基于LabVIW的光纖水聽器閉環(huán)工作點控制系統(tǒng)

　　1 引 言

　　干涉型光纖水聽器由于輸出的相位調(diào)制信號與外界聲信號成非線性關(guān)系，而且受溫度變化、壓力波動和機械抖動等因素的影響，兩臂相位差會隨機漂移，從而引起信號幅度的隨機漲落，即相位衰落現(xiàn)象。因此，其信號檢測比其它類型的光纖水聽器要困難得多。伴隨著光纖水聽器技術(shù)近30年的發(fā)展，出現(xiàn)了許多抗相位衰落的信號檢測方法[1～9]，其中閉環(huán)工作點控制屬于主動相位補償?shù)囊环N，具有簡單、線性度好和抗光源相位噪聲等優(yōu)點[1，6]，但是干涉儀中壓電陶瓷(PZT)的引入，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，且操作不方便。

　　為了克服傳統(tǒng)閉環(huán)工作點控制的缺點，本文通過調(diào)節(jié)光源頻率，利用非平衡干涉儀兩臂光程差產(chǎn)生補償相位實現(xiàn)了無源零差檢測，利用LabVIEW平臺實現(xiàn)了閉環(huán)工作點控制檢測系統(tǒng)，并對傳統(tǒng)的信號解調(diào)算法進行了改進，從而提高了檢測精度、擴大了動態(tài)范圍。將該系統(tǒng)應用到干涉型光纖水聽器的聲壓相位靈敏度測量中，取得了滿意的結(jié)果。該閉環(huán)工作點控制系統(tǒng)具有友好、美觀的人機界面，能廣泛應用到各種干涉型光纖傳感器的動態(tài)相移檢測當中。

　　2 閉環(huán)工作點控制的基本原理[6,7]

　　圖1是無源零差的Michelson干涉型光纖水聽器閉環(huán)工作點控制系統(tǒng)示意圖。光電探測器輸出的信號經(jīng)A/D采集到計算機，通過求解工作點得到補償電壓，經(jīng)D/A輸出到光源調(diào)節(jié)光頻，從而利用干涉儀兩臂的光程差產(chǎn)生相位的補償相位。因此，干涉儀輸出的光強信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換成電壓信號后都可以寫成

　　式中，A、B是輸入光功率以及光電探測器的轉(zhuǎn)換效率成正比的常量，B還與干涉儀的相干系數(shù)有關(guān);φ0是干涉儀兩臂的初始光程差引入的相位差;φn是各種環(huán)境噪聲(主要是溫度的變化)引起的相位變化;φc是光源頻率變化引入的相移;φs是檢測的聲信號引入的相移，若光纖水聽器受到角頻率為ωs的正弦聲信號的作用，則有φs=Cssinωst，其中Cs是聲信號引起的最大相移。

　　若定義系統(tǒng)的工作點為

　　則式(1)可以寫成

　　將式(3)用Bessel函數(shù)展開可得

　　式中，Jk(Cs)是第一類k階Bessel函數(shù)。式(4)經(jīng)低通濾波去掉所有倍頻項，得到

　　一般，環(huán)境溫度變化非常緩慢，由式(2)可知，φp是一個頻率很低的信號，φs頻率相對較高。因此，在足夠短的一段數(shù)據(jù)上可以將φp看成常數(shù)，則由式(5)可知，濾波后的信號是一個含直流量的正弦信號，頻率是ωs，其直流幅度和交流幅度分別記為VD和VA，則有

　　傳統(tǒng)算法認為工作點正好被控制在π/2，即φP=π/2，且取近似J0(Cs)≈1，J1(Cs)≈Cs/2，則由式(7)可得聲信號引起的動態(tài)相移幅度Cs。這要求工作點控制精度很高，而且信號幅度很小，否則解調(diào)誤差會急劇增加。

　　為了克服傳統(tǒng)算法的缺點，對其進行了改進。假設(shè)J0(Cs)≈1(當φP和CS滿足一定條件時，這種假設(shè)是合理的[8])，則由式(6)和關(guān)系式sin2φP+COS2φP=1可得

　　由式(8)求得工作點φP后，計算偏離量△φP=π/2-φP，若大于設(shè)定的閾值△φP，則調(diào)節(jié)加在光源上的電壓使之改變Δυ，相應的工作點變化△φP，讓光纖水聽器工作在靈敏區(qū);若小于設(shè)定的閾值，即△φP<△φP，則將式(8)帶入式(7)，保留一階Bessel函數(shù)的前3項可得

