号 信噪比随机涨落， 甚至信号完全消隐。 消除干 涉仪的相位衰落， 实现信号的 稳定检测，即抗相位衰落技术是千涉型光 纤传感器走向应用的关键技术之一。 第二 章 相位调 制型光纤传感器的 理论基础 由 上节关于ma c h - z e h n d e r 双光束千涉仪基本原理的 推导 得出 输出 端光强 经 光电检测器转换成电信号可表示为: 1 = a + b c o s o ( t ) ( 2 . 1 8 ) 式中 : 常数a和b与 输入的 光强成正比 且b = k a , k _ 1 为 干涉条纹可见度， 这 时 引 入 的 相 位 差为 h- 4 卜.p ( t) ， 由 信 号引 起的 相 位 变 化 、 各 种 干 扰 与噪 声 以 及初始相位组成。 设0 s 表示信号引 起的 相位 变化，0 为干 扰和噪 声， 0 . 为 初始 相位. 则 op (t ) = 14 , 十 0 . 1 y 0 并 入ya 。 一 般 外 界 干 扰信 号 o n 是 低 频 大 信 号， 武 为 高 频 小信 号 ， 当 信 号 有 一 微 小 变 化量 7 8 时 : d i z b s i n 汽 死( 2 . 1 9 ) 由 于 低 频 干扰汽 随 机 变 化， 且 幅 度大 ，由 ( 2 . 1 9 ) 式 不 难 得出 系 统 输出 的 信 噪 比 在 变 化， 且当si n 汽 = 0 时 ， 信 号 光和 参 考 光 零 偏 置 ， 信号 完 全 消隐 ; 当 s in 汽= 1 时 ， 信 号 光 和 参 考 光 正 交 偏 置 ， 输出 检 测 光 电 流 最 大 。 干 涉 仪 输 出 信号随 外界环境的 变化而出现的 信号随 机涨落现象， 称为 千涉仪的相位衰落 现象。 光电检测器的输出是与光强成比例的光电流，需要从中克服相位衰落解调 出与 被测信号相关的光相位， 解调方式同 信号光与参考光之间 的频率差 口 直接 相 关。 根 据频差 口 是否 为零， 可将解调方法分为零差 解调法和外差解调法两大 类。其中零差解调法是研究的热点，根据所采取的偏置方式不同，零差法可分 为被动零差法和主动零差法.主动零差法的优点是结构简单，易于实现，受外 界噪声影响小，但传感器的动态范围受到了反馈电路的限制，而传感器的相位 解 调范围仍然受到限制， 无法广泛应用。而被动零差法中 基于相位 载波生成调 制 解调技术由 于避免了有源相位跟踪技术的反馈补偿系统， 适宜全 光实现、 远 距 离 传 输 等 优点 ， 成 为目 前 信 号 检测 的 主 要 方 法 14 1 15 1 2 . 3 . 2 p g c检测方案实现原理 本文采用压电 陶瓷( p z t ) 元件调制实现相位载波的信号检测方式， 其原理是 在 两臂等长的ma c h - z e h n d e r 千涉仪的 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 起千 涉 第二章相位调制型光纤传感器的理论基础 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。 如图2 . 3 所示: 图2 . 3 p g c检测方案 设 载 波 调 制 信号 为 c c o s a )ot , 帆 0 为 待 检 测 信 号 与 环 境 漂 移 共同 引 起 的 相 位 变化。则由 式( 2 . 1 8 ) ， 此时 干涉仪 输出的光信号经光电 转换为电信号表示如下: i = a + b c o s ( c c o s a m t + rp ( t ) ) ( 2 . 2 0 ) 图 2 . 4 m a c h - z e h n d e r 光纤干涉仪相位载波调制下的输出波形 在 这 里c c o s % t 十 城 0 处 于 相 位 上 ， 因 此 我 们 把 它 看 作 相 位 变 化， 这 就 体 现 了相位载波的 含义。实际上载波信 号和待测信号 在这里 是处于同等地 位的。 由 于载波频率相对于待测信号高 很多， 因 此可认为 它载着待测信号。 图2 . 4 为w ( t ) = 。 时m a c h - z e h n d e r 干涉仪 相位载波调制下的 输出 波形。 把( 2 . 2 1 ) 式用b e s s e l 函数展开得 第二章 相位调制型光纤传感器的理论基础 ，一 ， 小(c )+ 2j (- 1)kjzk(c)cos2kwotk=1一 ，(t)- 2t (一 )kjz*一(c)cos(2k+ 1)wotsm 4p(t) ( 2 . 2 1 ) 由 ( 2 . 2 1 ) 式 可 知， 在 输出 信 号 中 ， 当 rp ( t ) = 0 时 信 号 中 只 存 在w o 的 偶 数 倍 频 项 ; 当 rp ( t ) 一 %时 ， 即 满 足 正 交 条 件 时 信 号 中 只 存 在 、 的 奇 数 倍 频 项 而 9, ( t ) 可 以 分 解为 频 率为 w 的 待 检 测 信 号 和 环 境 漂 移 共同 引 起的 相 位 变 化 。 p ( t ) = d c o s w , t + y r ( t ) ( 2 . 2 2 ) d 为 待 检 测 信 号 幅 度。 