干涉型光纤传感器的信号处理系统

v光电传感器

北京邮电大学

硕士学位论文

干涉型光纤传感器的信号处理系统

姓名：高志宇

申请学位级别：硕士

专业：电磁场与微波技术

指导教师：伍剑

20080306

v光电传感器

ｊＥ塞邮电太堂亟±堂僮ｊ金塞

干涉型光纤传感器的信号处理系统

摘要

近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。在各种光纤传感器中以干涉型光纤传感器的灵敏度最高。论文主要研究基于马赫一泽德干涉仪结构的光纤传感器系统，通过深入研究随机信号的互相关函数和基于ＡＲ模型的功率谱估计，设计出具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法。此算法可以对外界振动进行实时预警，并实现高速、高精度的定位。该技术可用于检测第三方入侵，对需要防护的地域、管线进行监控、报警并提供精确定位。研究成果对于长距离分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值，并在工业和国防领域具有应用前景。

本文设计的光纤传感系统分为传感线路、光收发模块、数据采集和信号处理等部分。传感线路部分是一种基于马赫一泽德干涉仪的双向干涉结构。当干涉仪中的干涉臂受到外力引起的振动时，光纤中传输的光信号的相位会发生变化，从而导致输出干涉波形的变化。干涉信号经光电转换、数据采集送至信号处理系统，经信号处理分析后可以对外界振动发生的位置进行定位。信号处理部分由ＤＳＰ和ＰＣ机共同组成，ＤＳＰ用于实现事件发生检测算法，ＰＣ机实现定位算法。通过实验分析表明，事件发生检测算法可以显著地改善光纤传感器的性能，提高系统准确性，降低误报率。在合理设置采样率的基础上，可

v光电传感器

ｊ匕塞查Ｅ电厶堂亟±堂位途塞

以实现ｌＯＯＭ的定位误差。采用ＤＳＰ和ＰＣ机合理分配运算负担，可以满足光纤传感器系统实时监控的要求。

关键词：干涉型光纤传感器，互相关运算，ＡＲ模型的功率谱估计，ＤＳＰ

v光电传感器

ＡＳＩＧＮＡＬＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＳＹＳＴＥＭＤＥＳＩＧＮＦＯＲ

ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＩＣＦＩＢＥＲ．ＯＰＴＩＣＳＥＮＳＯＲ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｓｅｎｓｏｒｓｙｓｔｅｍｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇｍｏｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅ，ａｄａｐｔｉｖｅａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｎｄｎｅｔｗｏｒｋ

ａｓｅｎｓｏｒｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍｓｅｎｓｏｒｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅ．Ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒ，ａｓａｎｅｗｍｅｍｂｅｒｏｆｔｈｅ

ｆａｍｉｌｙ，ｉｓｎｏｗｇｒｅａｔｌｙｐｏｐｕｌａｒｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ

ｓｅｎｓｏｒｔｏｏｔｈｅｒｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｆｉｂｅｒ．ｏｐｔｉｃｃｏｎｃｅｒｎｓｏｎａ

ｏｎｈａｓｔｈｅｂｅｓｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｓｅｎｓｏｒｋｉｎｄｏｆｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｉｓ

ａｂａｓｅｄｓｉｇｎａｌｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＭａｃｈ＿Ｚｅｈｎｄｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，ａｎｄ

ｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｈｉｓ

ｅｖｅｎｔｓｅｎｓｏｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎｃｌｕｄｅｓｌｏｃａｔｉｎｇａｎｄｐｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍｄｅｔｅｃｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｕｓｅｓＡＲ．ｍｏｄｅｌ

ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｗｈｉｃｈｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓｒｅａｌｔｉｍｅａｌａｒｍａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｏｃａｔｉｎｇ，ｍａｋｅｓｔｈｉｓｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｖａｌｕａｂｌｅｉｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃａｂｌｅａｎｄｏｉｌｐｉｐｅｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅａｇｕｉｄｅｔｏｄｅｓｉｇｎ

ａａｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｈａｓ

Ｔｈｉｓ

ｓｅｎｓｏｒｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｍｉｌｉｔａｒｙｆｉｅｌｄ．ｓｅｎｓｏｒｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｆｏｕｒｐａｒｔｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｌｉｎｅ，Ｔ／Ｒｍｏｄｕｌｅ，ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅａｎｄｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｕｌｅ．ＳｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｕｌｅｉｎｃｌｕｄｅｓＤＳＰｃａｒｄａｎｄＰＣ．ＤＳＰｐｅｒｆｏｒｍｓ

一ｅｖｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎ—ａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄＰＣｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ

ｅｖｅｎｔｌｏｃａｔｉｎｇ’一，１１ｆ

ａｌｇｏｎｔｈｍ．１ｎｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｍｐｌｙｔｈａｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎＣａｎ

v光电传感器

ｊＥ立邮电太堂亟±堂僮途塞

ｏｂｖｉｏｕｓｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅ

ｅｒｒｏｒｃａｎｅｒｒｏｒａｌａｒｍｒａｔｅｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｌｏｃａｔｉｎｇｂｅ１００ｍｅｔｅｒｓｂｙｓｅｔｔｉｎｇｔｈｅｓａｍｐｌｅｒａｔｅｐｒｏｐｅｒｌｙ．

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒ，ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ｐｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍ

ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ＡＲｍｏｄｅｌ，ＤＳＰ

v光电传感器

符号说明

ＡＲＭＡ

ＣＣＳ

ＤＳＰ

ＦＦＴ

ＦＩＲ

ＩＤＦＴ

ＬＤＡｕｔｏＲｅｇｒｅｓｓｉｖｅＭｏｖｉｎｇＡｖｅｒａｇｅＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＳｔｕｄｉｏＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒｓＦａｓｔＦｏｕｄｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎＦｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅＩｎｖｅｒｓｅＤｉｓｃｒｅｔｅＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ

ＭＩＰＳ

ＰＣＩＭｅｇａ－ＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｐｅｒＳｅｃｏｎｄＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ

ＷＤＭＷｉｎｄｏｗｓＤｒｉＶｅｒＭｏｄｅｌ

v光电传感器

独创性（或创新性）声明

本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：＜篱爰扣

日期：卫竺￡：王：生

关于论文使用授权的说明

学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定）

保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。

本人签名：

导师签名：日期：蕴望隅＿翮耐．丝Ｅ：：至：曼

v光电传感器

ｊ匕塞邮虫太堂亟±堂焦ｉ金塞

第一章绪论

１．１引言

传感器是感受规定的被测物理量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置，它在工业生产、国防建设和科学技术等各个领域都发挥着巨大作用。近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受青睐。与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下的优势：首先，光纤是一种耐高压，抗腐蚀的介质，能在电磁或电子传感器不能工作的恶劣环境下运行。其次光波的传播频率极高，具有巨大的信息容量，又能有效的防止无线电波及电火花干扰传输的光波信号。同时，光纤很细，又具有极高的韧性，可以制造各种体积小、重量轻以及任意形状的传感器。更重要的是光纤传感器可以传感各种物理量，例如声，电、磁、温度、压力、振动、旋转等，并具有极高的灵敏度。

光纤传感器利用光纤本身的敏感特性进行工作。由光源发出的光在光纤中传播时，若应力、温度、电场、磁场等外界因素发生了变化，则光波的振幅、相位、波长及偏振态等特征参量会随之变化，该过程称为光波的调制。含有调制信息的光波经光纤传输到光电转换部分，解调后被仪器接收，即可得到外场确切变化的信息。根据被测物理量对光的调制方法不同，光纤传感器可分为强度传感器，频率（或波长）传感器，相位传感器及光纤偏振式传感器四大类。其中尤其以光纤相位传感器（即各种光纤干涉仪）的灵敏度最高。光纤干涉仪将光波的相位信息转换位强度信息，通过检测光强信号分析出所测物理量。

