干涉型光纖傳感器的信號處理系統(tǒng)

1、干涉型光纖傳感器的信號處理系統(tǒng) 近年來，傳感器在朝著靈敏、精巧、適應性強和智能化、網絡化 的方向發(fā)展。 在這一過程中，光纖傳感器作為傳感器家族的新成員， 由于其優(yōu)越的性能而倍受青睞。在各種光纖傳感器中以干涉型光纖傳 感器的靈敏度最高。 干涉儀結構的光纖傳感器系統(tǒng)，通過深入研究隨機信號的互相關函數(shù)和基于模型的功率譜估計，設計出具有事件發(fā)生檢測功能的傳感器信號處理算法。此算法可以對外界振動進行實時預警，并實現(xiàn)高速、高精度的定位。 該技術可用于檢測第三方入侵，對需要防護的地域、管線進行監(jiān)控、報警并提供精確定位。 研究成果對于長距離分布式干涉型光纖傳感器的實用化具有重要的理論意義和實際應用價值，并在工

2、業(yè)和國防領域具 有應用前景。 本文設計的光纖傳感系統(tǒng)分為傳感線路、光收發(fā)模塊、數(shù)據采集 和信號處理等部分。 傳感線路部分是一種基于馬赫一澤德干涉儀的雙向干涉結構。 當干涉儀中的干涉臂受到外力引起的振動時，光纖中傳 輸?shù)墓庑盘柕南辔粫l(fā)生變化，從而導致輸出干涉波形的變化。 干涉信號經光電轉換、數(shù)據采集送至信號處理系統(tǒng)，經信號處理分析后可以對外界振動發(fā)生的位置進行定位。 信號處理部分由和機共 同組成，用于實現(xiàn)事件發(fā)生檢測算法，機實現(xiàn)定位算法。通過 實驗分析表明，事件發(fā)生檢測算法可以顯著地改善光纖傳感器的性 能，提高系統(tǒng)準確性，降低誤報率。在合理設置采樣率的基礎上，可以實現(xiàn)的定位誤差。采用和機合理分

3、配運算負擔，可以 滿足光纖傳感器系統(tǒng)實時監(jiān)控的要求。 第1章 緒論 引言傳感器是感受規(guī)定的被測物理量并按一定規(guī)律將其轉換為有用信號的器件或裝置，它在工業(yè)生產、國防建設和科學技術等各個領域都發(fā)揮著巨大作用。近年來，傳感器在朝著靈敏、精巧、適應性強和智能化、網絡化的方向發(fā)展。在這 一過程中，光纖傳感器作為傳感器家族的新成員，由于其優(yōu)越的性能而倍受青睞。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有以下的優(yōu)勢：首先，光纖是一種耐高壓，抗腐蝕的介質，能在電磁或電子傳感器不能工作的惡劣環(huán)境下運行。其次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干擾傳輸?shù)墓獠ㄐ盘?。同時，光纖很細，又具有極高

4、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。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、旋轉等，并具有極高的靈敏度。 光纖傳感器利用光纖本身的敏感特性進行工作。由光源發(fā)出的光在光纖中傳播時，若應力、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)等特征參量會隨之變化，該過程稱為光波的調制。含有調制信息的光波經光纖傳輸?shù)焦怆娹D換部分，解調后被儀器接收，即可得到外場確切變化的信息。根據被測物理量對光的調制方法不同，光纖傳感器可分為強度傳感器，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

5、干涉儀）的靈敏度最高。光纖干涉儀將光波的相位信息轉換位強度信息，通過檢測光強信號分析出所測物理量。 20世紀70年代以來，在飛速發(fā)展的光纖通信技術的帶動下，光纖傳感器技術取得了巨大的發(fā)展。美國海軍研究所（）1977年開始執(zhí)（光纖傳感 器系統(tǒng)）計劃，從此以后許多國家對光纖傳感器進行了大量的研究。美國對光纖 傳感器的研究最早，投資最大，僅1983年就投入12-14億美元，主要的研究 機構有美國海軍研究所、國家宇航局（）、西屋電器公司、斯坦福大學等， 主要研究方向有個：光纖傳感器系統(tǒng)（）、現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng) （）、光纖陀螺（）、核輻射監(jiān)控（）、飛機發(fā)動機監(jiān)控（）、 民用研究計劃（）。日本在世紀年代

