（電磁場與微波技術(shù)專業(yè)論文）光纖傳感系統(tǒng)偏振控制與干涉臂補(bǔ)償研究.pdf

光纖傳感系統(tǒng)偏振控制與干涉臂補(bǔ)償研究 摘要 近年來，隨著傳感器朝著靈敏精巧、適應(yīng)性強(qiáng)、智能化的方向發(fā) 展，光纖傳感器這一傳感器家族的新成員，正由于其抗電磁干擾能力 強(qiáng)、安全可靠、靈敏度高、可構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點而受到更多地重視。 而在光纖傳感中，又以干涉型光纖傳感器的靈敏度最高，應(yīng)用最廣泛。 然而，干涉光偏振態(tài)變化導(dǎo)致的干涉信號衰落是干涉型光纖傳感器走 向?qū)嵱没耙鉀Q的問題之一。 論文的主要內(nèi)容是設(shè)計一個基于o p t e l l i o s 公司的偏振控制器 ( p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r , p c ) p c i 0 0 0 c 的偏振態(tài)控制系統(tǒng)，通過對輸入 光偏振態(tài)反饋控制來解決光波的偏振態(tài)不穩(wěn)定。首先是對干涉儀輸出 的干涉信號進(jìn)行采樣，然后進(jìn)入p i c 單片機(jī)進(jìn)行算法處理，之后輸出 控制信號給偏振控制器來調(diào)整光纖中光的偏振態(tài)。通過這種方法使得 輸入光的偏振態(tài)能夠?qū)崟r動態(tài)地跟蹤干涉儀本征矢量的變化，使兩者 的夾角盡量保持在零度的范圍，就能夠使系統(tǒng)較好地穩(wěn)定在最佳輸入 偏振態(tài)附近。 論文還設(shè)計了光纖傳感器的輔助系統(tǒng)，基于r t x m l 9 1 光收發(fā)模 塊的干涉臂長度差測量補(bǔ)償系統(tǒng)。從物理性能上讓兩個干涉臂的長度 盡量保持一致，避免因長度相差太大而引起更大的相干噪聲。 論文首先對干涉型光纖傳感器的原理以及輸入偏振態(tài)反饋控制 原理作了介紹，接著詳細(xì)介紹了基于p c i 0 0 0 c 的偏振態(tài)控制系統(tǒng)的 軟硬件設(shè)計，并在集成開發(fā)環(huán)境( m p l a b ) 中用c 語言開發(fā)程序。 最后詳細(xì)介紹基于r t x m l 9 1 的干涉臂長度差測量補(bǔ)償系統(tǒng)的軟硬件 設(shè)計和在集成開發(fā)環(huán)境下用v h d l 語言編程和仿真。所有的原理圖 和印刷電路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 設(shè)計都在e d a 設(shè)計環(huán)境下 完成。 關(guān)鍵詞：光纖傳感器，偏振態(tài)控制，干涉臂補(bǔ)償，p c i 0 0 0 c t h es t u d yo fp o l a i u z a t i o nc o n t r o l l i n g a n dc o m p e n s a t i o no fi n t e r f e r o m e t i u c a r m si nf i b e ro p t i c a ls e n s o rs y s t e m a b s t r c t i nt h er e c e n ty e a r s ，a ss e n s o r ss y s t e mb e c o m em o r e i n t e l l i g e n t ， s e n s i t i v ea n dp o w e r f u l ，t h ef i b e ro p t i c a ls e n s o rs y s t e m ，w h i c hi san e w o n ei ns e n s o rf a m i l y , i sb e i n gm o r ep o p u l a r , d u et oi t ss a f e t y , s e n s i t i v i t y a n dt h ea b i l i t yt ob u i l dt h es e n s o rn e t w o r k w h a t sm o r e t h ef i b e ro p t i c a l s e n s o rb a s e do ni n t e r f e r o m e t e rh a st h eh i g h e s ts e n s i t i v i t ya n da p p l i c a t i o n h o w e v e r , t h ef a d i n go fi n t e r f e r o m e t r i cs i g n a lb r o u g h tf r o mt h ec h a n g eo f p o l a r i z a t i o ns t a t eo fi n p u tl i g h ti st h ek e yp r o b l e mb e f o r et h ef i b e ro p t i c a l s e n s o rg o e st ot h em a r k e t t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri st od e s i g nap o l a r i z a t i o nc o n t r o l l i n g s y s t e mb a s e do np c 10 0 0 c ，ap o l a r i z a t i o nc o n t r o ll e ro fo p t e l l i o s w i t h t h es y s t e m ，t h ep o l a r i z a t i o ns t a t ew i l lb e c o m em o r es t a b l e f i r s to fa 1 1 t h e i n t e r f e r o m e t r i c s i g n a l w i l lb es a m p l e d t h e nt h ed a t ai ss e n tt o m i c r o c o n t r o l l e ra n dp r o c e s s e db ys o m ea l g o r i t h m l a s t l y , t h ec o n t r o l l i n g s i g n a lw i l lb es e n