微型光纤加速度计系统研究

刘 伟

(哈尔滨工程大学理学院，哈尔滨150001)

加速度计是振动测量、地震检测，惯性导航和制导系统中常用的重要传感器，在早期的研究中，光纤加速度计作为一种新型的传感器件，主要应用于军事方面，20世纪80年代初，美国研制出0.1 μg的光纤加速度计，用于陆用战车和波音747飞机振动测量和制导中.相对于传统机械传感器或者电传感器，光纤加速度传感器具有频带宽、灵敏度高、抗电磁干扰、体积小，质量轻，可设计成任意形状，兼具传感传输于一体等优点.

随着光纤技术的发展以及人们对测量精度要求的提高，光纤加速度传感器凭借着其独特的优势，在社会生活领域中发挥着越来越重要的作用[1－2].为了更好地提高光纤加速度计系统的各项性能指标，在不断改进加速度计传感结构的基础上，研究高性能的信号检测方法也是必不可少的一种手段[3－5].本文结合高灵敏度的微型盘式光纤加速度传感器，利用相位生成载波技术(PGC)实现对传感器信号的检测计算，这种解调方法属于无源的解调方法，避免了有源调制灵敏度低，动态范围小，非线性误差大等缺点，保证了信号解调的实时性和检测精度，同时，无源解调技术更有利于实现系统的全光化，大规模集成化，为光纤传感器的进一步发展奠定了基础.

1 相位生成载波解调基本原理

对于干涉型的光纤传感器，高灵敏度的光纤干涉仪是常用的传感和传输机构.干涉仪的信号检测可以采用相位解调技术，因此可以实现的检测动态范围也非常大.

光纤加速度计采用盘式Michelson干涉仪结构，Michelson干涉仪的基本结构如图1所示，Michelson干涉仪由光源，探测器，3dB耦合器，信号臂，参考臂以及光纤反射端面组成.光源发出的光束经过隔离器和3dB耦合器，被1∶1的分成两束，两束光分别进入干涉仪的信号臂和参考臂，经过端面反射，两束光再次进入3 dB耦合器并发生干涉，通过光电探测器可检测到干涉信号输出光强的大小变化.为了避免反射回来的光进入光源对其造成损害，一般在光源的出口端添加隔离器，这也使得Michelson干涉仪只能检测第二路信号.

图1 M ichelson光纤干涉仪结构图

基于Michelson干涉仪的盘式光纤加速度计的结构示意图如图2所示，具体结构是将Michelson干涉仪的信号臂和参考臂分别缠绕在直径为18 mm，厚度为0.4 mm铜片的上下两个平面上，当有垂直于铜片平面的加速度信号作用时，光纤盘本身的质量引起盘片的形变，导致盘片表面产生与振动相关的应变分布，传感光纤的特性变化转化为光纤中传输光的相位变化.通过标定相位调制量随被测加速度变化的曲线，就可以根据实时解调的相位变化解算出被测加速度信号的变化，从而实现对加速度的检测.

图2 盘式光纤加速度计结构示意图

盘式光纤加速度计主要具有3个特有的优势:①由于圆盘片的长、宽尺寸远大于盘片的厚度，这种几何特性使得传感器具有较好的方向性;②由于弹性盘片本身刚度系数较小，在同等振动作用下，盘式加速度计灵敏度更高;③采用盘式结构，干涉仪的两臂分别粘贴在弹性盘片的上下两面，在理想条件下，由于环境噪声造成的相位变化是等幅同向的，在输出的干涉仪信号上表现为相消特性，这样就能很好的抑制了环境噪声所带来的的共模干扰.对于盘式光纤加速度计的信号解调主要采用的是光调频相位生成载波(PGC)检测方法.其基本原理是采用不平衡干涉仪，通过对光源频率进行高频调制，从而在干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(DCM)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.高频调制的PGC检测灵敏度达10－6rad、动态范围达120 dB.

2 数字PGC算法实现

数字方法实现相位生成载波(PGC)算法避免了模拟电路不稳定所带来的系统噪声，由于能够通过改写软件对系统参数的调整，方便对传感系统调试，有利于系统的集成.数字PGC的基本流程如图3所示.

图3 PGC解调算法框图

根据图3，用频率为ωc的载波信号对可调谐窄带光源进行调制，干涉仪输出信号可表示为

I=A+B cos[C cosωct+φ(t)]

其中:A，B与干涉仪输入光强、偏振器和耦合器插入损耗以及干涉仪的消光比等有关.φ(t)是信号作用于干涉仪上产生的相位差，也就是待测信号;调制幅度C的大小与调制光频以及干涉仪臂长差有关.

这样，通过对光频的调制，在干涉仪中引入了一个相位载波.从物理上看，该相位载波将使干涉仪的工作点(或初相位)以确定的方式在一个较大的范围内变化，选择合适的参数C就可以使干涉仪对被测信号φ(t)的平均响应达到一稳定的值，消除初始相位的变化带来的影响.

干涉仪的输出信号经过光电检测，抗混叠滤波处理后，由ADC芯片进行数据采集，采集的数据经过PGC算法计算处理，得出相位信息，进而计算出外界振动信号的大小.

