隨著對(duì)光纖性質(zhì)研究的逐步深入，發(fā)現(xiàn)外界信號(hào)可對(duì)光纖中傳播的光波進(jìn)行調(diào)制，由此誕生了光纖傳感技術(shù)1目前光纖傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域， 在地震檢測、溫度報(bào)警等方面廣泛應(yīng)用。各種類型的光纖傳感器各有其顯著的特點(diǎn)。光相位調(diào)制型傳感器因其靈敏度高、便于實(shí)現(xiàn)全光纖傳感等優(yōu)點(diǎn)而在近年來得到了深入的研究。

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(dāng)傳感光纖受到外界機(jī)械或溫度場的作用時(shí)，外界信號(hào)通過光纖的力應(yīng)變效應(yīng)、熱應(yīng)變效應(yīng)、彈光效應(yīng)及熱光效應(yīng)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(dǎo)致光纖中的光相位變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)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(qiáng)比1∶1的兩束光分別進(jìn)入信號(hào)臂和參考臂光纖，再經(jīng)3×3對(duì)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(qiáng)的變化，在光纖參量基本恒定的條件下，信號(hào)臂與參考臂之間的位相差變化正比于外界信號(hào)。

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(hào)轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的干涉條紋光強(qiáng)變化1由光束干涉原理可知，干涉儀產(chǎn)生的干涉光強(qiáng)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(hào)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(jì)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(hào)峰值及頻率的不同干涉波形會(huì)產(chǎn)生很大的變化。圖2給出了信號(hào)p（ t） = p0 ×sin （wt） （其中p0 為信號(hào)振幅， w為信號(hào)頻率）時(shí)干涉波形隨信號(hào)振幅的變化情況。

圖2原始信號(hào)與不同幅度調(diào)制信號(hào)比較圖

由圖2可見，和原信號(hào)（曲線a）相比，原信號(hào)幅度較小（曲線b和c）時(shí)，波形失真不大;而原信號(hào)幅度較大（曲線d）時(shí)，波形失真非常明顯1因此在大信號(hào)情況下必須對(duì)輸出的干涉信號(hào)進(jìn)行解調(diào)才能恢復(fù)原始信號(hào)的頻率和振幅。

2當(dāng)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(hào)p（ t） 。解調(diào)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信號(hào)恢復(fù)的惟一方法，也是相位調(diào)制型傳感應(yīng)用的關(guān)鍵和難點(diǎn)目前國內(nèi)外的解調(diào)提取信號(hào)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(hào)方法特點(diǎn)

硬件解調(diào)提取信號(hào)方法主要是指完全依靠對(duì)電路和光路的設(shè)置或調(diào)制來實(shí)現(xiàn)相位解調(diào)的方法1按照信號(hào)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(shí)現(xiàn)全光纖化檢測以及解決相移和振幅失配可能導(dǎo)致檢測閾值降低的問題，目前通常采用零差解調(diào)方法。當(dāng)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(fù)雜，系統(tǒng)制造周期長，成本較高。

2. 2軟件解調(diào)提取信號(hào)方法特點(diǎn)

軟件解調(diào)提取信號(hào)方法是指部分依靠PC機(jī)和軟件實(shí)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(hào)的處理由微機(jī)實(shí)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. 3Labview軟件的特點(diǎn)

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(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)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(fù)雜性，為用戶提供強(qiáng)大功能的同時(shí)還充分保證了系統(tǒng)靈活性。

3實(shí)驗(yàn)研究

3. 1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)使用3×3耦合器對(duì)稱無源零差方法對(duì)相位差進(jìn)行解調(diào)。系統(tǒng)前端采用如圖1所示的3 ×3對(duì)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(gè)相位輸出的互補(bǔ)對(duì)稱特性可知，從C2輸出的3路信號(hào)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(duì)應(yīng)耦合器的探測器序號(hào)。

軟件解調(diào)流程如圖3所示：將3項(xiàng)Um 求和后除以3得到信號(hào)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(hào)的變化量Xm;然后分別將Xm 對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到dXm /dt;其后再將每一路信號(hào)Xm與另兩路信號(hào)求導(dǎo)差相乘;依此處理的3路信號(hào)乘積和即可消去式（ 4）余弦，僅剩余帶系數(shù)的導(dǎo)數(shù)dp（ t） /dt。考慮到此式系數(shù)中仍包含有條紋襯比度，故將Xm3路信號(hào)的平方和與其相除，再對(duì)結(jié)果求時(shí)間的積分，即可完整恢復(fù)原信號(hào)函數(shù)p（ t）。

圖3軟件信號(hào)解調(diào)部分原理框圖

3. 2實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)的解調(diào)功能。實(shí)驗(yàn)中對(duì)各種情況下原始信號(hào)的解調(diào)結(jié)果進(jìn)行了模擬和對(duì)比。

3. 2. 1普通正弦信號(hào)的解調(diào)

當(dāng)原始信號(hào)為Pa （ t） = 3π ×sin （2πf t） ， f = 100 Hz時(shí)， p（ t）可視為理想的簡諧波1圖3中各節(jié)點(diǎn)a、b、c、d的波形如圖4所示。 由圖4各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)波形圖可見，軟件解調(diào)可探測到與硬件解調(diào)對(duì)應(yīng)位置相同的波形，說明簡諧波Pa （ t）調(diào)制信號(hào)經(jīng)過該程序后得到了正確恢復(fù)。