tt op c 10 0 0 ct oc o n t r o lt h ep o l a r i z a t i o ns t a t eo ft h e i n p u tl i g h t i nt h i sw a y , t h ep o l a r i z a t i o ns t a t eo fo u t p u tl i g h tc a nf o l l o w t h ec h a n g eo fi n t e r f e r o m e t e re i g e n v e c t o rd y n a m i c a l l yi no r d e rt ok e e p t h e i ra n g l ea tt h es c o p eo fz e r o t h es y s t e mc a nk e e pt h ep o l a r i z a t i o n s t a t eo fi n p u ts i g n a lo p t i m u m t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e sa n o t h e ra s s i s t a n ts y s t e m ，b a s e do n o p t i c a l t r a n s c e i v e rm o d u l er t x m 19 1 t h eg o a li st om e a s u r et h ed i f f e r e n c eo f i n t e r f e r o m e t r i ca r m s t h el e n g t ho ft w oi n t e r f e r o m e t r i ca r m sw i l l k e e p s a m ea sm u c ha sp o s s i b l et oa v o i dl a r g ec o h e r e n tn o i s e t h et h e o r yo ff i b e ro p t i c a ls e n s o ra n dt h ef e e d b a c ks t r u c t u r eo f p o l a r i z a t i o ns t a t eo fi n p u tl i g h tw i l lb ef i r s td i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e n ， t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h es y s t e mb a s e do np c10 0 0 cw i l lb ei n t r o d u c e d t h ec o d ei sd e v e l o p e dw i t hcl a n g u a g ei nm p l a b ( i n t e g r a t i o n d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) l a s t l y , t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h es y s t e m b a s e do nr t x m191 al i g h tt r a n s c e i v e r , w i l lb ei n t r o d u c e d t h ec o d e w i t hv h d l l a n g u a g ei sd e v e l o p e di nq u a r t u s - i i a l lt h eh a r d w a r ed e s i g n i n c l u d i n gs c h e m a t i cd i a g r a ma n dp c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) a r ed e s i g n e d i ne d as o f t w a r e k e y w o r d s ：f i b e r - o p t i cs e n s o r , p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l i n g ，c o m p e n s a t eo f i n t e r f e r o m e t r i ca r m s ，p ci0 0 0 c 獨創(chuàng)性( 或創(chuàng)新性) 聲明 本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學(xué)或其他 教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名：璽妾j b 牝 日期：2 豎蘭l l 幺 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 學(xué)位論文作者完全了解北京郵電大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬北京郵電大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保 留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許學(xué)位論文被查閱和借 閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它 復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。( 保密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定) 保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密在年解密后適用本授權(quán)書。非保密論 文注釋：本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書。 本人簽名：三魚j l 峰 日期：z 塹笙l 墨l 導(dǎo)師簽名： 同期：2 奎上。