同 样 可 得 到s in tp ( t) 和c o s (n (t ) 的b e s s e l 函 数 展 开 co s p (t) 一 1 j ,(d ) + 2 t (- 1)k j zk (d ) co s 2kw ,t co syr(t)- 22 一，*: *一(d )cos(2k+l)co,t sin y/(t) sin op(t) = l2k=1(一 )kj z*一 (d )co s(2k + 1)w ,t 一 yi(t)+ jo(d )+ 2 1k=1一 )k jzk (d )一 ，kwst sin 4,(t) ( 2 . 2 3 ) ( 2 . 2 4 ) 结合式( 2 . 2 3 ) 和式( 2 . 2 4 ) 可以 看出:当w ( t ) 二 k g 时， 输出 信号的 频谱中， 偶 ( 奇 ) 数 倍 角 频 率w s ( 待 测 信 号) 出 现 在 偶 ( 奇 ) 数 倍 角 频 率% ( 载 波 信 号) 的 两 侧 ; 当 y o 一 玩 + % 时 ， 频 谱 上 偶 ( 奇 ) 数 倍 角 频 率 w , 出 现 在 奇 ( 偶 ) 数 倍 角 频 率 、 的 两 侧 ， 这些 载 在奇 ( 偶 ) 数 倍 角 频 率%的 两 侧的 边 带 频 谱 携 带 了 所 要 研 究 的 信 号 信 息。 他 们 或以 w o 的 偶 数 倍 频 率， 或以 w o 的 奇 数 倍 频 率为 中 心 。 此 时 如 果 把 总 的 输出 信 号 与 频 率为%适当 倍 数的 信 号 相 混 合， 用 低通 滤 波 器 除 去 要 检 测 的 最 高 频率以 上的项再经过相关运算就 可解调出 有用的 信息。 由 上节的分析可知，在未加载波调制前当g ( t ) = k x ( k - 0 , 1 , 2 - 二 )时 c o s 帅) = 1 1 ，,p ( t) 二 k x + 川 2 ( k = 0 , 1 , 2 二 ) 时 c o s 砷) = 0 。 我 们 会 发 现 千 涉 信号将发生消隐和畸 变现象， 这时候待测信号将无法解调出 来。而由上面的分 析 可 知， 加 入 载 波 信号 %以 后 ， 即 使 会出 现 试rp (t ) = k 二 或(p (t ) = k 二 十 习 2 也 不 会 发生信号消隐和畸变现象，从而实现了 抗相位衰落， 这就是 进行载波调制的 意 第二章相位调制型光纤传感器的理论基础 义 所在1 6 1 1 7 1 2 . 3 . 3 p g c 检测方案模型的数学分析12 1 信号的 解调可以 简单的 表述为 这样的一个问题: 如何从( 2 . 2 0 ) 中 得到侧0 ， 进一 步v ( t ) 经过高通滤波 器就可以 得到待 测信号。结合 检测方案框图，p g c解 调原理推导如下: 由 图2 . 3 可 知 ， 将 幅 度 分 别 为g , h角 频 率为 co o 和2 m o 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 t o o t + g b j g ( c ) c o s w o t c o s (p ( t ) + b g c o s (p ( t ) 艺( 一 1 ) k j 2 k ( c ) c o s ( 2 k + 1 ) co o t + c o s ( 2 k 一 1 ) m o 小( 2 . 2 5 ) b g s i n ， ( ) 艺( 一 1) k j 2 k + 1 ( c ) c o s ( 2 k + 2 ) ro o t + c o s 2 k w o t f l a c o s 2 w o t + h b j o ( c ) c o s 2 c o o t c o s s o ( t ) + h b c o s op ( t ) y- ( - 1 ) j 2 k ( c ) c o s (2 k + 1 )w o t + c o s 2 (k 一 1 ) m ot - b h s in rp ( t) y ( - 1) j 2k + , (c ) c o s ( 2 k + 3 ) ro ot + c o s (2 k 一 1) m ot ( 2 . 2 6 ) 分别通过低通滤波器 l f l 和 l f 2 后，得到: 一 b g j , ( c ) s i n g ( t ) ( 2 . 2 7 ) - b h j , ( c ) c o s 种 ) ( 2 . 2 8 ) 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 千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l f 1 和l f 2 出 来的 信号分 别通过微分电路， 得到微分后的信号为: - b g j i ( c ) (p ( t ) c o s p ( t ) ( 2 . 2 9 ) b h j 2 ( c ) tp ( t ) s i n p ( t ) ( 2 . 3 0 ) 交叉相乘后得到两项分别为: 第二章 相位调制型光纤传感器的 理论基础 - b g h j , ( c ) 几( c ) (o ( t ) s i n , q ( t ) b g h j , (c ) j , ( c ) .p ( t ) c o s g, ( t ) ( 2 . 3 1 ) ( 2 . 3 2 ) 上面两路信号经减法器进行减法运算可得: b g h j , ( c ) 几( c ) .p ( t ) ( 2 . 3 3 )