劉 偉

(哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱150001)

加速度計(jì)是振動(dòng)測(cè)量、地震檢測(cè)，慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)中常用的重要傳感器，在早期的研究中，光纖加速度計(jì)作為一種新型的傳感器件，主要應(yīng)用于軍事方面，20世紀(jì)80年代初，美國研制出0.1 μg的光纖加速度計(jì)，用于陸用戰(zhàn)車和波音747飛機(jī)振動(dòng)測(cè)量和制導(dǎo)中.相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械傳感器或者電傳感器，光纖加速度傳感器具有頻帶寬、靈敏度高、抗電磁干擾、體積小，質(zhì)量輕，可設(shè)計(jì)成任意形狀，兼具傳感傳輸于一體等優(yōu)點(diǎn).

隨著光纖技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)測(cè)量精度要求的提高，光纖加速度傳感器憑借著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在社會(huì)生活領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用[1－2].為了更好地提高光纖加速度計(jì)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，在不斷改進(jìn)加速度計(jì)傳感結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究高性能的信號(hào)檢測(cè)方法也是必不可少的一種手段[3－5].本文結(jié)合高靈敏度的微型盤式光纖加速度傳感器，利用相位生成載波技術(shù)(PGC)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的檢測(cè)計(jì)算，這種解調(diào)方法屬于無源的解調(diào)方法，避免了有源調(diào)制靈敏度低，動(dòng)態(tài)范圍小，非線性誤差大等缺點(diǎn)，保證了信號(hào)解調(diào)的實(shí)時(shí)性和檢測(cè)精度，同時(shí)，無源解調(diào)技術(shù)更有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全光化，大規(guī)模集成化，為光纖傳感器的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ).

1 相位生成載波解調(diào)基本原理

對(duì)于干涉型的光纖傳感器，高靈敏度的光纖干涉儀是常用的傳感和傳輸機(jī)構(gòu).干涉儀的信號(hào)檢測(cè)可以采用相位解調(diào)技術(shù)，因此可以實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍也非常大.

光纖加速度計(jì)采用盤式Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)，Michelson干涉儀的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，Michelson干涉儀由光源，探測(cè)器，3dB耦合器，信號(hào)臂，參考臂以及光纖反射端面組成.光源發(fā)出的光束經(jīng)過隔離器和3dB耦合器，被1∶1的分成兩束，兩束光分別進(jìn)入干涉儀的信號(hào)臂和參考臂，經(jīng)過端面反射，兩束光再次進(jìn)入3 dB耦合器并發(fā)生干涉，通過光電探測(cè)器可檢測(cè)到干涉信號(hào)輸出光強(qiáng)的大小變化.為了避免反射回來的光進(jìn)入光源對(duì)其造成損害，一般在光源的出口端添加隔離器，這也使得Michelson干涉儀只能檢測(cè)第二路信號(hào).

圖1 M ichelson光纖干涉儀結(jié)構(gòu)圖

基于Michelson干涉儀的盤式光纖加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，具體結(jié)構(gòu)是將Michelson干涉儀的信號(hào)臂和參考臂分別纏繞在直徑為18 mm，厚度為0.4 mm銅片的上下兩個(gè)平面上，當(dāng)有垂直于銅片平面的加速度信號(hào)作用時(shí)，光纖盤本身的質(zhì)量引起盤片的形變，導(dǎo)致盤片表面產(chǎn)生與振動(dòng)相關(guān)的應(yīng)變分布，傳感光纖的特性變化轉(zhuǎn)化為光纖中傳輸光的相位變化.通過標(biāo)定相位調(diào)制量隨被測(cè)加速度變化的曲線，就可以根據(jù)實(shí)時(shí)解調(diào)的相位變化解算出被測(cè)加速度信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè).