f ， i 北京郵電大學(xué)顧1 ：論文 1 1 引言 第一章緒論 傳感器是感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號的器件或裝 置，它在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)等各個領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大作用。近十幾 年來，傳感器的產(chǎn)量及市場需求的年增長率均在1 0 以上。傳感器技術(shù)作為當(dāng)今 世界迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)之一，已經(jīng)成為一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要 標(biāo)志。 在光通信系統(tǒng)中，光纖是用做遠(yuǎn)距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。在實際光傳輸過 程中，光纖易受外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力和機(jī)械擾動等環(huán)境條件的變 化將引起光波量，如發(fā)光強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn) 如果能測出光波量的變化，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的物理量的大小，于 是出現(xiàn)了光纖傳感器。 自2 0 世紀(jì)7 0 年代以來，光纖傳感器取得了飛速發(fā)展。由于它獨特的優(yōu)點， 決定了可實現(xiàn)某些特殊條件下的測量工作，比常規(guī)檢測技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，是傳 感技術(shù)發(fā)展的一個主導(dǎo)方向。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有以下的優(yōu)勢 【l 】：第一，光纖是非電介質(zhì)，耐高壓，抗腐蝕，能在電磁或電子傳感器不能工作 的惡劣環(huán)境下運行；第二，光波的傳播頻率極高，具有巨大的信息容量，又能有 效的防止無線電波及電火花對被傳輸?shù)墓忸l信號產(chǎn)生感染；第三，光纖很細(xì)，又 具有極高的韌性，可以制造各種體積小，重量輕以及任意形狀的傳感器；第四， 光纖傳感器和光纖遙測及通信技術(shù)有內(nèi)在的兼容性，使得信號傳輸和信號處理變 得很容易。更重要的是光纖傳感器可以傳感各種物理量，例如聲，電、磁、溫度、 壓力、振動、旋轉(zhuǎn)等，并具有極高的靈敏度，所以光纖傳感器正引起工程界的重 視。光纖傳感技術(shù)代表了新一代傳感器的發(fā)展趨勢。光纖傳感器產(chǎn)業(yè)已被國內(nèi)外 公認(rèn)為最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，它以技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲 透能力強(qiáng)、市場前景廣等特點為世人所矚目。 光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域和人們的日 常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存 在的技術(shù)難題，具有很大的市場需求。軍用光纖傳感器需求量也相當(dāng)大，目前主 要集中在光纖陀螺、光纖水聽器、光纖加速度傳感器和光纖壓力傳感器，它們應(yīng) 用遍及陸、海、空三軍，預(yù)計將有8 0 億人民幣的市場需求。 目前，在美國、歐洲及同本等國家，光纖傳感器已進(jìn)入商品化階段。隨著光 北京郵i u 人學(xué)f o j ；ij ：論文 纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器的性能越來越好，y a m a t a k e h o n e y w e l l 公司為電子和 半導(dǎo)體工業(yè)提供了應(yīng)用很廣的h p x 系列光纖傳感器。i d e ci z u m i 公司推出了s a i c f u 系列模擬傳感器，用于水污染和混濁度監(jiān)測。日本富士公司推出光纖式網(wǎng) 絡(luò)總線( o p t i c a lf i e l d b u ss y s t e m ) 為工業(yè)自動化提出標(biāo)準(zhǔn)而優(yōu)秀的光纖傳感器網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)，并推出了光纖壓力表、流量計、溫度計等一系列工業(yè)自動化應(yīng)用的光纖 傳感器。國際光纖傳感器從八十年代起以平均每年4 0 左右的速度在遞增，19 9 6 年銷售額達(dá)5 0 5 億美元，2 0 0 6 年達(dá)6 0 億美元，預(yù)計到2 0 0 9 年將達(dá)到1 0 0 億美 元。 我國在2 0 世紀(jì)7 0 年代末就開始了光纖傳感器的研究，其起步時間與國際相 差不遠(yuǎn)。目前，已有上百個單位在這一領(lǐng)域開展工作，如清華大學(xué)、武漢理工大 學(xué)、重慶大學(xué)、核工業(yè)總公司九院、電子工業(yè)部1 4 2 6 所等。他們在光纖溫度傳 感器、壓力計、流量計、液位計、電流計、位移計等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取 得了上百項科研成果，其中相當(dāng)數(shù)量的研究成果具有很高的實用價值，有的達(dá)到 世界先進(jìn)水平。但是與發(fā)達(dá)國家相比，我國的研究水平還有不小的差距，主要表 現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè)化方面，大多數(shù)品種仍處于實驗室研制階段，不能投人批量生 產(chǎn)和工程化應(yīng)用。應(yīng)該加大對傳感器技術(shù)研究、開發(fā)的投入，縮短我國傳感器技 術(shù)與國外的差距，促進(jìn)我國儀器儀表工業(yè)和自動化技術(shù)的發(fā)展【2 】。 光纖傳感器可分為傳光型( 非功能型) 和傳感型( 功能型) 兩大類【3 j 。