盛維濤, 曾祥豹，張文君，袁宇鵬，張祖?zhèn)?/p>

(1.四川省裝備制造業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽(yáng) 618000；2.中電科技集團(tuán) 重慶聲光電有限公司，重慶 401332； 3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶 400060；4.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000)

0 引 言

隨著光纖通信技術(shù)的進(jìn)步和低損耗零色散光纖的出現(xiàn)，光纖傳感技術(shù)有著迅猛的發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的電法傳感系統(tǒng)，光纖傳感系統(tǒng)有著本征無(wú)源安全、抗電磁干擾、測(cè)量精度高等突出優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)、海嘯預(yù)警、水聽聲吶等國(guó)防安全和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域[1-3]。在海底地震監(jiān)測(cè)及海嘯預(yù)警方面，傳統(tǒng)的電法地震傳感器存在著供電困難，組網(wǎng)效率低等弊端，而采用光纖振動(dòng)傳感器可實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)傳感，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害等低頻信號(hào)的探測(cè)精度和信號(hào)傳輸距離都能得到保障，全光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的研究和應(yīng)用將是未來(lái)振動(dòng)傳感系統(tǒng)的發(fā)展方向。

光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)中多采用光纖干涉的手段，通過波長(zhǎng)細(xì)分的方式干涉測(cè)量的精度可達(dá)到10-6rad，因此，干涉測(cè)量手段被廣泛應(yīng)用于高精度測(cè)量和大動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用場(chǎng)合[4]。對(duì)于干涉光信號(hào)的處理多采用相位生成載波的解調(diào)方式，其本質(zhì)是對(duì)干涉信號(hào)的調(diào)制解調(diào)和提取還原。干涉信號(hào)為調(diào)相信號(hào)的形式，將被測(cè)振動(dòng)信號(hào)的頻譜進(jìn)行展寬，為有效解調(diào)和還原出相應(yīng)的被測(cè)振動(dòng)信號(hào)，需要在信號(hào)采集端匹配高采樣率來(lái)進(jìn)行對(duì)干涉信號(hào)的采集。S.Binu等[5]提出采用強(qiáng)度調(diào)制原理研制光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)75～275 Hz振動(dòng)信號(hào)的有效探測(cè)。P.Bagnoli等[6]應(yīng)用摻鉺光纖激光器的深海水聽器實(shí)現(xiàn)對(duì)20～100 kHz信號(hào)的高精度探測(cè)。但現(xiàn)有的光纖檢測(cè)系統(tǒng)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)解調(diào)方面的制約，系統(tǒng)頻響特性均在1 Hz以上，暫未發(fā)現(xiàn)可達(dá)到0.01 Hz振動(dòng)響應(yīng)的報(bào)告。但在地震探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用之中，地震波成分中低頻分量的占比很高，因此，對(duì)于低頻振動(dòng)的探測(cè)有著重要的意義。同時(shí)，在進(jìn)行低頻振動(dòng)信號(hào)的解調(diào)還原時(shí)，數(shù)據(jù)處理的周期長(zhǎng)，很難保證解調(diào)輸出結(jié)果的實(shí)時(shí)性。

為有效解決信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)處理量過大、信號(hào)解調(diào)實(shí)時(shí)性不高的弊端，信號(hào)解調(diào)處理單元采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者的程序結(jié)構(gòu)模式。生產(chǎn)者-消費(fèi)者程序結(jié)構(gòu)模式是NI公司提出的一種程序設(shè)計(jì)理念，其核心在于將高速數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元和低速的數(shù)據(jù)處理單元分離，并通過隊(duì)列的形式完成數(shù)據(jù)生產(chǎn)單元和數(shù)據(jù)處理單元之間數(shù)據(jù)的流動(dòng)和處理[7-8]。本文重點(diǎn)研究將生產(chǎn)者-消費(fèi)者的程序結(jié)構(gòu)模式應(yīng)用于光纖相位振動(dòng)傳感系統(tǒng)的相位解調(diào)環(huán)節(jié)，完成關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及程序編寫，并對(duì)超低頻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試與驗(yàn)證。

1 光纖振動(dòng)系統(tǒng)原理組成及設(shè)計(jì)