圖4a單路經(jīng)過微分處理信號(hào)波形

圖4b單路平方波形

圖4c一路信號(hào)與另兩路微分信號(hào)之差的乘積

圖4d最終解調(diào)信號(hào)

圖4信號(hào)為Pa（ t）=3π×sin（2πf t），f = 100 Hz時(shí)解調(diào)過程中各節(jié)點(diǎn)波形

3. 2. 2疊加諧波時(shí)信號(hào)的解調(diào)

考慮到實(shí)際信號(hào)的復(fù)雜諧波構(gòu)成，必須考慮解調(diào)程序在包含高次諧波時(shí)執(zhí)行的情況1當(dāng)原始信號(hào)為， Pc（t）=4π×sin （2πf t） +π×sin（12πf t） ， f=100 Hz時(shí)， 原始諧波信號(hào)與解調(diào)信號(hào)如圖5所示1由圖5可見，軟件解調(diào)可以恢復(fù)由諧波組成的原始波形。

圖5a原始諧波信號(hào)

圖5b解調(diào)諧波信號(hào)

圖5原始信號(hào)為Pb （ t） = 4π×sin（2πf t） +π×sin （12πf t） ，f = 100Hz時(shí)解調(diào)圖

3. 2. 3探測器響應(yīng)不均衡時(shí)信號(hào)的解調(diào)

由于探測器的光電響應(yīng)物理特性不盡相同，可能導(dǎo)致3個(gè)探測電壓（Um ）出現(xiàn)偏差。現(xiàn)假設(shè)3路探測電壓相差10%，當(dāng)原始信號(hào)為Pc （ t） = 2π×sin （2πf t） ， f = 100 Hz時(shí)，解調(diào)信號(hào)波形如圖6所示?？梢姡?dāng)3路探測信號(hào)出現(xiàn)較小的不平衡時(shí)，解調(diào)軟件可以基本完整的恢復(fù)原始波形。

3. 2. 43 ×3耦合器各端口相位差偏離2π/3時(shí)信號(hào)的解調(diào)

實(shí)際光耦合器的光功率分配比不可能達(dá)到理想狀態(tài)，因此會(huì)導(dǎo)致相位差不準(zhǔn)確1假設(shè)功率分配比不同導(dǎo)致相位差偏離2π/3達(dá)到10%即π/15，當(dāng)原始信號(hào)為Pd（t） = 2π×sin （2πf t） ， f = 100Hz時(shí)，解調(diào)信號(hào)波形如圖7所示。從解調(diào)結(jié)果可知，較小的光功率分配不均衡對(duì)解調(diào)造成的影響可以忽略。

圖6原信號(hào)為Pc（ t）且三路探測器響應(yīng)度偏差10%時(shí)的解調(diào)波形

圖7原信號(hào)為Pd（ t）且耦合器端口相位差偏離理想值10%時(shí)的解調(diào)波形

3. 2. 5不同頻率信號(hào)的解調(diào)波形

考慮到信號(hào)頻率可能覆蓋較大的范圍，因此采用多種頻率的原始信號(hào)進(jìn)行解調(diào)測試，結(jié)果如圖8所示。對(duì)于0～2KHz頻率范圍內(nèi)的原始信號(hào)，這種軟件解調(diào)方法均能實(shí)現(xiàn)完整的解調(diào)恢復(fù)。

圖8af = 5Hz解調(diào)信號(hào)

圖8bf = 100Hz解調(diào)信號(hào)

圖8cf = 500Hz解調(diào)信號(hào)

圖8df = 2000Hz解調(diào)信號(hào)

圖8不同頻率原始信號(hào)的解調(diào)波形

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

上試驗(yàn)覆蓋了實(shí)際傳感系統(tǒng)中可能存在的非理想情況。從測試結(jié)果可以看出：在原始信號(hào)疊加有高次諧波、探測器響應(yīng)度不均衡或耦合器相位差偏離標(biāo)準(zhǔn)值、原始信號(hào)頻率較高等各種條件下，采用這種軟件解調(diào)方法恢復(fù)的波形雖然出現(xiàn)了一定程度的噪聲和波形失真，但仍具有較高的信噪比和基本形狀，因此并不影響對(duì)原始信號(hào)的分析1總體而言，由Labview編制的基于3×3對(duì)稱耦合器的軟件解調(diào)方案可準(zhǔn)確恢復(fù)中低頻的原始信號(hào)。

如果結(jié)合軟件的頻譜分析以及閾值報(bào)警等函數(shù)，還可以進(jìn)行事件類型的判斷以及報(bào)警，從而具備一個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能。利用Labview軟件解調(diào)，還能夠充分應(yīng)用軟件的強(qiáng)大功能：可以靈活地實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)匹配而實(shí)現(xiàn)波形的完整復(fù)現(xiàn);可以根據(jù)需要加入濾波器濾除信號(hào)譜外和以及微分引起的高頻噪聲;可以將采集的數(shù)字波形任意處理而不必如電路一般考慮的阻抗匹配以及負(fù)載過多等多種因素，便于信號(hào)多次重復(fù)利用。

5結(jié)論

與目前常用的軟件解調(diào)系統(tǒng)相比，使用Labview本身具有的多種信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊，使得開發(fā)專用的波形時(shí)域和頻域處理軟件更為準(zhǔn)確，直觀，便捷。該系統(tǒng)不僅可以作為硬件解調(diào)系統(tǒng)的模擬仿真和有力補(bǔ)充，而且可以獨(dú)立有效的執(zhí)行信號(hào)處理和解調(diào)的全部功能。

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