在傳 光型光纖傳感器中，光纖僅起到傳輸光波的作用，必須在光纖端部或中間安裝其 他敏感元件才能組成完整的傳感器；而傳感型光纖傳感器則利用光纖本身的敏感 特性進(jìn)行工作。對于傳感型光纖傳感器，由光源發(fā)出的光在光纖中傳播時，若應(yīng) 力、溫度、電場、磁場等外界因素發(fā)生了變化，則光波的振幅、相位、波長及偏 振態(tài)等特征參量就隨之變化，該過程稱為光波的調(diào)制。含有調(diào)制信息的光波經(jīng)光 纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換部分，解調(diào)后被儀器接收，即可得到外場確切變化的信息。根 據(jù)被測量對光的調(diào)制方法不同，傳感型光纖傳感器可分為強(qiáng)度傳感器，頻率( 或 波長) 傳感器，相位傳感器及光纖偏振式傳感器四大類。其中尤其以光纖相位傳 感器( 即各種光纖干涉儀) 的靈敏度最高。干涉型光纖傳感器就屬于這一類，它 通過檢測由調(diào)制光信號的相位改變引起的輸出效果( 如光強(qiáng)) 的變化而獲得外場 信息，從而達(dá)到傳感目的。2 0 世紀(jì)7 0 年代低損耗光纖出現(xiàn)以后，干涉型光纖傳 感器的研制有了長足進(jìn)展，并很快得到實際應(yīng)用。 1 2 干涉型光纖傳感器原理介紹 對光干涉進(jìn)行測量的儀器很多，通常采用的干涉儀主要有四種：邁克爾遜干 涉儀、馬赫一澤德干涉儀、塞格納克干涉儀和法布里一珀羅干涉儀【2 1 。 北京郵電大學(xué)碩上論文 光學(xué)干涉儀的共同特點是它們的相干光在空氣中傳播，由于空氣受環(huán)境溫度 變化的影響，引起空氣的折射振動及聲波干擾。這種影響都會導(dǎo)致空氣光程的變 化，從而引起干涉測量工作的不穩(wěn)定，以致準(zhǔn)確度降低。若利用單模光纖作干涉 儀的光路，就可以排除上述影響，并可以克服光路加長時對相干長度的嚴(yán)格限制， 從而可以制造出千米量級光路長度的光纖干涉儀。在這些干涉儀中是以光纖作為 相位調(diào)制元件( 傳感器) ，被測物理量作用于光纖傳感器，導(dǎo)致其光纖中光相位 的變化或光的相位調(diào)制，再用干涉技術(shù)把相位變化變換為振幅變化，從而還原所 檢測的物理量。 論文研究的分布式干涉型傳感器正是這種利用單模光纖作為干涉臂的馬赫 澤德干涉儀結(jié)構(gòu)來檢測信號的變化。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 1 所示： b c 4 d 圖1 1 光纖傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖1 1 中左側(cè)部分為系統(tǒng)的光發(fā)射接收模塊，主要包括激光器、p i n 管和耦 合器；右側(cè)部分為系統(tǒng)的傳感監(jiān)測部分，主要包括傳感光纖f i b e r l 、f i b e r 2 和引 導(dǎo)光纖f i b e r 3 ，其中f i b e r l 和f i b e r 2 長度相等。 在實際的系統(tǒng)中，f i b e r l 、f i b e r 2 和f i b e r 3 是放在同一根光纜中，這三根光 纖的長度相等，光的發(fā)射接收模塊處于同一塊板卡上。 激光器l d 發(fā)出的光經(jīng)耦合器c 1 分為a 、b 兩束，b 束光經(jīng)耦合器c 2 分為 兩束光分別在f i b e r l 、f i b e r 2 中傳輸，然后經(jīng)耦合器c 4 干涉后由f i b e r 3 傳送到 p i n l 處進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；a 束光經(jīng)過耦合器c 3 和f i b e r 3 傳輸，由耦合器c 4 分為 兩束光并在耦合器c 2 處干涉，最終在p i n 2 進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。 當(dāng)傳感光纖f i b e r l 、f i b e r 2 受至0 外力作用時時，光纖會發(fā)生形變，對信道中 的信號起到相位調(diào)制作用【4 j 。a 、b 兩束光除了傳輸?shù)姆较虿煌?，其它的條件都 相同，理想狀況下p i n l 和p i n 2 接收到的信號的差別只是一個時延差。信號可 表示為： 北京郵l u 人學(xué)頌i ：論文 h ) = s ( ( 1 1 ) 【s 2 ( f ) = s ( t t o ) 其中靠為兩路信號的時延差。 如圖1 - 1 所示，假設(shè)f i b e r l 、f i b e r 2 和f i b e r 3 的長度為l ，外力作用的位置 距p i n 2 為x ，則該位置距p i n l 為2 * l x 。設(shè)時延差為礎(chǔ)，信號在光纖中的傳 輸速度為y 。n - a t ：2 ( l - x )( 1 2 ) v 此時，則有： x ：2 l - a t * v( 1 3 ) 2 由式( 1 - 3 ) 式可知，只要求出時延差，就可以得到外力發(fā)生的位置。 系統(tǒng)就是基于以上原理來進(jìn)行定位監(jiān)測的。為了計算出時延，系統(tǒng)使用互相 關(guān)函數(shù)分析法對信號進(jìn)行分析?；ハ嚓P(guān)函數(shù)分析法是分析求取兩個信號之間的時 間差的一個重要的方法。對于連續(xù)實信號來說，兩個函數(shù)的互相關(guān)函數(shù)為【5 】： r 1 2 ( r ) = e s i ( t ) s 2 ( f + f ) a t ( 1 4 ) 對于離散信號，則為： k = r i ，2 ( ，z ) = s l ( j j 弦2 ( 尼+ 刀) ( 1 5 ) k = o 根據(jù)相關(guān)函數(shù)取峰值時偏移量f 或n 值，可得到兩路信號的時延差礎(chǔ)，根據(jù) 式( 卜3 ) 可得到外力作用的位置信息，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的定位功能。 1 - 3 干涉型光纖傳感器關(guān)鍵技術(shù) 能投入實際應(yīng)用的干涉型光纖傳感器，必須具有極高的靈敏度，很大的動態(tài) 范圍，盡可能高的信噪比，同時在長期特定的工作環(huán)境下具有良好的光學(xué)穩(wěn)定性， 否則就談不上有實用價值。