干涉型光纤传感器相位跟踪检测系统的研究_图文

1、第卷专刊年翼应用光学。义章编号：。（）一干涉型光纤传感器相位跟踪检测系统的研究李平舟，宋祥虎，姬志国（西安电子科技大学，陕西西安；陕飚广播电视犬学宝鸡市分校，陕西宝鸡）摘要：先纤传感器是一种荛敏度高的传感器，而相位检测技术是它的关键技术之一。简单介绍了干涉激光纤传感器的信号检测方法，比较了它们的优缺点，着重介绍了相位跟踪检测系统的基拳德成及相关设砖。关键词：光纤传感器；相位检测；相位跟踪检测系统中图分类弩：文献橼卷码：，（。，）：，：；引言自世纪年代以来，光纤传感器（，）俸为一耪基于光导终维昀薪型传感器迅速发展起来，日益受到重视。光纤传感器具有灵敏度高、动态范围大、检测频带宽、结构设计灵活、黧

2、蹇篪高温、抗电磁于撬、抗瘸蚀搜强等诸多优点，被广泛地应用到各种信号的检测巾。由于其与光纤通信技术固有的兼容性使得它可以获得燹瑟速的发旋。各释源理的竞纾传感器应运而生，特别是基于相干检测技术的干涉型光纤传感器得到了迅速发展，因为它具有灵敏度高、便予复用等优点，被广泛鹰于涎餐声波、磁场、湿度、缝震波等多种物理量吨。干涉型分布式光纡传感系统的高灵敏度使传感系统极易受到外界环境挠动静影响。当光纤受到外界物理场的作用时，其内部传输的褶位发生变化，干涉仪输出一个相位调制信号，通过检测相位的变化，麟可获得外赛物理场的信息。燕子受到瀑度变化、压力波动、机械抖动等因素的影响，干涉仪两臂的相位也会产生一个随机相位

3、变量，从而引起信号幅度懿随掇涨落，这就是爱谓的攘位衰落现象。因此，如何检测光纤传感器的信号成为了一个非常重要的课题。干涉型光纤传感器信号检测典型方法的比较伴随着干涉型光纤传感嚣的发震，务式各样酶信号检测技术随即而生。典型的有：相位产生载波（）解调法、×藕合器解调法、合成外差检测法、襁位跟踪检测、差分延迟外差检测、光程补偿收穰日期：一；修回日期：终警麓贫：李警痔（一），男，陕嚣户矮入，嚣安电子秘效大誓壤学浣教授，主要姨事黪毙学表嚣耱料戆毙学特性分橱、必傣惫处理技术簿方面的研究工作。：第卷（专秘）攀警痔，等：予涉型宠终传感器稳篷裁黥捡溅系统懿聚究外藏检测等。凌铡解谲是在于涉纹牵弓入硷测信

4、号带宽外某一频率的大幅度相位调制信号，通过分离随机漂移和信号项，消除随机漂移对传感信号的影晚。楣位调铡信号可以遵过在参考臂中搬入穗位调制器或调制光频的方式获褥，称调频（），它便于实现传感部分的全光化和信号怨瀵豹数字化。僵它对光源要求较高，焉虽必须使用非平衡干涉仪，使得系统对光源的相位噪声比较灵敏。调制解调需要应用数字信号处理器实瑷复杂的售号处理算法，超长踅离髂于涉鍪分窍式光纤传感系统要求检测系统有高速信号处理速度、多路信号的处理速度要求精确同步，数字式检测系统缀难达囊这些要求。×藕合器解调法喵中干涉仪的输出信号同时包括妒和驴，因此从根本上消除了出现信号宪全消隐的越能。它不需要任禽肴源

5、器件，瞧无需调制光源，实现了真谁的无源检测。由于不需要光稷差，消除了光源相位噪声的影响，而且可以使用缀槽于光源，大大降低了成本。勇终，它酶动态范围非常大，最大可检测信号可以达到几百甚至上千弧度，两只有几个弧度。但是，×藕合器解溺法需要稔测系统精确地实现三焦函数关系，导致系统价格极其昂贵，高性能的×藕含器制作越来也非常困难，使得这种方法的发展受到了一定限制，僵可以肯定的魑，这是一种非常有发展潜力的检测方法。合成舶差检测魁近来采用较多的棚位检测方法。它不用复杂他的光路，丽采用较复杂的电路处理系统，经压电元件反馈到光路中起到布喇格盒的同等终薅。合成秘差检测的优点爨避免了使光路复杂

6、仡的布喇格盒，但伴隧的缺点怒裙移和振幅失配，产生的输出信号不是个纯粹的外差信号，从而导致调翱鉴别器输出劣化，并限制了最小可测信号，另外合成外差检测法口幻结构复杂，功耗很大，系统调试比较困难。差分延迟外差检测¨朝是通过光源获褥一列在相藏很小的个频率间来回切换的光脉冲，躺臂差远远大于光源相干长度，且两臂的延迟等于光脉冲时瓣翔隔时，探溅器输畿一期弥；枣外差信号。差分延迟外差检测克服了真外差需要声光移频器和伪外嫠需要调制光频的缺点，实现了真正的无源检测，毽缺点是必须爱擐长穗子光源，显对光源的穗位噪声非常敏感。光程补偿外差检测是通过另加一个干涉仪进行光程李偿从两实现裙于检测的一种方法。光源发出

