干涉型光纖傳感器相位跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)的研究_圖文

1、第卷專刊年翼應(yīng)用光學(xué)。義章編號(hào)：。（）一干涉型光纖傳感器相位跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)的研究李平舟，宋祥虎，姬志國(guó)（西安電子科技大學(xué)，陜西西安；陜飚廣播電視犬學(xué)寶雞市分校，陜西寶雞）摘要：先纖傳感器是一種蕘敏度高的傳感器，而相位檢測(cè)技術(shù)是它的關(guān)鍵技術(shù)之一。簡(jiǎn)單介紹了干涉激光纖傳感器的信號(hào)檢測(cè)方法，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，著重介紹了相位跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)的基拳德成及相關(guān)設(shè)磚。關(guān)鍵詞：光纖傳感器；相位檢測(cè)；相位跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)中圖分類弩：文獻(xiàn)櫞卷碼：，（。，）：，：；引言自世紀(jì)年代以來(lái)，光纖傳感器（，）俸為一耪基于光導(dǎo)終維昀薪型傳感器迅速發(fā)展起來(lái)，日益受到重視。光纖傳感器具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、檢測(cè)頻帶寬、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、黧

2、蹇篪高溫、抗電磁于撬、抗瘸蝕搜強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到各種信號(hào)的檢測(cè)巾。由于其與光纖通信技術(shù)固有的兼容性使得它可以獲得燹瑟速的發(fā)旋。各釋源理的競(jìng)紓傳感器應(yīng)運(yùn)而生，特別是基于相干檢測(cè)技術(shù)的干涉型光纖傳感器得到了迅速發(fā)展，因?yàn)樗哂徐`敏度高、便予復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛鷹于涎餐聲波、磁場(chǎng)、濕度、縫震波等多種物理量噸。干涉型分布式光紆傳感系統(tǒng)的高靈敏度使傳感系統(tǒng)極易受到外界環(huán)境撓動(dòng)靜影響。當(dāng)光纖受到外界物理場(chǎng)的作用時(shí)，其內(nèi)部傳輸?shù)鸟尬话l(fā)生變化，干涉儀輸出一個(gè)相位調(diào)制信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)相位的變化，麟可獲得外賽物理場(chǎng)的信息。燕子受到瀑度變化、壓力波動(dòng)、機(jī)械抖動(dòng)等因素的影響，干涉儀兩臂的相位也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)相位

3、變量，從而引起信號(hào)幅度懿隨掇漲落，這就是愛(ài)謂的攘位衰落現(xiàn)象。因此，如何檢測(cè)光纖傳感器的信號(hào)成為了一個(gè)非常重要的課題。干涉型光纖傳感器信號(hào)檢測(cè)典型方法的比較伴隨著干涉型光纖傳感囂的發(fā)震，務(wù)式各樣酶信號(hào)檢測(cè)技術(shù)隨即而生。典型的有：相位產(chǎn)生載波（）解調(diào)法、×藕合器解調(diào)法、合成外差檢測(cè)法、襁位跟蹤檢測(cè)、差分延遲外差檢測(cè)、光程補(bǔ)償收穰日期：一；修回日期：終警麓貧：李警痔（一），男，陜囂戶矮入，囂安電子秘效大誓壤學(xué)浣教授，主要姨事黲斃學(xué)表囂耱料戇斃學(xué)特性分櫥、必傣憊處理技術(shù)簿方面的研究工作。：第卷（專秘）攀警痔，等：予涉型寵終傳感器穩(wěn)篷裁黥撿濺系統(tǒng)懿聚究外藏檢測(cè)等。凌鍘解譎是在于涉紋牽弓入鹼測(cè)信

4、號(hào)帶寬外某一頻率的大幅度相位調(diào)制信號(hào)，通過(guò)分離隨機(jī)漂移和信號(hào)項(xiàng)，消除隨機(jī)漂移對(duì)傳感信號(hào)的影晚。楣位調(diào)鍘信號(hào)可以遵過(guò)在參考臂中搬入穗位調(diào)制器或調(diào)制光頻的方式獲褥，稱調(diào)頻（），它便于實(shí)現(xiàn)傳感部分的全光化和信號(hào)怨瀵豹數(shù)字化。僵它對(duì)光源要求較高，焉雖必須使用非平衡干涉儀，使得系統(tǒng)對(duì)光源的相位噪聲比較靈敏。調(diào)制解調(diào)需要應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)璦復(fù)雜的售號(hào)處理算法，超長(zhǎng)踅離髂于涉鍪分竅式光纖傳感系統(tǒng)要求檢測(cè)系統(tǒng)有高速信號(hào)處理速度、多路信號(hào)的處理速度要求精確同步，數(shù)字式檢測(cè)系統(tǒng)綴難達(dá)囊這些要求。×藕合器解調(diào)法喵中干涉儀的輸出信號(hào)同時(shí)包括妒和驢，因此從根本上消除了出現(xiàn)信號(hào)憲全消隱的越能。它不需要任禽肴源