從技術(shù)發(fā)展過程可以看出，雖然有關(guān)理論和實驗室研 究工作早就達(dá)到較完善水平，但是可以說能真正投入實用的可靠系統(tǒng)直到9 0 年 代初期才得到報道，中間經(jīng)歷了相當(dāng)長的時期，直到今天仍然不能說到了完全成 熟的地步。究其原因，光波在普通低雙折射單模光纖中傳輸時偏振態(tài)的隨機(jī)變化 導(dǎo)致干涉信號的不穩(wěn)定是至今難以有效克服的難題之一。 在光纖傳感技術(shù)中，干涉型光纖傳感器有極高的靈敏度，但光纖干涉儀的傳 感靈敏度與傳感光纖的長度成反比。在一般的低雙折射光纖雙束干涉型傳感器 中，傳感器光纖和遙測中引出的光纖越長，兩臂光纖受到的外界環(huán)境的影響也越 4 北京郵電人學(xué)碩：t 論文 大，其結(jié)果是加劇光纖干涉儀傳感信號由于相位漂移和光波偏振態(tài)變化引起的衰 落。前者可以通過各種檢測方式加以消除，后者原則上可以采用保偏光纖技術(shù)加 以解決。由于目前保偏光纖耦合器的成本很高，技術(shù)本身也不完善，尤其是保偏 光纖的損耗大，所以一般用于制作較長干涉型光纖傳感器的光纖都是用普通的低 成本單模光，偏振光在其中傳輸時由于光纖本身的弱雙折射效應(yīng)，將引起光纖中 傳輸光的偏振態(tài)發(fā)生隨機(jī)變化，有時會導(dǎo)致輸出光干涉條紋可見度的減小，這將 引起待測信號幅度的減小，特別是當(dāng)光纖干涉儀兩臂中的偏振態(tài)正交時，干涉儀 的輸出干涉信號完全消失，這就是“偏振誘導(dǎo)信號衰落”現(xiàn)象，它已成為干涉型光 纖傳感器實用化亟待解決的問題之一。 “偏振誘導(dǎo)信號衰落 的問題早就被提出來了，并且也有不少解決方案的報 道，從對輸入引導(dǎo)光纖或干涉儀兩臂中光的偏振態(tài)進(jìn)行自動或人工控制到在接收 端采用分集檢測技術(shù)，從采用對輸入光的偏振態(tài)進(jìn)行反饋控制技術(shù)到采用保偏光 纖，還有用到法拉第旋光器、旋轉(zhuǎn)波片等等。這些方案在實驗室中也已經(jīng)取得了 一定效果，至于完全實用化可靠的偏振控制技術(shù)，目前還沒有具體的報道。利用 輸入偏振態(tài)反饋控制來消除偏振誘導(dǎo)信號衰落是目前比較理想的一項技術(shù)。隨著 基于新型電光晶體材料的超小型、高速、無極的電控偏振控制器技術(shù)水平的發(fā)展， 使得高速、低電壓驅(qū)動和無極的偏振檢測與控制成為可能，這也使得利用這種新 型偏振控制器來消除光纖干涉環(huán)結(jié)構(gòu)中的偏振誘導(dǎo)信號衰落成為可能。 另外，在對干涉接收的光譜信號進(jìn)行分析時如用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，一般 不能保證處理的實時性。由于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的算法會花費大量的時間，并且在進(jìn) 行數(shù)據(jù)處理的時間內(nèi)不能同時采集信號，這樣造成信號的丟失，從而使得傳感系 統(tǒng)的可靠性和精確性受到很大的影響。因此，有必要對數(shù)據(jù)處理的相關(guān)算法進(jìn)行 優(yōu)化并利用性能較高的硬件來實現(xiàn)大容量和高速的數(shù)據(jù)處理，以保障對信號處理 的高精度和實時性。 1 4 輸入光偏振態(tài)反饋控制原理介紹 光纖傳感系統(tǒng)中控制偏振態(tài)的目的是為了讓干涉儀中干涉光可見度保持在l 的范圍，具有良好的可見度才能提高定位精度，通過輸入光偏振態(tài)反饋控制是現(xiàn) 在光纖傳感系統(tǒng)中解決“偏振誘導(dǎo)信號衰落”問題的方法之一，具有良好的性能。 橢圓偏振態(tài)可以表示為在邦加球上的一個延遲算子和相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度。在馬 赫一澤德干涉儀中，設(shè)傳感臂和參考臂的延遲算子分別為尺。( q ) 和尺，( q ) ，則 尺( q ) = 尺，尺_(dá) 1 稱為干涉儀兩臂雙折射差的延遲算子。如圖1 2 所示，輸入偏 振態(tài)c 繞q 旋轉(zhuǎn)( 為簡化起見，文中記為q ) 后的點c 之間的夾角等于干涉儀 兩臂偏振態(tài)e 和c r 的夾角2 7 ，c o s r 即為干涉儀的可見度。 北京郵電火學(xué)碩i ：論義 只舡s 圖卜2 邦加球上延遲算子與可見度的關(guān)系 在圖1 2 中所示的平面三角形a o c , c ；和平面三角形a o 。g q 中，由余弦定理 推出干涉儀的可見度為l o j ： y = c o s r ：扛磊萬i 面i ( 1 6 ) 從上式可見，如能對輸入偏振態(tài)g 進(jìn)行控制，使之與r 的方向重合，即 在0 0 或者18 0 0 附近，就能使光纖干涉儀的可見度接近在l 的范圍。 偏振反饋控制方案是在干涉儀的輸入端接入具有調(diào)控能力的偏振控制器，通 過從干涉儀輸出端獲得反饋控制信號，控制偏振控制器的工作狀態(tài)，使得干涉儀 輸入光的偏振態(tài)與干涉儀的本征矢量夾角0 保持在為o o 或者1 8 0 0 附近，即干涉 儀輸入光偏振態(tài)能夠跟蹤干涉儀本征矢量的變化，從而實現(xiàn)偏振態(tài)的動態(tài)控制。 圖卜3 偏振反饋控制結(jié)構(gòu) 圖1 3 所示為具有反饋控制功能的干涉儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：偏振控制器、 光纖m a t h z e h n d e r 干涉儀、可見度監(jiān)測器或者光功率計、反饋控制系統(tǒng)。 偏振控制器在反饋控制信號的作用下，控制干涉儀輸入光的偏振態(tài)，跟蹤干 涉儀本征矢量變化，使干涉儀輸入光偏振態(tài)與干涉儀的本征矢量夾角秒保持為0 0 或者1 8 0 0 ；激光器出來的光信號通過偏振控制器( p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ，p c ) ， p c 上加載有正弦信號，通過p c 對干涉光儀的偏振念調(diào)整功能，可在干涉儀輸 出端產(chǎn)生光強(qiáng)的變化，便于對條紋可見度或者功率進(jìn)行測量：干涉儀輸出端的探 測器用于監(jiān)測條紋可見度或者功率的變化，并把變化量送人反饋控制系統(tǒng)；反饋 控制系統(tǒng)根據(jù)可見度的變化量獲得控制信號，并將控制信號送入偏振控制器，控 6 北京郵i u 人學(xué)碩1 ：論文 制偏振控制器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對輸入光偏振態(tài)的控制。 