辛建光

摘 要：干涉型光纖傳感器具有靈敏度高、體積小和抗電磁干擾等特點，但它易受環(huán)境影響發(fā)生隨機相位漂移，導(dǎo)致信號衰落及探測靈敏度降低，因此必須解決相位漂移問題。由于相位載波法系統(tǒng)不穩(wěn)定，該文在光纖低頻弱磁傳感器中使用了交流相位跟蹤法（PTAC）進行相位補償。并將實驗結(jié)果與當(dāng)前多被采用的直流相位跟蹤法進行了對比，證明PTAC相位補償具有更好的性能，PTAC的采用提高了傳感器的穩(wěn)定性和精確度。

關(guān)鍵詞：光纖 磁場傳感器 PTAC PTDC

中圖分類號：TN253 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0040-02

干涉型光纖傳感器具有靈敏度高、體積小和抗電磁干擾等特點，但它易受環(huán)境影響發(fā)生隨機相位漂移，導(dǎo)致信號衰落及探測靈敏度降低，因此必須解決相位漂移問題。在實際應(yīng)用中，已經(jīng)提出了相位載波、光纖耦合器等被動零差解調(diào)技術(shù)以及利用壓電陶瓷（PZT）作為反饋元件的主動零差技術(shù)、外差技術(shù)等方法。要想獲得外界被測物理量，就需要將與之對應(yīng)的相位信息從干涉儀的輸出信號中解調(diào)出來，目前常用于干涉型光纖傳感器的相位檢測解調(diào)技術(shù)可以分為如下兩類：零差檢測和外差檢測。零差檢測包括主動零差檢測和被動零差檢測等。外差檢測則包括普通外差檢測，合成外差檢測以及偽外差檢測等。零差檢測方法是一種利用解調(diào)電路直接將光纖干涉儀輸出信號中所包含的與外界被測物理量相關(guān)的相位信息提取出來的方法。這種方法的優(yōu)點主要包括：靈敏度較高，不容易產(chǎn)生諧波失真現(xiàn)象，具有良好的線性，體積較小以及功耗較低等；缺點則是需要用到一些特殊的器件，或者采取復(fù)雜的反饋控制電路。與零差檢測方法不同，外差檢測方法并不直接提取相位信息，而是利用與外界被測物理量有關(guān)的相位信息，對光纖干涉儀參考臂中產(chǎn)生的拍頻信號進行調(diào)制之后，再使用解調(diào)電路解調(diào)出相位信號。與零差檢測方法相比，盡管外差檢測方法所能夠解調(diào)的相位范圍較大，也不需要使用復(fù)雜的反饋電路，但拍頻信號的產(chǎn)生卻在一定程度上增加了光路的復(fù)雜性，這是因為要產(chǎn)生拍頻信號必須在干涉儀參考臂中使用移頻器，另外外差檢測方法在電路的實現(xiàn)上也有較高的復(fù)雜性。綜上，由于相位載波法系統(tǒng)不穩(wěn)定，該文在光纖低頻弱磁傳感器中使用了交流相位跟蹤法（PTAC）進行相位補償。并將實驗結(jié)果與當(dāng)前多被采用的直流相位跟蹤法進行了對比，證明PTAC相位補償具有更好的性能，PTAC的采用提高了傳感器的穩(wěn)定性和精確度。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理

光纖弱磁干涉?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。換能器是在跑道型骨架上的直線部分的兩側(cè)分別粘貼金屬玻璃薄膜，將傳感臂光纖纏繞在該骨架上，采用環(huán)氧樹脂膠與金屬玻璃薄膜做點連接，相位補償單元在實驗中采用交流相位跟蹤法。

設(shè)被測直流磁場為，交流調(diào)制磁場為，則換能器上總磁場為：

（1）

由磁致伸縮相干旋轉(zhuǎn)模型，光波相位變化與磁場的關(guān)系近似為：

（2）

其中，C是與泊松比、波長等有關(guān)的系數(shù)。經(jīng)光電探測放大后輸出電壓信號為

（3）

式中：A、B是正比于輸入光功率的常數(shù)；a是由外界環(huán)境變化所帶來的隨機漂移相位，相位變化由直流相位和交流相位組成。直流相位包括隨機相位漂移a、待測磁場信號和交流調(diào)制磁場信號幅度引起的相移，有