PGC算法流程:干涉仪输出信号分别与一倍载波信号和二倍载波信号相乘，经过低通滤波器滤除基频及以上频率分量，提取包含相位信息的分量，消除直流分量的影响后，通过交叉微分相乘再积分，可以得到图3中积分器的输出为:

其中:Jn(C)表示宗量为C的第n阶贝塞尔函数，参数对最终的解调结果影响很大，这里选取C=2.37 rad;G、H分别是一倍载波和二倍载波的幅值大小，m表示调制电流的幅值，当m＜0.1时，可以将其忽略不计.

根据上面的表述，要实现对光纤加速度传感信号的解调，数字检测系统主需要包括以下功能:

1)高速数据采集，存储以及输出功能;

2)模拟载波信号输出功能，主要用于调制光源;

3)高速数据传输功能，避免数据采集工程中数据溢出或拥堵;

4)PGC算法实现.

为满足数据采集与处理的实时性和准确性，数字解调系统以数字处理芯片DSP作为算法实现的主要模块，以FGGA实现逻辑控制，二者有机的结合，充分利用硬件电路系统资源的基础上，完成对采样数据的计算输出.设计解调系统如图4所示.

图4 PGC信号解调系统框图

在不增加系统运算负担的基础上，加大采样频率有利于降低采样噪声，提高解算精度，在试验中，要求系统具有500 kHz的采样速率，这就意味着DSP需每2μs完成一次PGC算法，并将处理结果输出，因此，解调系统选用主频为300 MHz的浮点DSP芯片STM320C6713.根据图4，数据采集由FPGA控制，采集过来的数据存入外挂的缓存FIFO中，当完成一帧数据的采集，用EDMA方式将数据取出，存入同步存储器SDRAM中，用EDMA方式进行取数时，不需要DSP内核的参与，传输方式较为灵活，大大节省DSP的资源，提高了运算效率.DSP完成对数据的运算和处理，运算结果通过HPI总线输出给FPGA，并由其控制DAC芯片将数字量转换成模拟结果输出.除了模拟输出，也可以将数字结果通过USB接口输出给上位机，方便数据处理.

3 实验与分析

3.1 系统自检试验

该实验主要是为了验证解调系统功能的实现.对于数字解调系统，实现的功能主要是对信号的采集和计算，并将结果输出.因此，通过输入不同幅值与频率的模拟调相信号来验证算法的正确性.

分别模拟输入待测信号幅值为1 rad，频率为20、200 Hz的信号，载波频率为10 kHz的模拟调相波，进过解调运算后，输出信号的频谱如图5所示.

图5 不同频率信号解调输出结果

通过实验可以看到，解调系统能够对不同频率的信号检测计算并将结果输出.

3.2 光纤加速度计性能测试

衡量光纤加速度计的指标主要包括，加速度计的灵敏度和工作带宽.

对光纤加速度计加载不同的大小的加速度信号时，系统具有不同的响应输出，将实际加载的加速度信号与响应输出进行线性拟合，得到的曲线表示加速度计的线性度，其斜率就是光纤加速度计的灵敏度.实际测试微型盘式光纤加速度计分辨率时，选取振动信号频率为40 Hz，加载加速度大小依次为0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、1、4、5 g时，得到曲线如图6.

图6 光纤加速度计线性输出特性测量

通过计算，盘式加速度计的灵敏度为17.569 rad/g.

工作带宽是指加速度幅频特性曲线给出，定义曲线中波动小于的频率响应范围为工作带宽范围.

工作带宽测试，选择能均匀覆盖传感器工作范围六个以上的频率(20、40、100、200…1 000 Hz)保持恒定的加速度值，大小为0.1 g，观测光纤加速度计输出幅值，记录测量结果，绘制幅频特性去曲线，根据工作带宽的定义，求得带宽的具体数值，见图7.

图7 光纤加速度计频率输出特性测量

从上面的结果中可以看到，光纤加速度计从0～600 Hz的范围内具有较好的频率输出特性，650 Hz作用的尖峰值和系统的谐振频率有关.

4 结语

本文利用数字系统，嵌入相位生成载波算法，实现对微型光纤加速度传感器信号的解题运算，实验结果表明，微型光纤加速度计对于微弱信号的测量具有较高的灵敏度，能够实现对较宽频率范围内信号的测量.为了进一步增加系统的工作带宽以及对大信号的响应，在降低系统本底噪声的基础上，改进传感器的结构，减少谐振频率对测量的影响是下一步研究的重点.

[1]柏林厚.基于光频调制PGC解调系统的光源及其它若干问题研究[D].北京:清华大学，2005:6－40.

[2]倪 明，胡永明，孟 洲，等.数字化PGC解调光纤水听器的动态范围[J].激光与光电子学进展，2005，42(2):33－35.

[3]TAYAG T J，KOLESAR E S.Optical fiber interfero－meter for measuring the in situ deflection characteristics ofmicroelectromechanical structures[J].Optical Engineering，2003，42(1):105－110.

[4]沈 梁，叶险峰，李志能.干涉型光纤水听器调制解调方案研究[J].传感技术学报，2001，1(1):9－11.

[5]刘彬彬.基于虚拟仪器技术的激光纳米振动测量方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2007:10－39.