1 5 論文的主要內(nèi)容 論文的工作主要有兩部分： l 、設(shè)計了基于p c i 0 0 0 c 的偏振態(tài)控制系統(tǒng)。包括單片機(jī)處理器、a d c 模 塊、系統(tǒng)配置模塊、前置濾波放大模塊和d a c 模塊。在e d a 下完成了原理圖 和p c b 的設(shè)計，并對一些關(guān)鍵布線作了仿真計算。在集成開發(fā)環(huán)境下編譯并移 植了m i c r o c o s i i 系統(tǒng)。通過在線調(diào)試功能，測試了內(nèi)核的可靠性和正確性。 同時用c 語言編寫了數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換( a n a l o g t od i g i t a l ，a d ) 程序、基于功率 計算的算法處理程序、控制信號輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換( d i g i t a lt oa n a l o g ，d a ) 程序。 2 、設(shè)計了基于光收發(fā)器r t x m l 9 1 的對干涉臂長度差進(jìn)行測量和補(bǔ)償?shù)南?統(tǒng)。包括調(diào)制編碼模塊、f p g a 配置模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊和光收發(fā)器配置模塊。 在e d a 下完成了系統(tǒng)的原理圖和p c b 設(shè)計。在q u a r t u s i i 開發(fā)環(huán)境下用v h d l 語言編寫系統(tǒng)程序，最后通過仿真和調(diào)試得出實驗結(jié)果。 論文第一章對光纖傳感器做一般性的介紹，對干涉型光纖傳感器的原理及其 關(guān)鍵技術(shù)和輸入偏振態(tài)反饋控制原理進(jìn)行了介紹描述。論文第二章詳細(xì)介紹了偏 振控制系統(tǒng)各個模塊的硬件設(shè)計和程序及算法的實現(xiàn)。第三章詳細(xì)介紹了偏振控 制的輔助系統(tǒng)，基于r t x m l 9 1 的對干涉臂進(jìn)行測量補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)的軟硬件設(shè)計， 并通過實驗得出結(jié)論。第四章對論文的工作進(jìn)行了總結(jié)并明確了日后工作的方 向。 7 北京郵電人學(xué)傾i ：論文 第二章偏振態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計 2 1 偏振控制器p c i 0 0 0 c 介紹 o p t e l l i o sp c i 0 0 0 c 偏振控制器是一個電驅(qū)動，可以實現(xiàn)任意偏振態(tài)輸入到任 意偏振態(tài)輸出的偏振控制器，通過有效的反饋控制，這個偏振控制器可以用于鎖 定輸出偏振狀態(tài)到一個固定的狀態(tài)，無論輸入偏振態(tài)是什么樣的狀態(tài)。這個偏振 控制器也可以用于偏振相關(guān)損耗( p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ，p d l ) 的測量，同 時，也可以用作一個偏振擾頻器。p c i 0 0 0 c 偏振控制器的運行驅(qū)動電壓差不多 為3 v 。這個偏振控制器的管腳可以很容易地安裝在一個電路板上。很低的控制 電壓和極低的功率損耗可以實現(xiàn)設(shè)計的靈活度，從而達(dá)到要求的使用性能。 p c i 0 0 0 c 偏振控制器可以為整個的電信領(lǐng)域的帶寬進(jìn)行優(yōu)化，在一個光連接器 的頻譜范圍上，這個偏振控制器同樣可以作為一個標(biāo)準(zhǔn)的器件應(yīng)用【7 】。 p c i 0 0 0 c 技術(shù)指標(biāo)規(guī)格如表2 1 所示，可見其偏振控制器的中心波長為 1 5 5 0 n m 和1 31 0 n m 。 表2 - 1o p t e l l i o sp c i 0 0 0 c 指標(biāo)參數(shù)【7 1 & r f o r m a n c ed a t a p a r a m e t e r ，；霧i 。臻一v a l u e7 弘哆墨謬ic o m m e n t - 棼銹：謦笏j 緲07 ，；? “：，；縱籬；鑲 l n s e m o i ql o s s1 8d be x c l u d i n go o n n e c t o ro rf u s i o ns p l i c el o s s e x t i n c t i o nr a u o 。：童 3 0d b ：戮：一 ，一一，。，。二臻 r e t u r nl o s s 5 0d bm e a s u r e df r o mi n p u ts k l e p m d- 7 ，i o 0 2p s 7 l，7 ”+ “，4 緩 m a x o p t i c a lp o w e r 2 3d b m t e s t e du r l d e r2 6d b mo p t i c a lp o w e rf o r3 0m i n id i m e n s i o n s + 4 4 x 1 9 x 1 0m me x c l u d i n gs t r a 軌r e l i e f b o o t s i ? ? 。z i ；，：j ? ? 豫 p o w e rc o n s u m p t i o n 1m w ，一。 。 一一 j o p e r a t i n g t e m p 。0 t 0 6 0 c? 。t o “i ：鼉j 一j ? ! j j j 。； f j f ，_ z 該 s t o r a g et e m p 。 - 4 0t o + 8 5 c 通常來說，p c i 0 0 0 c 偏振控制器的運行需要同時獨立的使用6 個管腳來進(jìn) 行交流控制，受限的操作有可能使用更少的管腳的控制信號。在這些情形之中， 沒有用到的管腳連接到公共地。p c i 0 0 0 c 偏振控制器的控制信號輸入不需要直 流偏置電壓?？刂菩盘栆螅?