圖2 盤式光纖加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

盤式光纖加速度計(jì)主要具有3個(gè)特有的優(yōu)勢(shì):①由于圓盤片的長、寬尺寸遠(yuǎn)大于盤片的厚度，這種幾何特性使得傳感器具有較好的方向性;②由于彈性盤片本身剛度系數(shù)較小，在同等振動(dòng)作用下，盤式加速度計(jì)靈敏度更高;③采用盤式結(jié)構(gòu)，干涉儀的兩臂分別粘貼在彈性盤片的上下兩面，在理想條件下，由于環(huán)境噪聲造成的相位變化是等幅同向的，在輸出的干涉儀信號(hào)上表現(xiàn)為相消特性，這樣就能很好的抑制了環(huán)境噪聲所帶來的的共模干擾.對(duì)于盤式光纖加速度計(jì)的信號(hào)解調(diào)主要采用的是光調(diào)頻相位生成載波(PGC)檢測(cè)方法.其基本原理是采用不平衡干涉儀，通過對(duì)光源頻率進(jìn)行高頻調(diào)制，從而在干涉儀中引入檢測(cè)信號(hào)帶寬外的某一頻率的大幅度相位調(diào)制信號(hào)，使所檢測(cè)信號(hào)成為這些大幅度載波的邊帶，用相關(guān)檢測(cè)和微分－交叉相乘方式(DCM)分離光纖干涉儀的交流傳感信號(hào)和低頻隨機(jī)相位漂移，再通過高通濾波器得到穩(wěn)定的傳感信號(hào)輸出.高頻調(diào)制的PGC檢測(cè)靈敏度達(dá)10－6rad、動(dòng)態(tài)范圍達(dá)120 dB.

2 數(shù)字PGC算法實(shí)現(xiàn)

數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)相位生成載波(PGC)算法避免了模擬電路不穩(wěn)定所帶來的系統(tǒng)噪聲，由于能夠通過改寫軟件對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，方便對(duì)傳感系統(tǒng)調(diào)試，有利于系統(tǒng)的集成.數(shù)字PGC的基本流程如圖3所示.

圖3 PGC解調(diào)算法框圖

根據(jù)圖3，用頻率為ωc的載波信號(hào)對(duì)可調(diào)諧窄帶光源進(jìn)行調(diào)制，干涉儀輸出信號(hào)可表示為

I=A+B cos[C cosωct+φ(t)]

其中:A，B與干涉儀輸入光強(qiáng)、偏振器和耦合器插入損耗以及干涉儀的消光比等有關(guān).φ(t)是信號(hào)作用于干涉儀上產(chǎn)生的相位差，也就是待測(cè)信號(hào);調(diào)制幅度C的大小與調(diào)制光頻以及干涉儀臂長差有關(guān).

這樣，通過對(duì)光頻的調(diào)制，在干涉儀中引入了一個(gè)相位載波.從物理上看，該相位載波將使干涉儀的工作點(diǎn)(或初相位)以確定的方式在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變化，選擇合適的參數(shù)C就可以使干涉儀對(duì)被測(cè)信號(hào)φ(t)的平均響應(yīng)達(dá)到一穩(wěn)定的值，消除初始相位的變化帶來的影響.

干涉儀的輸出信號(hào)經(jīng)過光電檢測(cè)，抗混疊濾波處理后，由ADC芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過PGC算法計(jì)算處理，得出相位信息，進(jìn)而計(jì)算出外界振動(dòng)信號(hào)的大小.

PGC算法流程:干涉儀輸出信號(hào)分別與一倍載波信號(hào)和二倍載波信號(hào)相乘，經(jīng)過低通濾波器濾除基頻及以上頻率分量，提取包含相位信息的分量，消除直流分量的影響后，通過交叉微分相乘再積分，可以得到圖3中積分器的輸出為:

其中:Jn(C)表示宗量為C的第n階貝塞爾函數(shù)，參數(shù)對(duì)最終的解調(diào)結(jié)果影響很大，這里選取C=2.37 rad;G、H分別是一倍載波和二倍載波的幅值大小，m表示調(diào)制電流的幅值，當(dāng)m＜0.1時(shí)，可以將其忽略不計(jì).

根據(jù)上面的表述，要實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖加速度傳感信號(hào)的解調(diào)，數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)主需要包括以下功能:

1)高速數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)以及輸出功能;

2)模擬載波信號(hào)輸出功能，主要用于調(diào)制光源;

3)高速數(shù)據(jù)傳輸功能，避免數(shù)據(jù)采集工程中數(shù)據(jù)溢出或擁堵;

4)PGC算法實(shí)現(xiàn).

為滿足數(shù)據(jù)采集與處理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)以數(shù)字處理芯片DSP作為算法實(shí)現(xiàn)的主要模塊，以FGGA實(shí)現(xiàn)邏輯控制，二者有機(jī)的結(jié)合，充分利用硬件電路系統(tǒng)資源的基礎(chǔ)上，完成對(duì)采樣數(shù)據(jù)的計(jì)算輸出.設(shè)計(jì)解調(diào)系統(tǒng)如圖4所示.