7、的光经过个耦合器后产艇列光波，当个干涉仪臂麓相等，且远大于光源相干长度时，只有是过的光稷攘同且羧率不同的列光波才会发生干涉，最后得到外差信号。它的优点是传感部分没有有源器件。由于进行了光程补偿，可以使用相干长度授小的光源，大大降低了成本；毒偿予涉获可以远离传感部分，实现远程探测。它的缺点是必须使用个干涉仪，而且声光移频器的使用会引人额羚酶噪声。相位跟踪检测形式简单、易于调控，可以用模拟电路燕现信号快速处理，不存在多路倍号处理速发的囝多闫题，适合矮子超长距离的干涉型分布式光纤传感系统。相位跟踪系统的基本设计及分析相位跟踪检测是一种主动相位补偿的方法，分为壹流相位跟踪（）和交流棚位跟踪（）种

8、68;。它们都是乖震于涉仪的输出信号产生个反馈控制信号，将其作用在干涉仪中的相位调制器上进行摆位补偿。由此可以看出，相位跟踪系统由电路系统穰光纤相位调制器组成。电路系统设计电路系统豹示意匿如图所示。图中，光电二极管的输磁在差动放大器中完戚合并，该放大器除起放大作用外，还起抉模抑制作用。它的后面接了两级积分放大器。这溪缀积分放大器可通避从壹漉翔所希望的最高频率的所有信号。光电二极管电路复原带通橱出鍪援佼缀踪系统豹毫黪系统将两级积分放大器的输出被加到装有干涉仪参考臂的移摆器上，使参考謦审产生一个耀移，该相移抵消了传感臂中的相位漂移，使干涉仪保持平衡，同时使干涉仪始终处于正交状态。静偿电路赫猿号通过

9、一只裔逶滤渡嚣（滤去低频噪声）输出。该滤波器的低频极限被调在希望的攀串痔，等：予渗鳌竞野传惑器穗往跟踪检弼系统鹩褥究第卷（专稳）最低频率上。因此，干涉型传感器的输如是一个频繁，该额带裙应予希望的信号频率范醺。通常反馈电路和复位电路加到相移器上的电压电平为士熬皲。咖征仟多情况由温度藏压力变纯弓起的楱移振幅纥麓到捆移器上静±电压所产生的相移大得多（几百伏甚至上千伏）。因褥，必须始终监视移榴器上所加的电压到底有多大，翔栗达到电路的掇戳值，就必须迅速鲍使这些电路恢复到它能够重新启动的初始状态。这就是图中所示的复位电路的作用。这样，伴随大幅值慢漂移产生的裙位变讫被一些锯齿彩的夺禧僮裙位变化所补

10、偿，必须注意把复位过程中产生的噪声减到最小。党纤相位调制器相位调制器即移相器，其作用是通过一小段光纤改变光程长度。光纤相位调制器可以逶过对光纤某一部分长度或波导模的折射率进行外部调裁来实现。最常用的方法是在压电陶瓷管（）上绕若于圈光终，并稍稍拉紧，如图（）所示。通过在元件上加上电压，使其扩张或收缩，光纤就被控长或缩短，从而改变光程长度。对一根单模光纤，当爻一，圜管工终频率低予最低机械共振频率时，通过施加（）的反转电压，可产生”弧度的相移。若工作在机械共振频率，相移的调制瞩度可增加几个数量级。环氧树脂奇警声冀写彳眨彳望翌嚣翟声龟垄壁厂驴垄堑外簇意蔼卜臻号发生嚣鲎戮黼秘）圈光纤相位调制器圈（）是带

11、有共轴压电换能器的光纤相位调制器。光纤置于圆管的轴线上，圆管与光纤间充以声学材料（环戴树脂）。圆管工作于厚度模式，豳圆管薄壁产生的厚度谐振颓率的声波会聚于圆管中心，对纤芯施加压力，通过光弹效应使光纾的折射率受到调裁。铡如，壁厚力。，共振频率为时，能产生。的相使调制。图（）是教覆压电簿套懿毙纾褶位谖裁器。在光纤上被覆一层压电塑料外套，如聚偏二氟乙烯（），用外套的内外表面被覆众属膜作电极，在静濒电场的激励下，这器被覆的蹑瞧套就会对毙纤的相位进行调制。实验表明，采用厚度为肛的径向极化外套，在很宽的频率范围（激珏）考一致的频率响应，糯位调制系数为。小结干涉型光纤传感器具有极高的灵敏度，可以用手声波、磁场、温度等多种物理量的测量罐，糨谴检测技术研究对光纤传感器的发展歪关重要，相位跟踪检测方法是干涉型光纤传感器信号检测的一种重要方法，其有诸多优点。参考文献：】差，董，。，（：