5、器件，瞧無(wú)需調(diào)制光源，實(shí)現(xiàn)了真誰(shuí)的無(wú)源檢測(cè)。由于不需要光稷差，消除了光源相位噪聲的影響，而且可以使用綴槽于光源，大大降低了成本。勇終，它酶動(dòng)態(tài)范圍非常大，最大可檢測(cè)信號(hào)可以達(dá)到幾百甚至上千弧度，兩只有幾個(gè)弧度。但是，×藕合器解溺法需要稔測(cè)系統(tǒng)精確地實(shí)現(xiàn)三焦函數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致系統(tǒng)價(jià)格極其昂貴，高性能的×藕含器制作越來(lái)也非常困難，使得這種方法的發(fā)展受到了一定限制，僵可以肯定的魑，這是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ臋z測(cè)方法。合成舶差檢測(cè)魁近來(lái)采用較多的棚位檢測(cè)方法。它不用復(fù)雜他的光路，麗采用較復(fù)雜的電路處理系統(tǒng)，經(jīng)壓電元件反饋到光路中起到布喇格盒的同等終薅。合成秘差檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)爨避免了使光路復(fù)雜

6、仡的布喇格盒，但伴隧的缺點(diǎn)怒裙移和振幅失配，產(chǎn)生的輸出信號(hào)不是個(gè)純粹的外差信號(hào)，從而導(dǎo)致調(diào)翱鑒別器輸出劣化，并限制了最小可測(cè)信號(hào)，另外合成外差檢測(cè)法口幻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗很大，系統(tǒng)調(diào)試比較困難。差分延遲外差檢測(cè)¨朝是通過(guò)光源獲褥一列在相藏很小的個(gè)頻率間來(lái)回切換的光脈沖，躺臂差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光源相干長(zhǎng)度，且兩臂的延遲等于光脈沖時(shí)瓣翔隔時(shí)，探濺器輸畿一期彌；棗外差信號(hào)。差分延遲外差檢測(cè)克服了真外差需要聲光移頻器和偽外嫠需要調(diào)制光頻的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了真正的無(wú)源檢測(cè)，毽缺點(diǎn)是必須愛(ài)擐長(zhǎng)穗子光源，顯對(duì)光源的穗位噪聲非常敏感。光程補(bǔ)償外差檢測(cè)是通過(guò)另加一個(gè)干涉儀進(jìn)行光程李償從兩實(shí)現(xiàn)裙于檢測(cè)的一種方法。光源發(fā)出

7、的光經(jīng)過(guò)個(gè)耦合器后產(chǎn)艇列光波，當(dāng)個(gè)干涉儀臂麓相等，且遠(yuǎn)大于光源相干長(zhǎng)度時(shí)，只有是過(guò)的光稷攘同且羧率不同的列光波才會(huì)發(fā)生干涉，最后得到外差信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是傳感部分沒(méi)有有源器件。由于進(jìn)行了光程補(bǔ)償，可以使用相干長(zhǎng)度授小的光源，大大降低了成本；毒償予涉獲可以遠(yuǎn)離傳感部分，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)。它的缺點(diǎn)是必須使用個(gè)干涉儀，而且聲光移頻器的使用會(huì)引人額羚酶噪聲。相位跟蹤檢測(cè)形式簡(jiǎn)單、易于調(diào)控，可以用模擬電路燕現(xiàn)信號(hào)快速處理，不存在多路倍號(hào)處理速發(fā)的囝多閆題，適合矮子超長(zhǎng)距離的干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)。相位跟蹤系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)及分析相位跟蹤檢測(cè)是一種主動(dòng)相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，分為壹流相位跟蹤（）和交流棚位跟蹤（）種

8、68;。它們都是乖震于涉儀的輸出信號(hào)產(chǎn)生個(gè)反饋控制信號(hào)，將其作用在干涉儀中的相位調(diào)制器上進(jìn)行擺位補(bǔ)償。由此可以看出，相位跟蹤系統(tǒng)由電路系統(tǒng)穰光纖相位調(diào)制器組成。電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)豹示意匿如圖所示。圖中，光電二極管的輸磁在差動(dòng)放大器中完戚合并，該放大器除起放大作用外，還起抉模抑制作用。它的后面接了兩級(jí)積分放大器。這溪綴積分放大器可通避從壹漉翔所希望的最高頻率的所有信號(hào)。光電二極管電路復(fù)原帶通櫥出鍪援佼綴蹤系統(tǒng)豹毫黲系統(tǒng)將兩級(jí)積分放大器的輸出被加到裝有干涉儀參考臂的移擺器上，使參考謦審產(chǎn)生一個(gè)耀移，該相移抵消了傳感臂中的相位漂移，使干涉儀保持平衡，同時(shí)使干涉儀始終處于正交狀態(tài)。靜償電路赫猿號(hào)通過(guò)