２０世纪７０年代以来，在飞速发展的光纤通信技术的带动下，光纤传感器技术取得了巨大的发展。美国海军研究所（ＮＲＬ）１９７７年开始执ＦＯＳＳ（光纤传感器系统）计划，从此以后许多国家对光纤传感器进行了大量的研究。美国对光纤传感器的研究最早，投资最大，仅１９８３年就投入１２－－－１４亿美元，主要的研究机构有美国海军研究所、国家宇航局（ＮＡＳＡ）、西屋电器公司、斯坦福大学等，主要研究方向有６个：光纤传感器系统（ＦＯＳＳ）、现代数字光纤控制系统（ＡＤＯＳＳ）、光纤陀螺（ＦＯＧ）、核辐射监控（ＮＲＭ）、飞机发动机监控（ＡＥＭ）、民用研究计划（ＣＲＰ）。日本在２０世纪８０年代制定了“光应用计划控制系统”７年规划，投资达７０亿美元，规划的主要目标是解决强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣条件下的信息测量、传输和全过程控制问题，主要的研究机构有松下、三菱、东京大学等。英国的标准电讯公司、牛津大学、南安普顿大学、法国的汤姆逊公司、德国的西门子公司等企业和大学也对光纤传感器投入了大量的经费进行研究和开发［２１。

v光电传感器

随着技术的进步、工艺水平的提高和计算机技术在光纤传感器系统中的应用，光纤传感器的可靠性不断提高。光纤传感器正逐步从实验室走入市场。目前，美国、西欧和日本已经开发出了许多光纤传感器产品，例如澳大利亚ＦＦＴ（ＦｕｔｕｒｅＦｉｂｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）公司的用于边界监测的ＳｅｃｕｒｅＦｅｎｃｅ系统、英国Ｓｅｎｓａ公司的用于测量光纤沿线温度变化的光纤线性测温系统、美国ＭＯＩ（ＭＩＣＲＯＮＯＰＴＩＣＳＩＮＣ．）公司的基于ＯＴＤＲ技术的分布式传感器系统等。

光纤传感器自身的优点和技术的成熟使其在军用和民用领域都得到广泛应用，具有很大的市场需求。首先在民用方面，从电力系统、水利工程、石油矿井、化学工程等大型工程到环境检测、食品安全检测、医学检测等生活相关的行业，光纤传感器的应用几乎涵盖国民经济中所有领域，应用范围极其广泛。其次，在军用方面，光纤传感器的应用也很广泛，主要产品有光纤陀螺、光纤水昕器、光纤压力传感器，光纤传感定位系统等。

我国在１９８３年召开了光纤传感器的第一次全国会议。目前国内光纤传感器的主要研究工作在高校和研究所进行，他们在光纤温度传感器，压力传感，流量，电压，位移、振动、光纤陀螺等领域进行了大量的研究，取得了上百项成果，不过由于基础薄弱、工艺水平低和相关技术的落后，我国的光纤传感器技术与这些发达国家相比有较大的差距，且商业化水平不高。因此，我们应该加大对光纤传感器技术研究、开发的投入，缩短我国光纤传感器技术与外国的差距，促进我国仪器仪表工业和光纤传感器产业的发展。

１．２光纤干涉仪

光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射振动及声波干扰。这种影响都会导致空气光程的变化，从而引起干涉测量工作的不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响。并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。

通常采用的光学干涉仪主要有四种：迈克尔逊（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干涉仪、马赫一泽德（Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉仪、塞格纳克（Ｓａｇｎａｃ）干涉仪和法布里一珀罗（Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ）干涉仪。空间中满足频率相同、相位差稳定、且具有相同振动方向的光称为相干光。两束单色光相干叠加时产生的效果在接收屏上反映为明暗相间的干涉条纹。因此，若其中一束光的相位发生改变，则接收屏上的干涉条纹随之移动，Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ、Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ（Ｍ．ｚ）、Ｓａｇｎａｃ干涉仪就是基于这个原理。宽带光在通过两个互相平行、具有一定反射率的镜面时会发生多光束干涉，只有特定波长的光的输出光强为极大值，这是Ｆａｂｒｙ．Ｐｅｒｏｔ（Ｆ．Ｐ）干涉仪的原理。若Ｆ．Ｐ