光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)是采用光纖干涉的方式進(jìn)行外界振動(dòng)傳感測(cè)量的，傳感的核心單元為振動(dòng)傳感檢波器。振動(dòng)傳感檢波器是光纖順變柱體結(jié)構(gòu)的傳感換能原件，其可將外界振動(dòng)轉(zhuǎn)換成為對(duì)傳感光纖長(zhǎng)度的拉伸，光纖長(zhǎng)度的變化引起光程差的變化，輸出干涉條紋就會(huì)相應(yīng)改變，進(jìn)一步對(duì)光纖干涉信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)可還原出相應(yīng)的被測(cè)振動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)所采用的是激光器內(nèi)調(diào)制的調(diào)制方案，不會(huì)引入附加的光電模塊可實(shí)現(xiàn)全光纖網(wǎng)絡(luò)的組建和鋪設(shè)。在調(diào)諧分布反饋式半導(dǎo)體激光器光頻時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流的改變會(huì)引起激光器諧振腔載流子濃度的變化，進(jìn)一步導(dǎo)致輸出光功率的變化而產(chǎn)生伴生調(diào)幅現(xiàn)象，即在調(diào)整光頻的同時(shí)輸出光功率也會(huì)產(chǎn)生變化[9]。為消除伴生調(diào)幅影響，系統(tǒng)采用干涉光波信號(hào)和激光器輸出信號(hào)做比相消的方式去除影響。

光纖振動(dòng)解調(diào)系統(tǒng)原理如圖1，分布反饋式半導(dǎo)體激光器(distributed feedback laser diodes，DFB-LD)輸出的激光經(jīng)過3 dB耦合器分成2路：一路為內(nèi)調(diào)制輸出的光強(qiáng)信號(hào)，用于消除內(nèi)調(diào)制伴生調(diào)幅的影響；另外一路激光通過環(huán)形器b端口和耦合器1輸入到順變柱體傳感檢波器中，順變柱體為傳感換能原件，可將外界的振動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成為光纖拉伸的彈性勢(shì)能[10]。順變柱體由2個(gè)硅膠柱體和1個(gè)質(zhì)量塊組成，硅膠柱體上緊密纏繞著光纖，光纖的末端接有法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，入射光于旋轉(zhuǎn)鏡上反射后沿原光路返回，并在耦合器2與原光線發(fā)生干涉，因?yàn)榉ɡ谛D(zhuǎn)鏡有偏振無(wú)關(guān)的特性可有效避免偏振衰落現(xiàn)象的產(chǎn)生[11-12]。反射回的激光會(huì)在耦合器中產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，形成邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，干涉光波經(jīng)由環(huán)形器c端口輸出。當(dāng)存在振動(dòng)信號(hào)時(shí)，順變柱體慣性質(zhì)量塊的振動(dòng)會(huì)對(duì)上下硅膠柱體產(chǎn)生擠壓和拉伸作用使得硅膠柱體徑向直徑改變，直徑的改變會(huì)作用在光纖上導(dǎo)致長(zhǎng)度的拉伸，輸出干涉光相位會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。順變柱體傳感檢波器及光纖邁克爾遜干涉儀光路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)信號(hào)的傳感和干涉光信號(hào)的轉(zhuǎn)化。對(duì)于被測(cè)振動(dòng)信號(hào)的提取還原及相位解調(diào)是上位機(jī)的程序處理的相關(guān)工作。

2 生產(chǎn)者-消費(fèi)者程序結(jié)構(gòu)模式及程序設(shè)計(jì)