（4）

交流相位包含2項，分別為：

（5）

（6）

2 交流相位跟蹤法（PTAC）

實驗中使用PTAC法作為相位補償，PTAC利用干涉儀的輸出信號產(chǎn)生反饋控制信號，將其作用在干涉儀中的相位調(diào)制器上進行相位補償，以抵消外界溫度變化、偏振態(tài)變化等引起的相位隨機起伏，從而使傳感器工作在最佳工作點上。信號反饋提取流程如圖2所示。

信號經(jīng)差分放大，再AGC后，輸出電壓信號表示為：

（7）

其中為光電探測器電流，K為比例放大倍數(shù)，為振蕩器驅(qū)動PZT在光纖中產(chǎn)生的相位差，，由于被測磁場遠小于換能器上的調(diào)制磁場，項可以忽略不計，則式（7）可寫作：

（8）

當(dāng)PTAC系統(tǒng)鎖定在π（N為整數(shù)）時，系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，因此式（8）只取第一項，并將其展開成傅立葉-貝塞爾函數(shù)得：

（9）

式（9）中：為n階貝賽爾函數(shù)。

為實現(xiàn)信號解調(diào)，將與PZT調(diào)制信號同頻率的振蕩信號和V相乘，待測信號具有相同頻率的項（n=0）為：

（10）

從式（10）可以看到，乘法器輸出的信號中仍有調(diào)制信號，因此信號還要經(jīng)鎖定放大器，信號處理系統(tǒng)最后輸出信號為：

（11）

同時，從對干涉型光纖磁場傳感器系統(tǒng)固有噪聲所作的分析來看，要測量更低的最小可探測磁場，提高系統(tǒng)分辨率，就必須減小噪聲對信號的影響。但噪聲是每個系統(tǒng)與生俱來的，沒有任何系統(tǒng)能做到完全無噪聲，所以必須采取一定的措施來減少噪聲的影響，尤其是在對傳感信號進行解調(diào)的時候，使用盡可能有效的抑制或降低噪聲的方法就顯得極其重要。

對噪聲進行消除的工作可以從環(huán)境噪聲以及系統(tǒng)本底噪聲兩方面展開。有比較多的消除環(huán)境噪聲的方法。可以采用噪聲屏蔽設(shè)備，如聲音隔離和適當(dāng)?shù)臏p震臺的應(yīng)用，減少外界對系統(tǒng)的影響。由于反饋控制回路的正常工作，將光纖干涉儀的偏置相位始終穩(wěn)定在共模補償工作點，有效避免了緩慢變化的環(huán)境噪聲對干涉儀光相位的干擾。對于系統(tǒng)本底噪聲，可以通過對系統(tǒng)的分析，選擇質(zhì)量和性能指標(biāo)更加優(yōu)異和可靠的元器件來從根本上減小本底噪聲。比如盡可能選用強度與頻率抖動均很小的窄線寬的半導(dǎo)體激光器作為干涉型光纖傳感器的光源，目前很多商用的半導(dǎo)體激光器都能滿足這方面的要求。另外還可以通過合理的系統(tǒng)設(shè)計和工藝制作流程來盡量減少可能產(chǎn)生噪聲的因素。比如使用光學(xué)精密反射儀嚴(yán)格控制光纖干涉儀的臂長差，來減小相位噪聲。

