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?？梢圆捎迷肼暺帘卧O(shè)備，如聲音隔離和適當?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。比如使用光學精密反射儀嚴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、電學復雜性低、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性和線性度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

參考文獻

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