基于Labview的光纖傳感器相位解調(diào)技術(shù)
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1 相位調(diào)制型傳感器調(diào)制基本原理與干涉解調(diào)結(jié)構(gòu)
相位調(diào)制是指當傳感光纖受到外界機械或溫度場的作用時,外界信號通過光纖的力應變效應、熱應變效應、彈光效應及熱光效應使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化,從而導致光纖中的光相位變化,以實現(xiàn)對光相位的調(diào)制.在光纖中傳播常數(shù)為的光波通過長度為l的光纖, 會產(chǎn)生相位延遲：
則
式(2)中Δl為纖長l的變化;Δα為纖芯半徑α的變化;Δn為纖芯折射率n的變化;所得即為光相位的變化。
圖1 基于2 ×2和3 ×3耦合器的馬赫—澤德(Mach - Zehnder)干涉儀
圖1為基于2 ×2和3 ×3耦合器的馬赫—澤德(Mach - Zehnder)干涉儀。其中激光器發(fā)出的相干光經(jīng)3dB耦合器C1分成光強比1∶1的兩束光分別進入信號臂和參考臂光纖,再經(jīng)3×3對稱耦合器C2匯合相干形成調(diào)制的干涉條紋,在終端采用光電探測器D檢測干涉光強的變化,在光纖參量基本恒定的條件下,信號臂與參考臂之間的位相差變化正比于外界信號。
由于目前的光探測器不能直接探測或讀出光的相位差值,故通常采用干涉法將光的相位差信號轉(zhuǎn)換成為相應的干涉條紋光強變化1由光束干涉原理可知,干涉儀產(chǎn)生的干涉光強I可記為:
式(3)中I0為干涉場的固定直流分量, K0為干涉引起的變化峰值(幅度) , p ( t)為外界信號的作用規(guī)律,而Φ則為光纖干涉臂不等長引起的固定相位差(通常計入p( t)中) .
干涉過程是一種非線性調(diào)諧作用,因此隨著信號峰值及頻率的不同干涉波形會產(chǎn)生很大的變化。圖2給出了信號p( t) = p0×sin (wt) (其中p0為信號振幅, w為信號頻率)時干涉波形隨信號振幅的變化情況。
圖2 原始信號與不同幅度調(diào)制信號比較圖
由圖2可見,和原信號(曲線a)相比,原信號幅度較小(曲線b和c)時,波形失真不大;而原信號幅度較大(曲線d)時,波形失真非常明顯1因此在大信號情況下必須對輸出的干涉信號進行解調(diào)才能恢復原始信號的頻率和振幅。
2 當前使用的軟硬件解調(diào)技術(shù)
解調(diào)不僅是將相位差變化轉(zhuǎn)化為干涉條紋變化,其最終目的是從式(3)中解出原信號p( t) 。解調(diào)技術(shù)是實現(xiàn)信號恢復的惟一方法,也是相位調(diào)制型傳感應用的關(guān)鍵和難點目前國內(nèi)外的解調(diào)提取信號方法主要分為硬件和軟件兩大類。
2. 1 硬件解調(diào)提取信號方法特點
硬件解調(diào)提取信號方法主要是指完全依靠對電路和光路的設(shè)置或調(diào)制來實現(xiàn)相位解調(diào)的方法1按照信號光和參考光頻率差是否為零,將解調(diào)分為零差解調(diào)和外差解調(diào)方法。為了實現(xiàn)全光纖化檢測以及解決相移和振幅失配可能導致檢測閾值降低的問題,目前通常采用零差解調(diào)方法。當前比較成熟的解調(diào)技術(shù),除無源零差解調(diào)法之外,還廣泛采用交流相位跟蹤零差法( PTAC)和相位載波零差法( PGC)等有源零差解調(diào)法。比較而言,硬件解調(diào)的結(jié)構(gòu)比較復雜,系統(tǒng)制造周期長,成本較高。
2. 2 軟件解調(diào)提取信號方法特點
軟件解調(diào)提取信號方法是指部分依靠PC機和軟件實現(xiàn)解調(diào)的方法,其基本原理與硬件解調(diào)相同。除去光電探測轉(zhuǎn)換部分采用的電路和光路之外,信號的處理由微機實現(xiàn)1軟件方法省去了一般電路分析、制作、調(diào)試等步驟,不含有微分、相乘等易于引入噪聲的相關(guān)電路。目前已有采用Turbo C成功開發(fā)軟件解調(diào)系統(tǒng)的先例。和硬件相比,軟件解調(diào)更加靈活,成本較低,開發(fā)周期短,易于調(diào)試。
2. 3 Labview軟件的特點
Labview是美國NI公司開發(fā)的一種專門用于數(shù)據(jù)采集、分析與儀器控制的圖形化軟件1基于該軟件開發(fā)的虛擬儀器可通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體,從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量,控制能力結(jié)合在一起1Labview具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境,摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復雜性,為用戶提供強大功能的同時還充分保證了系統(tǒng)靈活性。
3 實驗研究
3. 1 實驗系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)使用3×3耦合器對稱無源零差方法對相位差進行解調(diào)。系統(tǒng)前端采用如圖1所示的3 ×3對稱無源零差解調(diào)結(jié)構(gòu)。根據(jù)干涉儀3×3耦合器3個相位輸出的互補對稱特性可知,從C2輸出的3路信號在理想分光比( 1∶1∶1)的情況下,相位分別相差2π/3,即三端探測器(D0,D1,D2)組件輸出探測電壓:
式(4)中D為直流分量I0轉(zhuǎn)換的電壓幅值, A 為K0轉(zhuǎn)換的電壓幅值, m 為對應耦合器的探測器序號。
軟件解調(diào)流程如圖3所示:將3項Um 求和后除以3得到信號直流量D;從式(4)的3路Um中分別減去D,使其各自只余下干涉信號的變化量Xm;然后分別將Xm 對時間求導,得到dXm /dt;其后再將每一路信號Xm與另兩路信號求導差相乘;依此處理的3路信號乘積和即可消去式( 4)余弦,僅剩余帶系數(shù)的導數(shù)dp( t) /dt?？紤]到此式系數(shù)中仍包含有條紋襯比度,故將Xm3路信號的平方和與其相除,再對結(jié)果求時間的積分,即可完整恢復原信號函數(shù)p( t)。
圖3 軟件信號解調(diào)部分原理框圖
3. 2 實驗結(jié)果
根據(jù)上述軟件解調(diào)結(jié)構(gòu)編寫Labview解調(diào)程序,實現(xiàn)干涉信號的解調(diào)功能。實驗中對各種情況下原始信號的解調(diào)結(jié)果進行了模擬和對比。
3. 2. 1 普通正弦信號的解調(diào)
當原始信號為Pa ( t) = 3π ×sin (2πf t) , f = 100 Hz時, p( t)可視為理想的簡諧波1圖3中各節(jié)點a、b、c、d的波形如圖4所示。 由圖4各關(guān)鍵節(jié)點波形圖可見,軟件解調(diào)可探測到與硬件解調(diào)對應位置相同的波形,說明簡諧波Pa ( t)調(diào)制信號經(jīng)過該程序后得到了正確恢復。
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