表2 - 2o p t e l l i o sp c i 0 0 0 c 的控制信號1 7 p a r a m e t e r s i q n a lc h a n n e ic ：o u n t s i g n a l 磷a v e f o r r n f r e q u e n t y a m p i i t u d e m , = i x l i i i u i i ia m p l i t u d e v a l u e 、，； 6 s q u a r eo rs i n o s o l d a l 0 5 - 2k h z 1k h zi e c , 0 1 1 1 m e d d e d ) 1 - 3 v m a n u a l ) ；0 - 5 v r a n d o m ) 1 0 v 北京郵電大學(xué)碩1 j 論義 每一個信號都是控制輸出的偏振態(tài)來圍繞一個特殊的軸旋轉(zhuǎn)，相鄰信號控制 偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)的軸是相互正交的。 p c i 0 0 0 c 正常工作在1 k h z 的電壓下，通過改變電壓幅度來控制偏振態(tài)，旋 轉(zhuǎn)2 x 的電壓范圍大約是1 v - 2 5 v 。以下曲線的數(shù)據(jù)是由偏振分析儀測試而得， 測試的數(shù)據(jù)為斯托克斯向量& ，墨，最，墨，其值表示為： s o = 硪+ e ：o 墨= 硪一e o阻1 、 芝= 2 e o e 加c o s a 島= 2 e o e os i n a 其中e 。，e ，。分別表示兩個偏振方向上的幅度，表示偏振片的快慢軸的延遲 角，即角伊?？梢钥吹?，只要測試出足和最的值，就可以計算出的值，從而 就可以得出控制電壓v 與偏振片的快慢軸的延遲角緲( ) 之間的關(guān)系。 由此可見，上述的s o ，墨，島，墨中的墨，是，島可理解為一個球坐標(biāo)系 中的坐標(biāo)軸，此球就是邦加球，其關(guān)系為：霹= 砰+ 簧+ g ，即甌表示歸一化 光功率，其值為1 。 測試方法是，使用產(chǎn)生信號頻率為1 k 的信號發(fā)生器發(fā)出的電壓作為偏振控 制器p c i 0 0 0 c 的控制電壓，用面包板制作一個簡單的電路( 偏振控制器p c i 0 0 0 c 在此面包板上) ，每次很小地改變一下信號發(fā)生器的信號電壓幅度，然后通過偏 振分析儀記錄下斯托克斯向量：甌，墨，墨，最的值，以及邦加球上的表示偏 振態(tài)的圓。在以下的圖中，選取偏振片快慢軸的延遲角為縱坐標(biāo)，選取v r m s 為 橫坐標(biāo)。( 需要聲明的是，因在此之前有人在不同的平臺上已經(jīng)有類似的解決方 案，所用的是同樣的偏振控制器p c i 0 0 0 c ，已對其管腳作了詳細(xì)的測試，故在 此引用其測試結(jié)果，并在參考文獻(xiàn)處作了引用聲明。) 鬈 ： 羹 薹 踅田 v r t r 囂 i，。氟j 覯。 a 管腳2 的測試 9 、l 觸：n 。i _ 。盤 b 管腳3 的測試 3 2 2 1 1 o o 夢，、讎娥罾l瑚蠱蓮軸 北京郵l 乜人學(xué)碩_ j 二論文 c 管腳4 的測試 4 敷豁，? 如慨船。：戔 ，。屯西魄t n l 臻蕩舢。j ? ? r i j k n ，畦疆 d 管腳5 的測試 圖2 - 1p c i 0 0 0 c 的管腳測試【s 】 從測試所得的圖來看，可以大概知道各個管腳對相位的影響。在管腳2 中， 1 3 v - 2 3 v 之間( 偏振圓旋轉(zhuǎn)2 5 個弧度) ，偏振片的快慢軸的延遲角是隨著控制 電壓而減小的。管腳3 的線性區(qū)為：1 v - 2 3 v ，在此區(qū)域，偏振片的快慢軸的延 遲角隨著控制電壓的變化呈下降趨勢。管腳4 的線性區(qū)大約在1 2 v 2 2 v 之間。 管腳5 偏振片的快慢軸的延遲角隨著控制電壓的變化呈上升趨勢。 如圖2 2 所示，系統(tǒng)中偏振控制器的位置為：p c i ( 以下簡稱偏振控制器 o p t e l l i o sp c i 0 0 0 c 為p c i 或p c 2 ) 放置在耦合器c 1 與耦合器c 2 之問的光路上， 其反饋連線是由光監(jiān)測器p i n l 通過一系列的反饋控制回路連接到其上，從而形 成第一條光路的偏振控制的反饋回路；p c 2 放置在耦合器c 2 與耦合器c 3 之間 的光路上，其反饋連線是由光監(jiān)測器p i n 2 通過一系列的反饋控制回路連接到其 上，從而形成第二條偏振控制的反饋回路。 4 圖2 - 2 偏振控制器位置示意圖 偏振控制器o p t e l l i o sp c i 0 0 0 c 在本系統(tǒng)中所起的作用就是偏振控制的作用。 在此系統(tǒng)中所謂偏振控制，就是通過采集光監(jiān)測器p i n 2 和p i n 2 所接收的光功 率，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，然后使其經(jīng)過p i c 單片機(jī)的算法處 理，最后通過一個數(shù)模轉(zhuǎn)換其得到控制電壓，此電壓連接到偏振控制器o p t e l l i o s l o 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 。： 暇罾!檄露暇犧0；， 北京郵電人學(xué)碩上論文 p c i 0 0 0 c 上從而完成偏振控制的功能。 偏振控制器o p t e l l i o sp c i 0 0 0 c 可以通過改變管腳的電壓從而改變其內(nèi)部波 片的相位延遲的角度，由此來改變輸出光的偏振態(tài)，這樣就完成了實現(xiàn)偏振控制 的角色。在本系統(tǒng)中只要對三個管腳施加電壓控制信號即可。 2 2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 干涉光偏振態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計是本文的主要內(nèi)容，硬件控制系統(tǒng)主要由三部 分組成，分別是：前置濾波放大、數(shù)據(jù)采集、處理器配置、控制信號輸出。 a d cp i cc o r e 圖2 3 偏振控制系統(tǒng)框圖 在光纖傳感系統(tǒng)中有參考臂和干涉臂兩個環(huán)路，因此需要對兩路信號都進(jìn)行 偏振態(tài)的控制。如圖2 3 所示，由馬赫澤德干涉儀所得的干涉條紋信號通過p i n 管得到電壓信號，之后通過一個運算放大器對信號進(jìn)行放大和濾波。