6、制定了“光應用計劃控制系統(tǒng)” 年規(guī)劃，投資達億美元，規(guī)劃的主要目標是解決強電磁干擾和易燃、易爆等 惡劣條件下的信息測量、傳輸和全過程控制問題，主要的研究機構有松下、三菱、東京大學等。英國的標準電訊公司、牛津大學、南安普頓大學、法國的湯姆遜公司、德國的西門子公司等企業(yè)和大學也對光纖傳感器投入了大量的經費進行研究和開發(fā)。 隨著技術的進步、工藝水平的提高和計算機技術在光纖傳感器系統(tǒng)中的應用，光纖傳感器的可靠性不斷提高。光纖傳感器正逐步從實驗室走入市場。目前， 美國、西歐和日本已經開發(fā)出了許多光纖傳感器產品，例如澳大利亞（ ）公司的用于邊界監(jiān)測的 系統(tǒng)、英國 公司的用于測量光纖沿線溫度變化的光纖線性測

7、溫系統(tǒng)、美國（ ）公司的基于技術的分布式傳感器系統(tǒng)等。 光纖傳感器自身的優(yōu)點和技術的成熟使其在軍用和民用領域都得到廣泛應 用，具有很大的市場需求。首先在民用方面，從電力系統(tǒng)、水利工程、石油礦井、 化學工程等大型工程到環(huán)境檢測、食品安全檢測、醫(yī)學檢測等生活相關的行業(yè)， 光纖傳感器的應用幾乎涵蓋國民經濟中所有領域，應用范圍極其廣泛。其次，在 軍用方面，光纖傳感器的應用也很廣泛，主要產品有光纖陀螺、光纖水昕器、光 纖壓力傳感器，光纖傳感定位系統(tǒng)等。 我國在1983年召開了光纖傳感器的第一次全國會議。目前國內光纖傳感器 的主要研究工作在高校和研究所進行，他們在光纖溫度傳感器，壓力傳感，流量， 電壓，位

8、移、振動、光纖陀螺等領域進行了大量的研究，取得了上百項成果，不 過由于基礎薄弱、工藝水平低和相關技術的落后，我國的光纖傳感器技術與這些 發(fā)達國家相比有較大的差距，且商業(yè)化水平不高。因此，我們應該加大對光纖傳 感器技術研究、開發(fā)的投入，縮短我國光纖傳感器技術與外國的差距，促進我國 儀器儀表工業(yè)和光纖傳感器產業(yè)的發(fā)展。 光纖干涉儀 光學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，以致準確度降低。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

9、的嚴格限制， 從而可以制造出千米量級光路長度的光纖干涉儀。 通常采用的光學干涉儀主要有四種：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?？臻g中滿足頻率相同、相位差穩(wěn)定、且具有相同振動方 向的光稱為相干光。兩束單色光相干疊加時產生的效果在接收屏上反映為明暗相 間的干涉條紋。因此，若其中一束光的相位發(fā)生改變，則接收屏上的干涉條紋隨 之移動，、（）、干涉儀就是基于這個原理。寬帶光在通過兩個互相平行、具有一定反射率的鏡面時會發(fā)生多光束干涉，只有特定波長的光的輸出光強為極大值，這是（）干涉儀的原理。若 一 腔腔長發(fā)生微小改變，輸出的極大波長即隨之改變。這些干

10、涉儀共同的特點是， 只要其中一束或多束光的光程發(fā)生微小的變化，則接收到的干涉條紋就會明顯地 發(fā)生改變。 把這些干涉儀的光路移植到光纖系統(tǒng)中就構成了干涉型光纖傳感器的基本結構。光源發(fā)出的光被分束器分成束，其中的一束或多束經過外場調制，再由合 束器件合并到一根光纖中并發(fā)生干涉。被測物理量作用于光纖的外場，導致光纖中光相位的變化或光的相位調制。調制信號由光電轉換器件接收解調，經信號處 理即可精確得場變化的信息。因為光強中攜帶有相干光之間的相位信息。因此，檢測到干涉光強的變化就可以確定光束間相位的變化，從而得到待測物理量 的數(shù)值大小。 干涉型光纖傳感器系統(tǒng)概況及應用領域 如上所述，干涉型光纖傳感器可以