圖4 PGC信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)框圖

在不增加系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)擔(dān)的基礎(chǔ)上，加大采樣頻率有利于降低采樣噪聲，提高解算精度，在試驗(yàn)中，要求系統(tǒng)具有500 kHz的采樣速率，這就意味著DSP需每2μs完成一次PGC算法，并將處理結(jié)果輸出，因此，解調(diào)系統(tǒng)選用主頻為300 MHz的浮點(diǎn)DSP芯片STM320C6713.根據(jù)圖4，數(shù)據(jù)采集由FPGA控制，采集過來的數(shù)據(jù)存入外掛的緩存FIFO中，當(dāng)完成一幀數(shù)據(jù)的采集，用EDMA方式將數(shù)據(jù)取出，存入同步存儲(chǔ)器SDRAM中，用EDMA方式進(jìn)行取數(shù)時(shí)，不需要DSP內(nèi)核的參與，傳輸方式較為靈活，大大節(jié)省DSP的資源，提高了運(yùn)算效率.DSP完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，運(yùn)算結(jié)果通過HPI總線輸出給FPGA，并由其控制DAC芯片將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬結(jié)果輸出.除了模擬輸出，也可以將數(shù)字結(jié)果通過USB接口輸出給上位機(jī)，方便數(shù)據(jù)處理.

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 系統(tǒng)自檢試驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證解調(diào)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn).對(duì)于數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的功能主要是對(duì)信號(hào)的采集和計(jì)算，并將結(jié)果輸出.因此，通過輸入不同幅值與頻率的模擬調(diào)相信號(hào)來驗(yàn)證算法的正確性.

分別模擬輸入待測(cè)信號(hào)幅值為1 rad，頻率為20、200 Hz的信號(hào)，載波頻率為10 kHz的模擬調(diào)相波，進(jìn)過解調(diào)運(yùn)算后，輸出信號(hào)的頻譜如圖5所示.

圖5 不同頻率信號(hào)解調(diào)輸出結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)可以看到，解調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌l率的信號(hào)檢測(cè)計(jì)算并將結(jié)果輸出.

3.2 光纖加速度計(jì)性能測(cè)試

衡量光纖加速度計(jì)的指標(biāo)主要包括，加速度計(jì)的靈敏度和工作帶寬.

對(duì)光纖加速度計(jì)加載不同的大小的加速度信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)具有不同的響應(yīng)輸出，將實(shí)際加載的加速度信號(hào)與響應(yīng)輸出進(jìn)行線性擬合，得到的曲線表示加速度計(jì)的線性度，其斜率就是光纖加速度計(jì)的靈敏度.實(shí)際測(cè)試微型盤式光纖加速度計(jì)分辨率時(shí)，選取振動(dòng)信號(hào)頻率為40 Hz，加載加速度大小依次為0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、1、4、5 g時(shí)，得到曲線如圖6.

圖6 光纖加速度計(jì)線性輸出特性測(cè)量

通過計(jì)算，盤式加速度計(jì)的靈敏度為17.569 rad/g.

工作帶寬是指加速度幅頻特性曲線給出，定義曲線中波動(dòng)小于的頻率響應(yīng)范圍為工作帶寬范圍.

工作帶寬測(cè)試，選擇能均勻覆蓋傳感器工作范圍六個(gè)以上的頻率(20、40、100、200…1 000 Hz)保持恒定的加速度值，大小為0.1 g，觀測(cè)光纖加速度計(jì)輸出幅值，記錄測(cè)量結(jié)果，繪制幅頻特性去曲線，根據(jù)工作帶寬的定義，求得帶寬的具體數(shù)值，見圖7.

圖7 光纖加速度計(jì)頻率輸出特性測(cè)量

從上面的結(jié)果中可以看到，光纖加速度計(jì)從0～600 Hz的范圍內(nèi)具有較好的頻率輸出特性，650 Hz作用的尖峰值和系統(tǒng)的諧振頻率有關(guān).

4 結(jié)語

本文利用數(shù)字系統(tǒng)，嵌入相位生成載波算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)微型光纖加速度傳感器信號(hào)的解題運(yùn)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微型光纖加速度計(jì)對(duì)于微弱信號(hào)的測(cè)量具有較高的靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)較寬頻率范圍內(nèi)信號(hào)的測(cè)量.為了進(jìn)一步增加系統(tǒng)的工作帶寬以及對(duì)大信號(hào)的響應(yīng)，在降低系統(tǒng)本底噪聲的基礎(chǔ)上，改進(jìn)傳感器的結(jié)構(gòu)，減少諧振頻率對(duì)測(cè)量的影響是下一步研究的重點(diǎn).

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