然后由p i c 單片機(jī)集成的a d c 轉(zhuǎn)換器對模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在p i c 內(nèi)核里對數(shù)據(jù)進(jìn) 控制算法處理。得到控制信號因為仍是數(shù)字的，所以需要經(jīng)過d a c 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 為正弦信號來控制偏振控制器。 雖然，系統(tǒng)的實時性與m c u 的性能有很大的關(guān)系，但是處理算法的優(yōu)化仍 是提高速度的關(guān)鍵因素。 系統(tǒng)的主要特征： 1 ) 處理器：l o 位a d 的高性能增強(qiáng)型閃存8 位單片機(jī)p i c l8 f 4 5 2 ； 2 ) 前置運放：可調(diào)增益的低通濾波電壓反饋運算放大器o p a 6 9 0 ； 3 ) d a c ：8 路1 0 位并行電壓輸出a d 5 5 8 3 ，建立時間為5 u s ； 4 ) 偏振控制器：具有6 自由度的可控正弦波幅值的o p t e l l i o sp c i 0 0 0 c ； 5 ) r t o s ：采用微內(nèi)核系統(tǒng)m i c r o c o s i i ，創(chuàng)建并管理調(diào)度任務(wù)進(jìn)程； 2 2 1 電源電路 電源供給系統(tǒng)需要提供各個模塊的電源，包括：核心處理器模塊和d a 轉(zhuǎn)換 模塊等。p i c l 8 f 4 5 2 是電源適用范圍從2 0 v - 5 5 v ，開關(guān)電源提供紋波較小的電 北京4 忉乜人學(xué)碩：l 二論文 源，其他引腳也完全兼容t t l c m o s 電平，考慮到系統(tǒng)其他部分的電源要求， 部分?jǐn)M采用經(jīng)過濾波后的5 v 直流電源供電。對于前置濾波放大部分，采用的是 可調(diào)增益放大的o p a 6 9 0 ，其供電電壓為5 v ，就能夠提供在1 5 0 m h z 帶寬范圍 內(nèi)高達(dá)4 v 的電壓信號，此外它的驅(qū)動能力達(dá)到1 5 0 m a ，可以驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的要 求。對于a d c 部分的參考電源，它是集成在p i c 單片機(jī)里面的，前置放大器輸 入信號最高為4 v ，設(shè)計參考電壓v r e f = v d d = 5 v ，通過a d c 寄存器可設(shè)置此 值。在d a c 部分，參考上面對p c i 0 0 0 c 管腳測試的結(jié)果可知，各波片的相位延 遲角的線性變化范圍為1 0 v - 2 5 v 范圍，因此可設(shè)計此部分的參考電壓為v d d = 4 v ，v s s = 0 v 單通道供電，其d a c 輸出電壓的范圍就是0 v - 4 v 。同時，還需 考慮到板上存在數(shù)字和模擬共存，因此需要分割數(shù)字電源和模擬電源，數(shù)字地和 模擬地。采用磁珠去除高頻噪聲并進(jìn)行隔離，通過后期對于電源平面的分割完成 最終的分離，數(shù)字電源與模擬電源之間使用磁珠或者0 歐姆電阻相連。 電源和地輸入部分設(shè)計如圖2 4 所示： 一陌翮廣 i 。j l 線性i 一蘑三 i 霽羹p i 電疆i i f _ tk 戶覡于堰扳 i i 美i 擘墨絲毛卜h 審。 - _ - 一1 0 0 o 。一 圖2 - 4 硬件系統(tǒng)的電源設(shè)計 由于系統(tǒng)并不是很復(fù)雜，也沒有額外的存儲器，因此為簡單起見，采用兩層 板設(shè)計就可以滿足要求。數(shù)字地平面與模擬地平面之間使用磁珠或者0 歐姆電阻 相連。在板上存在兩種接地，一是數(shù)字模擬地平面作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)地平面，提供 一個穩(wěn)定的零電位參考點；二是在放大濾波和轉(zhuǎn)換器參考電壓等接口處的大地， 用于靜電泄放和系統(tǒng)穩(wěn)定的安全地。兩處的接地處理均采取了多點接地。對于模 擬和數(shù)字地平面，板上器件都直接在最近的地平面上接地，使接地引線長度最短。 這樣結(jié)構(gòu)比較簡單，而且板子工作在2 0 m h z 這種條件下，可以有效的減少接地 線上的高頻駐波。在最終檢查電路時，著重檢查了設(shè)備地平面的分割是否存在接 地環(huán)路，防止因壞路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢對系統(tǒng)造成影響。 其中，+ 4 v 電壓需要通過l d o 轉(zhuǎn)換得來，系統(tǒng)中采用了+ 5 v 轉(zhuǎn)+ 4 v 的轉(zhuǎn)換 芯片m a x 6 1 6 4 ，其輸出驅(qū)動電流最大為3 0 0 m a 。設(shè)計中采用磁珠來連接數(shù)字地 和模擬地，正如上所述，可以減少高頻逐波，進(jìn)而使可以使系統(tǒng)電源供給穩(wěn)定。 d v c c 、a v c c 、v r e f 分別是數(shù)字電源、模擬電源和參考電源，分別用l e d 在 板上顯示上電狀態(tài)。因為印刷電路板只有兩層，兩面都是用分割的數(shù)字地和模擬 1 2 北京郵電人學(xué)碩士論文 地，這樣的布局有效地抑制了電磁干擾等不理因素的影響，有良好的兼容性能。 2 2 2 復(fù)位電路 p i c l 8 f 4 5 2 支持以下幾種不同的復(fù)位方式： 1 上電復(fù)位( p o w e ro nr e s e t ) 2 在正常工作和休眠狀態(tài)下通過在外部m c l r 引腳上加低電平復(fù)位： 3 在正常工作狀態(tài)下監(jiān)視定時器w d t 超時溢出復(fù)出； 4 可編程的掉電鎖定復(fù)位( p r o g r a m m a b l eb r o w n - o u tr e s e t ) ； 5 r e s e t 指令復(fù)位； 6 堆棧滿( 上溢出) 和堆棧空( 下溢出) 復(fù)位； 當(dāng)芯片的供電電源v d d 上升到一定值時，即產(chǎn)生一個上電復(fù)位( p o r ) 脈 沖。為了利用p o r 電路特性，可以直接或者通過一個電阻m c l r 引腳與電源v d d 相連。這樣可以節(jié)省通常用于建立上電復(fù)