11、精確檢測出光波的相位變化。引起光波相位改變的因素很多，在光纖中，主要是由于光纖折射率的變化所引起。光纖是很敏感的介質，輕微的振動或壓力都可以造成光纖折射率的改變。同時，光纖又是一種分布式的介質，不同位置的折射率變化會產生不同的干涉結果，可以通過檢測干涉結果的不同計算出折射率發(fā)生的位置，實現(xiàn)分布式的傳感定位。此外，光纖中的損耗很低，典型值為，因此，通過特殊設計的光纖干涉儀，可 以實現(xiàn)幾十公里甚至更長距離的分布式傳感。本文中的干涉型光纖傳感器系統(tǒng)，采用馬赫一澤德（）干涉儀的基本結構，通過特殊設計的對稱干涉 環(huán)，可實現(xiàn)數(shù)十公里的定位檢測。這種分布式定位系統(tǒng)的應用領域十分廣泛。在一些重要的區(qū)域，如機場

12、、軍 事設施、保密機構等等。為了防止非法的入侵和各種破壞活動，傳統(tǒng)的防范措施 是在這些區(qū)域的外圍周界處設置一些屏障，如圍墻、柵欄、鋼絲籬笆網等，并安 排人員巡邏。但是人力防范往往受到時間、地域、人員素質和精力等因素的影響， 難免出現(xiàn)漏洞和失誤。因此需要應用一些先進的邊界探測報警系統(tǒng)形成一道入眼 看不到的“電子圍墻”。另外，對于重要的通信光纜、輸油輸氣管線等設旌，由 于鋪設距離很長，且穿越的地區(qū)多為海底或隔壁沙漠，很難實現(xiàn)人工監(jiān)視與保護。 因此，也需要一些輔助的自動化的監(jiān)視設備，實現(xiàn)對通信光纜和油氣管線等長距 離、不間斷的保護。一旦出現(xiàn)問題，可及時將遭破壞的位置信息報告給值班人員。 由此可見，這

13、種分布式的傳感定位系統(tǒng)，在國防、工業(yè)生產以及民用領域，都有十分重要的意義。 論文主要研究內容本文主要研究一種基于馬赫一澤德（）干涉儀的干涉型光纖傳感器，并著重研究光纖傳感器的信號處理算法及其實現(xiàn)。傳感器系統(tǒng)中采用了一 種新型的光纖干涉環(huán)結構，由傳感光纖、光收發(fā)模塊、數(shù)據采集和信號處理等四 部分組成。在深入研究干涉結構的基礎上，設計出了以相關運算為基礎，具有事件發(fā)生檢測功能的傳感器信號處理算法，在機和定點上實現(xiàn)該算法，并 通過實驗加以驗證。 本文的結構如下：第一章為緒論，對光纖傳感器系統(tǒng)做一般性的介紹。第二 章為光纖傳感器的系統(tǒng)結構，介紹光纖傳感器系統(tǒng)的原理以及結構組成，并對系 統(tǒng)中的各個部分進

14、行說明。第三章為傳感器信號處理算法設計，闡述算法設計的 理論依據，并對算法個部分設計做詳細說明。第四章為算法實現(xiàn)與實驗驗證，將第三章的算法在機和定點上加以實現(xiàn)，并通過若干實驗結果對算法進行驗證。第五章為結論，對上述理論和實驗結果進行總結。 第二章干涉型光纖傳感器的系統(tǒng)結構 光波相位調制和干涉測量在光波的干涉測量中，參與工作的光波是兩束或多束相干光。因波的疊加而引起強度重新分布的現(xiàn)象，叫做波的干涉。產生干涉的條件稱為相干條件，有以下三條：作為傳感光路，用于感知外界的各種變化，另外一束作為參考光路，與外界隔離。 這兩束光經過耦合器處合為一束，由于兩束光的傳播路徑不同，因此在耦合器處兩束光的相位不同