LabVIEW與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合可快速、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理，在工程中具有廣泛的應(yīng)用[13]，其采用圖形化的編程語(yǔ)言和數(shù)據(jù)流編程方式，數(shù)據(jù)的流向決定著程序執(zhí)行的順序。在多數(shù)采集系統(tǒng)的編程之中采用順序結(jié)構(gòu)的單循環(huán)模式，程序按照數(shù)據(jù)流流動(dòng)的方向順序執(zhí)行，此種單循環(huán)的方式程序執(zhí)行效率較低[14]。而生產(chǎn)者-消費(fèi)者是一種并行程序結(jié)構(gòu)模式，此種程序結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元和數(shù)據(jù)處理單元是通過隊(duì)列進(jìn)行耦合聯(lián)系的，圖2為生產(chǎn)者-消費(fèi)者的程序結(jié)構(gòu)模式框圖。其中，生產(chǎn)者循環(huán)是干涉信號(hào)采集程序部分即為數(shù)據(jù)產(chǎn)生單元，消費(fèi)者循環(huán)是干涉信號(hào)相位解調(diào)算法程序部分即為數(shù)據(jù)處理單元，2個(gè)循環(huán)之間通過先入先出的傳輸隊(duì)列(first input first output，F(xiàn)IFO)進(jìn)行數(shù)據(jù)流連接和控制，傳輸隊(duì)列不僅保證程序數(shù)據(jù)流的流動(dòng)還有效避免了數(shù)據(jù)間的競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)[15]。緩存監(jiān)控循環(huán)可實(shí)時(shí)對(duì)傳輸隊(duì)列數(shù)據(jù)量大小進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)緩存數(shù)據(jù)量出現(xiàn)異常時(shí)可反饋和停止程序運(yùn)行。對(duì)低頻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算時(shí)，消費(fèi)循環(huán)信號(hào)處理數(shù)據(jù)量大、處理周期長(zhǎng)，未處理的數(shù)據(jù)會(huì)緩存至隊(duì)列之中；當(dāng)解調(diào)算法程序的處理速度高于數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)速度時(shí)，消費(fèi)者循環(huán)對(duì)隊(duì)列中最先傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳輸隊(duì)列有效起到數(shù)據(jù)緩沖的作用并完成循環(huán)間的數(shù)據(jù)通信。此種程序結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提高了不同速率循環(huán)間的數(shù)據(jù)共享能力，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和解調(diào)算法并行同步運(yùn)算。生產(chǎn)者-消費(fèi)者程序結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有效緩解低頻信號(hào)采集處理時(shí)對(duì)上位機(jī)帶來(lái)的內(nèi)存壓力，極大提高了程序執(zhí)行效率，保證低頻振動(dòng)信號(hào)輸出結(jié)果實(shí)時(shí)性和連續(xù)性。

光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)采用相位生成載波(phase generated carrier，PGC)的解調(diào)方式，此種解調(diào)方式的核心在于首先將調(diào)制后的干涉信號(hào)頻譜搬移至基頻附近，再通過微分交差相乘算法將被測(cè)振動(dòng)信號(hào)從相位中解調(diào)出來(lái)。處理流程如圖3。

圖3 振動(dòng)信號(hào)提取流程圖Fig.3 Schematic of vibration signal acquisition

干涉信號(hào)經(jīng)過一倍頻與二倍頻混頻處理后，頻譜被搬移至基頻頻帶，同時(shí)形成兩路相互正交的基頻信號(hào)。兩路正交信號(hào)通過微分交差相乘算法可將被測(cè)振動(dòng)信號(hào)從干涉信號(hào)的相位中提取和還原出來(lái)，通過高通濾波器可有效濾除低頻擾動(dòng)和低頻噪聲的影響。圖4為光纖振動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及相位解調(diào)程序框圖。上位機(jī)程序中數(shù)據(jù)模式采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的形式；生產(chǎn)者循環(huán)中是數(shù)據(jù)采集程序，可以將干涉信號(hào)采集進(jìn)入上位機(jī)；消費(fèi)者循環(huán)中是相位生成載波解調(diào)算法程序，此為信號(hào)處理的核心單元；解調(diào)算法程序中低通濾波器、微分計(jì)算模塊、高通濾波器等控件由可處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的Express VI控件組成，確保解調(diào)輸出波形實(shí)時(shí)運(yùn)算和顯示。應(yīng)用生產(chǎn)者-消費(fèi)者程序結(jié)構(gòu)模式極大提高解調(diào)算法的運(yùn)行效率，同時(shí)有效避免高速數(shù)據(jù)采集和低速解調(diào)運(yùn)算之間不匹配的問題。

圖4 數(shù)據(jù)采集和相位解調(diào)程序框圖Fig.4 Schematic ofacquisition and phase demodulation

