干涉型光纖傳感器的正交解調(diào)算法分析

1 引言

作為全光纖傳感器，相位調(diào)制傳感器是通過(guò)被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再利用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。它由敏感光纖和干涉儀完成相位—光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。

光纖干涉儀的基本結(jié)構(gòu)是由激光器發(fā)出的相干光經(jīng)3dB耦合器分為兩路，一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂，不接受信號(hào)調(diào)制。傳感臂中受到地震動(dòng)信號(hào)調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)過(guò)后端反射鏡反射后返回光纖耦合器，與參考臂中的光發(fā)生干涉，干涉的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由信號(hào)處理就可以獲得的震動(dòng)信息。

光通過(guò)干涉儀兩臂后發(fā)生干涉，探測(cè)器接受到的干涉光光強(qiáng)為

其中Ф0為兩臂光纖臂本身參數(shù)不對(duì)稱以及外界因素等原因造成的初始相位差， 為震動(dòng)信號(hào)作用造成的相位差。

2 干涉型光纖傳感器工作原理

為了提高探測(cè)器的靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)震動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度的線性測(cè)量，就必須解決初始相位Ф0的漂移問(wèn)題。對(duì)這一問(wèn)題，可以用相位產(chǎn)生載波(PGC)檢測(cè)法來(lái)解決。PGC調(diào)制解調(diào)分為外調(diào)制和內(nèi)調(diào)制，外調(diào)制是通過(guò)調(diào)制干涉儀兩臂的光程差來(lái)實(shí)現(xiàn)，他需要在干涉儀中增加由PZT壓電陶瓷環(huán)和纏繞在它上面的光纖的相位調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)正弦信號(hào)作用于壓電陶瓷，光纖長(zhǎng)度隨壓電陶瓷環(huán)直徑成正比變化，于是兩臂的產(chǎn)生兩臂的光程差別調(diào)制。 其外調(diào)制如圖1所示。

3 光電流信號(hào)中的正交調(diào)制分解

4 正交解調(diào)算法

圖2 光電流信號(hào)中 、 正交分量示意圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)正交解調(diào)方法原理的分析，可知測(cè)量的光強(qiáng)度公式可以分解成正交的正弦分量和余弦分量的組合，待測(cè)物理量所引起的對(duì)光強(qiáng)的影響可包含在著兩個(gè)分量中。在測(cè)量過(guò)程中，只要選擇合適的采樣點(diǎn)，并通過(guò)一定的組合計(jì)算，就可以分別得到只包含一個(gè)分量成分的結(jié)果，同時(shí)消除了直流因子。通過(guò)兩分量值之比可以方便求解出待測(cè)物理量的值，使整個(gè)解調(diào)過(guò)程簡(jiǎn)單化，避免了常規(guī)的低通濾波的復(fù)雜性。但對(duì)于調(diào)制深度不是π，或者調(diào)制信號(hào)存在一定的初相位時(shí)，其處理過(guò)程需要做進(jìn)一步的分析，并進(jìn)行必要的校正。