v光电传感器

腔腔长发生微小改变，输出的极大波长即随之改变。这些干涉仪共同的特点是，只要其中一束或多束光的光程发生微小的变化，则接收到的干涉条纹就会明显地发生改变。

把这些干涉仪的光路移植到光纤系统中就构成了干涉型光纤传感器的基本结构，此类光纤传感器具有如图１－１所示的结构。

●

ｌ

，

卜源卜分

束

装

置

ｔ２●。厶口束装置●●●——一记录仪卜—一信号处理Ｉ●Ｎｔ

外场

图１—１干涉型光纤传感器结构

光源发出的光被分束器分成Ｎ束，其中的一束或多束经过外场调制，再由合束器件合并到一根光纤中并发生干涉。被测物理量作用于光纤的外场，导致光纤中光相位的变化或光的相位调制。调制信号由光电转换器件接收解调，经信号处理即可精确得Ｎ＃Ｉ－场变化的信息。因为光强中携带有相干光之间的相位信息。因此，检测到干涉光强的变化就可以确定光束间相位的变化，从而得到待测物理量的数值大小。

１．３干涉型光纤传感器系统概况及应用领域

如上所述，干涉型光纤传感器可以精确检测出光波的相位变化。引起光波相位改变的因素很多，在光纤中，主要是由于光纤折射率的变化所引起。光纤是很敏感的介质，轻微的振动或压力都可以造成光纤折射率的改变。同时，光纤又是一种分布式的介质，不同位置的折射率变化会产生不同的干涉结果，可以通过检测干涉结果的不同计算出折射率发生的位置，实现分布式的传感定位。此外，光纤中的损耗很低，典型值为０．３ｄＢ／ｋｍ，因此，通过特殊设计的光纤干涉仪，可以实现几十公里甚至更长距离的分布式传感。本文中的干涉型光纤传感器系统，采用马赫一泽德（Ｍａｅｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉仪的基本结构，通过特殊设计的对称干涉环，可实现数十公里的定位检测。

v光电传感器

这种分布式定位系统的应用领域十分广泛。在一些重要的区域，如机场、军事设施、保密机构等等。为了防止非法的入侵和各种破坏活动，传统的防范措施是在这些区域的外围周界处设置一些屏障，如围墙、栅栏、钢丝篱笆网等，并安排人员巡逻。但是人力防范往往受到时间、地域、人员素质和精力等因素的影响，难免出现漏洞和失误。因此需要应用一些先进的边界探测报警系统形成一道入眼看不到的“电子围墙＂。另外，对于重要的通信光缆、输油输气管线等设旌，由于铺设距离很长，且穿越的地区多为海底或隔壁沙漠，很难实现人工监视与保护。因此，也需要一些辅助的自动化的监视设备，实现对通信光缆和油气管线等长距离、不间断的保护。一旦出现问题，可及时将遭破坏的位置信息报告给值班人员。由此可见，这种分布式的传感定位系统，在国防、工业生产以及民用领域，都有十分重要的意义。

１．４论文主要研究内容

本文主要研究一种基于马赫一泽德（Ｍａｔｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉仪的干涉型光纤传感器，并着重研究光纤传感器的信号处理算法及其实现。传感器系统中采用了一种新型的光纤干涉环结构，由传感光纤、光收发模块、数据采集和信号处理等四部分组成。在深入研究干涉结构的基础上，设计出了以相关运算为基础，具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法，在ＰＣ机和定点ＤＳＰ上实现该算法，并通过实验加以验证。

本文的结构如下：第一章为绪论，对光纤传感器系统做一般性的介绍。第二章为光纤传感器的系统结构，介绍光纤传感器系统的原理以及结构组成，并对系统中的各个部分进行说明。第三章为传感器信号处理算法设计，阐述算法设计的理论依据，并对算法个部分设计做详细说明。第四章为算法实现与实验验证，将