9、一只裔逶濾渡囂（濾去低頻噪聲）輸出。該濾波器的低頻極限被調(diào)在希望的攀串痔，等：予滲鰲競(jìng)野傳惑器穗往跟蹤檢弼系統(tǒng)鷯褥究第卷（專穩(wěn)）最低頻率上。因此，干涉型傳感器的輸如是一個(gè)頻繁，該額帶裙應(yīng)予希望的信號(hào)頻率范醺。通常反饋電路和復(fù)位電路加到相移器上的電壓電平為士熬皸。咖征仟多情況由溫度藏壓力變純弓起的楱移振幅紇麓到捆移器上靜±電壓所產(chǎn)生的相移大得多（幾百伏甚至上千伏）。因褥，必須始終監(jiān)視移榴器上所加的電壓到底有多大，翔栗達(dá)到電路的掇戳值，就必須迅速鮑使這些電路恢復(fù)到它能夠重新啟動(dòng)的初始狀態(tài)。這就是圖中所示的復(fù)位電路的作用。這樣，伴隨大幅值慢漂移產(chǎn)生的裙位變訖被一些鋸齒彩的奪禧僮裙位變化所補(bǔ)

10、償，必須注意把復(fù)位過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲減到最小。黨纖相位調(diào)制器相位調(diào)制器即移相器，其作用是通過(guò)一小段光纖改變光程長(zhǎng)度。光纖相位調(diào)制器可以逶過(guò)對(duì)光纖某一部分長(zhǎng)度或波導(dǎo)模的折射率進(jìn)行外部調(diào)裁來(lái)實(shí)現(xiàn)。最常用的方法是在壓電陶瓷管（）上繞若于圈光終，并稍稍拉緊，如圖（）所示。通過(guò)在元件上加上電壓，使其擴(kuò)張或收縮，光纖就被控長(zhǎng)或縮短，從而改變光程長(zhǎng)度。對(duì)一根單模光纖，當(dāng)爻一，圜管工終頻率低予最低機(jī)械共振頻率時(shí)，通過(guò)施加（）的反轉(zhuǎn)電壓，可產(chǎn)生”弧度的相移。若工作在機(jī)械共振頻率，相移的調(diào)制矚度可增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。環(huán)氧樹(shù)脂奇警聲冀寫(xiě)彳眨彳望翌囂翟聲龜壟壁廠驢壟塹外簇意藹卜臻號(hào)發(fā)生囂鱟戮黼秘）圈光纖相位調(diào)制器圈（）是帶

11、有共軸壓電換能器的光纖相位調(diào)制器。光纖置于圓管的軸線上，圓管與光纖間充以聲學(xué)材料（環(huán)戴樹(shù)脂）。圓管工作于厚度模式，豳圓管薄壁產(chǎn)生的厚度諧振頹率的聲波會(huì)聚于圓管中心，對(duì)纖芯施加壓力，通過(guò)光彈效應(yīng)使光紓的折射率受到調(diào)裁。鍘如，壁厚力。，共振頻率為時(shí)，能產(chǎn)生。的相使調(diào)制。圖（）是教覆壓電簿套懿斃紓褶位諼裁器。在光纖上被覆一層壓電塑料外套，如聚偏二氟乙烯（），用外套的內(nèi)外表面被覆眾屬膜作電極，在靜瀕電場(chǎng)的激勵(lì)下，這器被覆的躡瞧套就會(huì)對(duì)斃纖的相位進(jìn)行調(diào)制。實(shí)驗(yàn)表明，采用厚度為肛的徑向極化外套，在很寬的頻率范圍（激玨）考一致的頻率響應(yīng)，糯位調(diào)制系數(shù)為。小結(jié)干涉型光纖傳感器具有極高的靈敏度，可以用手聲波、磁場(chǎng)、溫度等多種物理量的測(cè)量罐，糨譴檢測(cè)技術(shù)研究對(duì)光纖傳感器的發(fā)展歪關(guān)重要，相位跟蹤檢測(cè)方法是干涉型光纖傳感器信號(hào)檢測(cè)的一種重要方法，其有諸多優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：】差，董，。，（：