干涉型光纤传感器解调技术的研究*

江 琴

（淮南联合大学实训中心，安徽淮南 232038）

干涉型光纤传感器解调技术的研究*

江 琴

（淮南联合大学实训中心，安徽淮南 232038）

首先介绍了相位载波调制的工作原理，然后从理论上分析了影响解调信号稳定性的主要因素，在此基础上提出了改进的方法，建立了一套较为完善的光纤传感系统.经过大量的实验论证，对比分析，减小了误差，获得了较高的检测灵敏度.

干涉型光纤传感器；相位生成载波；解调技术；频谱分析

传感器是一种检测装置，能感受到如温度、压力、速度等被测信号的信息并将其按照一定规律转化成电信号或其他所需形式的信息输出.随着光纤通信技术的发展，光纤传感器以其灵敏度高、适应性强、智能化的优势被广泛应用在国防科技、建筑生产、医疗器械等相关领域.光纤传感器分为两类：传光型和传感型.干涉型光纤传感器属于传感型，当调制光的相位发生变化时，利用自身的敏感特性获得信息，通过检测相位的变化，就可以还原扰动信号.由于这个相位调制信号随机性很大，与相位并不是完全呈线性关系，导致干涉型光纤传感器的信号检测比一般的信号检测复杂很多.干涉型光纤传感器能否实现快速、准确的测量，取决于多方面的因素，其中信号的解调技术是其关键技术之一，将直接影响测量结果的分辨率、精度和动态范围.

1 常用的干涉型光纤传感器［1］

随着各种检测和管理的要求越来越高，出现了针对不同环境下的干涉型传感器.调制解调的方法很多，都是基于高精度的被测量和减小误差两个基本要求.

1.1 Mach—Zehnder干涉仪

图1 M－Z干涉仪结构图

M－Z干涉仪是一种典型的干涉仪，结构如图1所示.两个耦合器分别用来分光束和合光束，两根光纤组成参考臂和信号臂，参考臂与外界隔离，信号臂用来传感信号，通过相位变化获得外界信息.为了减小测量过程中的噪声，Koo和Kersy采用了改变输入信号波长的方法，利用Mach—Zehnder干涉仪放大相位，使测量精度显著提高.

1.2 Michelson干涉仪

图2 Michelson干涉仪结构图

Michelson光纤干涉仪也是属于双光路干涉仪，组成结构包括输入端、输出端、参考臂、信号臂、光纤耦合器、光纤镀膜端面组成.这种干涉仪跟Mach—Zehnder干涉仪相比较不同之处在于，Mach—Zehnder干涉仪中使用了两个耦合器作为分光器和合光器，而Michelson光纤干涉仪通过两个支臂上的反射镜使一个耦合器同时完成分光和合光的作用.

1.3 Sagnac干涉仪

由于光纤中光的相位是个敏感的参数，故参考光的相位难以保证为常量，Sagnac型光纤干涉仪因为只需要一根光纤，就避免了多种因素影响造成的混音.这种结构的干涉仪工作原理基于Sagnac互易性原理，典型的Sagnac干涉仪是光纤陀螺，光源发出的光经3x3耦合器会形成两束光，其中一束光沿顺时针传播，另一束沿逆时针传播.两束光经过干涉以后再经耦合器分光到两个光电检测器，再经过放大输入到差动放大器检测出信号.

2 直接调制光源的PGC解调原理

改进的方法基于常用的外调制相位载波调制方法，即将载波加到干涉仪的一臂，使其折射率发生变化，输出光波相位差随载波信号有规律的变化，从而实现相位调制.整个系统基本组成包括一个基本的M－Z光纤干涉仪和直接调制光源的相位载波零差检测方案构成［2］，原理图如图3所示.

图3 直接调制光源的PGC解调方案框图

将光纤干涉仪的一臂作为载波信号的输入端，设定干涉仪的输出为：

式中A、B为常数，满足B＝kA，k＜1为干涉条纹可见度，A量正比与光源发出的功率，C cosω0t＋φ（t）为光波的相位差，ω0为载波信号的角频率，φ（t）与待测信号及环境噪声有关.

此后将I与两路载波信号混频，低通滤波，微分之后交叉相乘再放大运算输出如下：

3 PGC结果分析及改进

在上面的推导过程中，为了方便直流项可以忽略不计.如果考虑该项，设φ（t）＝D cosωst，就会得到下式：

可见频谱成分中不仅包括基波成分，还有2次、3次等高阶成分.如果被测的为多频率信号，那么解调结果的失真就会更为严重.可见如果忽略直流项的影响可能会造成解调结果难以反映原始信号，精度差甚至导致算法失败.既然不能忽略，就要找到直流项的产生原因，考察是否可以避免.经分析，直流项的产生是寄生调幅中的ω0项与混频器输入的G cosω0t项在乘法器1中相乘得到的.显然，如果将混频信号频率改成3倍频就可以避免直流项的产生，解调信号不失真的反映了原始的输入信号.

4 系统仿真实验

根据算法的分析，设A＝1，B＝0．5，m＝0．05，C＝3.55，D＝2，f0＝2kHz，fs＝400Hz，仿真所得的解调结果如图3.可见采用改进后算法进行解调的结果只有fs＝400Hz一项，信号正确解调［3，4］.而采用一般的PGC方法，仿真结果如图4，可见所得的频谱中不仅包括信号的频率项，还包括各高阶成分，波形失真严重.

图4 使用改进的PGC方法获得的解调结果

图5 使用一般的PGC方法获得的解调结果

5 结语

本文在讨论一般干涉解调技术的基础上，利用两路干涉输出信号，提出了一种较为完善的解调方法，对原始信号进行了还原.通过分析比较，改进算法较之前的算法精度更高，误差更小，充分改善了解调信号的质量，具有实用价值.

［1］张琳琳.干涉型光纤传感器的解调方案研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学硕士学位论文，2008.

［2］夏东明，娄淑琴，温晓栋.干涉型光纤传感器相位载波解调技术研究［J］.光电技术应用，2011，（5）：47－50.

［3］邱立忠，曹家年，刘海亮.干涉型光纤传感器解调方法改进与研究［J］.传感器与微系统，2011，（8）：28－30.

［4］黄建辉，曹芒，李达成，等.用于干涉型光纤传感器的相位生成载波解调技术［J］.光学技术，2000，（3）：228－231.

（责任编校：晴川）

Research of Demodulation Method for Interferometric Fiber Optic Sensors

JIANG Qin
（Practical Training Center of Huainan Union University，Huainan Anhui232001，China）

The paper introduces the operating principle of phasemodulation，analyzes the prime elementswhich influence the stability of demodulation signal.On this basis，an improved method is put forward and a set of perfect fiber sensing system is established. Through a lot of experiments and analysis，error is reduced and examination sensitivity becomes higher.

interferometric fiber optics sensor；phase generated carrier；demodulation；spectrum analysis

TN247

A

1008－4681（2014）05－0015－02

2014－09－10

江琴（1962－），女，安徽合肥人，淮南联合大学实训中心工程师.研究方向：电子、机电自动化.