　　式中

　　求解方程式(9)即可得到信號幅度CS。算法改進后，系統(tǒng)不再受CS《1的限制，擴大了檢測的動態(tài)范圍;對于一般的小信號檢測，工作點控制的閾值不必設(shè)得很小，大大縮短了控制的時間，從而加快了檢測的速度;另外，南于對Bessel函數(shù)取了更高階的近似，信號解調(diào)的精度也提高了[8]。

　　由上面的分析，要實現(xiàn)工作點控制，必須知道參數(shù)A、B以及△υ與△φP間的關(guān)系，即相位調(diào)制系數(shù)cφ/υ=△φP/Δυ。用高頻大幅度線性電壓信號對光源進行調(diào)制，則有φc=kt，k為最大調(diào)制電壓對應的相移，若此時不加聲信號，由式(1)可得

　　式中，φcon=φ0+φn，相對調(diào)制信號變化非常緩慢，近似為常數(shù)。從式(11)不難看出，此時輸出信號為一個含直流量、初始相位不為零的余弦信號。采集足夠長的一段數(shù)據(jù)，找到一組相鄰的極大、極小值，分別記為Vmax、Vmin，并找出它們對應的調(diào)制電壓，分別記為υmax、υmin。而余弦信號相鄰的極大、極小值問的相位變化為π，因此可得

　　3 閉環(huán)工作點控制的LabVIEW實現(xiàn)

　　LabVIEW是美國National Instnlments(NI)公司于20世紀80年代中期推出的基于虛擬儀器(VI)概念的工作平臺。它采用圖形化的G語言進行編程，程序清晰，調(diào)試方便。LabVIEW功能強大，且具有開發(fā)簡單、實時性強和界面友好等優(yōu)點，非常適合實時的檢測與控制。

　　根據(jù)閉環(huán)工作點控制的基本原理，用LabVIEW實現(xiàn)了編程，程序主要包括A/D和D/A驅(qū)動程序、工作點控制參數(shù)計算、工作點及其偏移量計算模塊、調(diào)制電壓偏移量計算和時域及頻域信號顯示。由于使用的是N1公司的數(shù)據(jù)采集卡，LabVIEW子程序庫中有通用的A/D、D/A驅(qū)動程序，只要進行簡單的參數(shù)設(shè)置即可使用。借助LabVIEW豐富的算術(shù)(numeric)和邏輯運算(bulean)功能，利用FOR循環(huán)結(jié)構(gòu)、A/D和D/A驅(qū)動程序可以實現(xiàn)信號的離散化采集以及計算得到工作點控制所需的3個參數(shù)A、B和cφ/υ，從而計算出偏置電壓△V，通過采集卡的D/A通道輸出至光源，進行工作點控制，再結(jié)合LabVIEW的While循環(huán)，可以實現(xiàn)對干涉儀工作點的長期閉環(huán)跟蹤和控制，獲得穩(wěn)定的輸出信號。

　　4 實驗及結(jié)果

　　應用該系統(tǒng)對某一干涉型光纖水聽器聲壓靈敏度進行了測量，實驗設(shè)計如圖2所示。光纖水聽器聲壓相位靈敏度通過與標準壓電水聽器比較的方法獲得。信號源輸出的信號經(jīng)功率放大后驅(qū)動聲壓罐，產(chǎn)生準平面聲波。標準壓電水聽器和光纖水聽器輸出的信號，分別進行放大濾波和光電轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)A/D同時采集到計算機進行處理。計算得到干涉儀的工作點，若偏離π/2的值大于設(shè)置的域值，則經(jīng)D/A輸出直流電壓信號至光源調(diào)節(jié)光頻，從而進行相位補償，將工作點拉回到π/2附近，讓系統(tǒng)一直工作在最靈敏的檢測區(qū)域。圖3是工作點控制前、后光纖水聽器輸出信號的對比?？梢钥吹剑M行控制前輸出信號的幅度不穩(wěn)定，控制后可以獲得穩(wěn)定的輸出信號。圖4是實驗中工作點控制的情況?？梢钥吹?，進行控制前工作 點在O～π問緩慢變化，控制后工作點基本穩(wěn)定在π/2附近。

　　光纖水聽器兩臂的光纖長度差為15 m，光源波長為1550nm，經(jīng)測試系統(tǒng)的相位調(diào)制系數(shù)約為cφ/υ=0.24 rad/V。光纖水聽器聲壓相位靈敏度頻響如圖5所示?？梢钥吹?，在測量頻帶102～2