15、，進而發(fā)生干涉。干涉信號經光電檢測器轉換為電信號， 通過對此電信號的分析處理，可獲得外界的信息。若有另一束光，沿著從耦合器到耦合器的方向傳播，這 樣正反兩個方向的光經外界干擾后到達兩端的距離不同，造成到達兩端的時間不 同，通過檢測這個時間差，可以計算出外界干擾發(fā)生的確切位置，實現(xiàn)定位功能。 研究發(fā)現(xiàn)，光纖干涉儀的結構具有一定的對稱性，若利用兩個 耦合器，將一束激光經分束后分別從干涉儀兩端輸入，干涉結果由各自的另一端接收，即可實現(xiàn)以上分析的定位功能。由激光器發(fā)出的光經耦合器分為沿兩個相反方向傳輸?shù)墓?，如果干涉臂的?部分受到外力作用產生形變，那么在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕南辔粫l(fā)生變化。又由于兩光纖

16、位置的不同，受到外力的大小不同那么兩光纖中光的相位改變也不相同。這樣在光信號到達耦合器時會發(fā)生干涉，干涉條紋隨時間變化。這種干涉波形通過兩個轉換為電信號并送往終端監(jiān)控部分進行處理。如果這兩個檢測 器是同步的，可以檢測出兩路干涉信號波形變化的時間差，由時間差即可計算出外力作用的位置。若振動發(fā)生的位置處于干涉臂的中央，則順時針與逆時針兩個方向到達耦合 器的時間相等。本文后面的分析將會指出，在處理傳感器信號的過程 中，主要是通過檢測出的值來推導出振動點的位置。因此，為了使出的值比較 容易測量并且減少噪聲對檢測結果的影響，在實際使用中，光纖和光纖為干涉儀的兩條干涉臂，光纖的作用是使干涉臂的長 度小于整

17、個光纖長度的一半，這樣做的目的是為了增加順時針和逆時針兩個方向 的光到達和的時間差。由于光速非?？欤趲资锏墓饫w中傳播，延時也不過數(shù)百微妙. 光收發(fā)模塊光收發(fā)模塊中包括三部分的電路：光發(fā)射模塊、光接收模塊和光偏振態(tài)控制模塊。光發(fā)射模塊負責給激光器加電，以產生激光信號，經過光纖連接器傳入傳感光纖。光接收模塊接收經過傳感光纖得到的干涉信號，經過光電轉換，將轉換后的電信號通過同軸電纜接入數(shù)據采集卡。 光發(fā)射部分實現(xiàn)了自動溫度控制和自動功率控制，使發(fā)出穩(wěn)定的直流光。傳感光纖輸出的光信號由來接收，把光信號轉變成為電信號，電信號再通過放和中放將微弱的信號放大，放大后的電信號通過電纜線送 給數(shù)據采集部分。 經過傳感光纖的光信號連接到光接收部分接收，偏振控制部分的電路會根據 接收到的光信號的可見度情況來反饋控制偏振控制器，激光器輸出的光輸入到偏 振控制器進行偏振控制后，再輸出到傳感光纖中。 干涉型光纖傳感器必須具有極高的靈敏度、很大的動態(tài)范圍和盡可能高的信 噪比，同時應在長期特定的工作環(huán)境下具有良好的光學穩(wěn)定性。因此要消除光波 在普通低雙折射單模光纖中傳輸時偏振態(tài)的隨機變化導致干涉信號的不穩(wěn)定，即 偏振誘導信號衰落。目前比較通用的做法是通過偏振控制器，經由一定的反饋控 制算法，實時調整傳感光纖中的光偏振態(tài)，實現(xiàn)偏振態(tài)的動態(tài)穩(wěn)定。數(shù)據采集 數(shù)據采集部分的功能是將光收發(fā)模塊輸出的傳感器模擬信號