3 光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試

采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者的程序結(jié)構(gòu)模式的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，主要需針對(duì)低頻振動(dòng)信號(hào)的傳感和探測(cè)，為驗(yàn)證光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)光路正確和解調(diào)算法程序執(zhí)行有效，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)測(cè)試。振動(dòng)系統(tǒng)的激光光源采用RIO0073-3-100-3型超窄線寬DFB-LD，激光器的輸出中心波長(zhǎng)為1 550 nm，所提供輸出激光相干長(zhǎng)度可達(dá)到5 km，確保了非平衡干涉臂的臂長(zhǎng)差需求。光電轉(zhuǎn)換二極管采用LSIPD-LD-50型光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其光電轉(zhuǎn)換靈敏度達(dá)到0.9 mA/mW，滿足高精度光電轉(zhuǎn)換的需求。標(biāo)準(zhǔn)低頻振動(dòng)信號(hào)由超低頻振動(dòng)平臺(tái)(型號(hào)為CTS-1，頻帶為 0.008 3～50 Hz，靈敏度為 2 000 V/ms-1)提供，振動(dòng)平臺(tái)的激勵(lì)信號(hào)由外接信號(hào)源提供，平臺(tái)輸出的振動(dòng)頻率及振動(dòng)幅值大小均由信號(hào)源進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司PCI-6133采集卡，可進(jìn)行8路實(shí)時(shí)模擬信號(hào)的采集，采樣頻率為2.5 MS/s，分辨率為14 bit，滿足對(duì)干涉光波信號(hào)的采集需求。光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)測(cè)試的原理圖如圖5。

圖5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試架構(gòu)圖Fig.5 Schematic of the verification system

圖5中,在進(jìn)行光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)時(shí)，將順變柱體傳感檢波器緊固在低頻振動(dòng)平臺(tái)上，保證低頻振動(dòng)平臺(tái)與順變柱體傳感探頭有相同的加速度響應(yīng)輸出，低頻振動(dòng)平臺(tái)的輸出由外接信號(hào)源進(jìn)行控制。順變柱體傳感探頭在振動(dòng)平臺(tái)的激勵(lì)下輸出相應(yīng)的干涉光波信號(hào)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和相位解調(diào)運(yùn)算。為有效緩解上位機(jī)內(nèi)存壓力和提高低頻振動(dòng)信號(hào)輸出的實(shí)時(shí)性，解調(diào)算法采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者程序結(jié)構(gòu)模式。

光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室布置情況如圖6。其中，檢波器緊固安裝在振動(dòng)平臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)中的光源部分、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡等核心部件則安裝主機(jī)中，系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果通過在顯示器的顯示界面中展示，原始記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于本地硬盤中，可用于歷史回溯與分析。

圖6 光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Fiber-optic vibration sensing system for experiment

光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)低頻振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試結(jié)果如圖7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)對(duì)0.01～1 Hz的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傳感輸出，在進(jìn)行解調(diào)程序運(yùn)算和輸出波形實(shí)時(shí)顯示時(shí)，程序運(yùn)行流暢實(shí)時(shí)性高。

圖7 低頻振動(dòng)信號(hào)測(cè)試輸出結(jié)果圖Fig.7 Measurement curves of the fiber-optic vibration sensing system

通過對(duì)系統(tǒng)輸出對(duì)比分析可知，振動(dòng)輸出結(jié)果有較高的信噪比，但輸出結(jié)果中存在一定程度低頻漂移噪聲的影響，其主要原因來(lái)源于DFB-LD在低頻段的相位噪聲，同時(shí)超低頻振動(dòng)平臺(tái)采用零差正交干涉的方式對(duì)振動(dòng)平臺(tái)的輸出進(jìn)行反饋控制，而在低頻段反饋時(shí)間增長(zhǎng)控制難度增大，使得標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)易受到外界環(huán)境的干擾導(dǎo)致輸出的不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，針對(duì)更低頻率振動(dòng)信號(hào)的傳感驗(yàn)證，在不斷提升光纖振動(dòng)系統(tǒng)整體性能的同時(shí)也依賴于激光器技術(shù)及超低頻振動(dòng)平臺(tái)校準(zhǔn)輸出技術(shù)的發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)采用光纖干涉的手段，應(yīng)用順變柱體結(jié)構(gòu)作為核心換能元件。在干涉信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和處理方面，創(chuàng)新地應(yīng)用了生產(chǎn)者-消費(fèi)者的程序結(jié)構(gòu)模式。將生產(chǎn)者-消費(fèi)者程序結(jié)構(gòu)原理思想與LabVIEW數(shù)據(jù)采集相互結(jié)合，極大提高系統(tǒng)在低頻頻段的程序運(yùn)行效率和實(shí)時(shí)性。通過系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到低頻振動(dòng)測(cè)量的需求，同時(shí)驗(yàn)證生產(chǎn)者-消費(fèi)者程序結(jié)構(gòu)在多任務(wù)大數(shù)據(jù)量的處理運(yùn)算上有著突出優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景。