除了從以上幾種從噪聲的產(chǎn)生與引入角度入手，通過對硬件進行必要的改善來降低系統(tǒng)本底噪聲的方法之外，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的采用數(shù)字信號處理技術(shù)來降低噪聲，并提取出淹沒在噪聲背景下的微弱信號?，F(xiàn)有光纖傳感信號解調(diào)是基于硬件電路實現(xiàn)的，盡管這是目前主要采用的方法，但需要設(shè)計較為復(fù)雜的電路。在干涉型光纖傳感器中，包含有待檢測信息的有用光信號十分微弱并受到系統(tǒng)光路光噪聲的影響。該信號在被光電檢測器轉(zhuǎn)換為電信號之后，利用解調(diào)電路實施傳感信號解調(diào)和提取的過程中，更是會受到電噪聲的影響，使得解調(diào)電路的噪聲特性成為限制系統(tǒng)傳感性能提升的重要因素。而且使用硬件電路來進行信號解調(diào)的傳統(tǒng)方法有其不靈活性和局限性。比如在相位檢測法中，利用鎖定放大器來檢測包含有微弱直流磁場信息的傳感信號，如果交流激勵磁場過大，有出現(xiàn)輸出飽和現(xiàn)象的可能，那么就要求鎖定放大器應(yīng)具備一定的動態(tài)范圍。與此同時，從當(dāng)前傳感器研究的發(fā)展趨勢來看，傳感器的陣列化和遠距離測量監(jiān)控將是今后很長一段時間的重要研究方向。如果能夠在原有干涉型光纖微弱磁場傳感器的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)的控制與解調(diào)模塊剝離出來，放置于遠程監(jiān)控端，將有可能對干涉型光纖微弱磁場傳感器的實用化產(chǎn)生積極的推動作用。因此就可以借助嵌入式處理器DSP的高性能處理能力，運用數(shù)字信號處理技術(shù)對干涉型光纖傳感系統(tǒng)差分放大器的輸出進行處理，利用軟件解調(diào)的辦法實現(xiàn)對傳感信號的提取。在算法實現(xiàn)理想的情況下，軟件解調(diào)是不會引入計算噪聲的。相比硬件電路解調(diào)而言，軟件解調(diào)具有十分靈活的特點，它只需要通過修改相應(yīng)的代碼就能輕松實現(xiàn)對各種參數(shù)的調(diào)節(jié)。更重要的一點在于，在軟件解調(diào)的過程中，可以通過添加各種信號處理單元方便地對有待解調(diào)的信號進行降噪處理。

3 實驗分析與比較

為驗證PTAC法系統(tǒng)的性能，在相同的實驗條件下，本實驗與通常使用的PTDC法實驗結(jié)果進行比較。并對實驗結(jié)果進行比較。PTDC法具有結(jié)構(gòu)簡單、電學(xué)復(fù)雜性低、信號畸變小、系統(tǒng)處于線性狀態(tài)的優(yōu)點，在干涉型光纖傳感器中被廣泛使用。其信號反饋提取流程如圖3所示。

兩路光信號通過差分放大后，經(jīng)低通濾波器，濾出直流和低頻分量再積分，加載的PZT上，作為相位補償。工作點在π/2。

激光器波長1550 nm，使用熊貓型保偏光纖，直徑125 um，換能器中光纖有效的傳感長度為2 m。調(diào)制磁場頻率為13 kHz，調(diào)制磁場幅度4000 nT。PTAC法中PZT上的調(diào)制頻率為800 Hz。

3.1 穩(wěn)定性比較

調(diào)整鎖定放大器的放大倍數(shù)，使分別采用兩種方法的實驗系統(tǒng)，在檢測相同大小的被測信號時，輸出電壓值基本一致。鎖定放大器輸出被測信號波形如圖4所示，PTDC法在系統(tǒng)穩(wěn)定后被測信號波動范圍為33 mV，相對誤差為8%，而PTAC法在系統(tǒng)穩(wěn)定后被測信號波動范圍為8 mV，相對誤差為2%，顯然PTAC法具有更高的穩(wěn)定性，可以推斷PTAC法具有更穩(wěn)定的工作點。

3.2 線性度比較

由于載波的引入，可以使用自動增益控制電路（AGC）消除光源功率波動和偏振態(tài)變化的影響，獲得更穩(wěn)定的輸出。在同實驗條件下，分別運用PTDC與PTAC兩種補償方法測量200 nT～800 nT的幾組數(shù)據(jù)進行比較，PTAC法的線性度為0.7%，PTDC法的線性度為3%，磁場響應(yīng)曲線如圖5所示，PTAC法的線性度明顯好于PTDC法。在實驗中采用PTAC法進行相位補償，系統(tǒng)的精度得到了提高。

4 結(jié)語

我們在低頻弱磁傳感器中使用了兩種相位補償方法，都實現(xiàn)了控制工作點的目的，而PTAC法較PTDC法，雖然系統(tǒng)更復(fù)雜，但它能更好地控制系統(tǒng)的增益帶寬積，實現(xiàn)鎖相，PTAC法使傳感器具有更好的重復(fù)性和線性度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

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