第三章的算法在ＰＣ机和定点ＤＳＰ上加以实现，并通过若干实验结果对算法进行验证。第五章为结论，对上述理论和实验结果进行总结。

v光电传感器

第二章干涉型光纤传感器的系统结构

２．１光波相位调制和干涉测量

在光波的干涉测量中，参与工作的光波是两束或多束相干光。因波的叠加而引起强度重新分布的现象，叫做波的干涉ｎ…。产生干涉的条件称为相干条件，有以下三条：

＞频率相同：

＞存在相互平行的振动分量；

＞相位差稳定。

考虑两列频率相同的简谐标量波：

ｆＵｐ，，）＝Ａ。ｃｏｓ［ｃｏｔ一妒，（尸）】

Ｉｕ：ｐ，ｆ）＝Ａ：ｃｏｓ［国ｔ一伊：ｐ）】

采用复振幅表示：

ｆ玩ｐ）＝４（尸ｋ椭（尸）

ｌＤ：（尸）＝Ａ２ｐｋ州Ｐ）

两列波的叠加结果为：

８（ｅ）－－玩（尸）＋疗：（Ｐ）

＝彳．（Ｐｋ，竹（尸）＋Ａ２（尸ｋ，讫妒’

由于强度正比于振幅的平方，因此：

，（尸）＝痧（尸矽。（尸）

：ｐ．（尸）＋疗（尸）：ｐ凇）＋吠（叫

＝Ｉｉｐ）＋』：ｃＰ）＋２以嘲ｃｏｓＳ（Ｐ）

２．２＝－。ｐ汗＋＿：ｐ）】２＋彳。ｐｎ：ｐ始，《吼一镪）＋Ｐ—ｊ瓴嘞’）。，。１其中Ｉｉｐ）和，：ｐ）分别为两列波在场点Ｐ处的强度，万（Ｐ）＝仍ｐ）一缈：ｐ）是两列波在Ｐ点的相位差。式中２扣而翻ｃｏｓ万（尸）称为干涉项，可见，通过干涉，相位，因此，采用干涉的方法是测量两列光波相位差的唯一途径。将波的相位差转换为强度上的变化。由于光波的频率很高，无法直接测量光波的Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉型光纤传感器原理

如前所述，本文中研究的是基于Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的干涉型光纤传感系统，其线路传感部分是一种典型的Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪。光纤Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的基本结构如图２－１所示：光源发出的光经过耦合器１分为两束，其中一束

v光电传感器

作为传感光路，用于感知外界的各种变化，另外一束作为参考光路，与外界隔离。这两束光经过耦合器２处合为一束，由于两束光的传播路径不同，因此在耦合器２处两束光的相位不同，进而发生干涉。干涉信号经光电检测器转换为电信号，通过对此电信号的分析处理，可获得外界的信息。

参考光路

｝唑誊零ｒ—书一一一一耦合器ｌ

光电检测器

传感光路

图２－１典型的光纤Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪结构

由图２－１可知，光纤Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪中的光沿单一方向传播，即从耦合器１到耦合器２。若有另一束光，沿着从耦合器２到耦合器ｌ的方向传播，这样正反两个方向的光经外界干扰后到达两端的距离不同，造成到达两端的时间不同，通过检测这个时间差，可以计算出外界干扰发生的确切位置，实现定位功能。研究发现，光纤Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的结构具有一定的对称性，若利用两个２ｘ２耦合器，将一束激光经分束后分别从干涉仪两端输入，干涉结果由各自的另一端接收，即可实现以上分析的定位功能。具体结构如图２－２所示。

ｌ激光光源ｌ

一：

图２－２对称式光纤Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪

v光电传感器

由激光器发出的光经耦合器分为沿两个相反方向传输的光，如果干涉臂的某部分受到外力作用产生形变，那么在光纤中传输的光信号的相位会发生变化。又由于两光纤位置的不同，受到外力的大小不同．那么两光纤中光的相位改变也不相同。这样在光信号到达耦合器时会发生干涉，干涉条纹随时间变化。这种干涉波形通过两个ＰＩＮ转换为电信号并送往终端监控部分进行处理。如果这两个检测器是同步的，可以检测出两路干涉信号波形变化的时间差，由时间差即可计算出外力作用的位置。

ｆ。：三鲨，逆时针传播到耦合器的时间为ｒ，：垫二型，通过测量时问差，即若在￡＝工处的一点发生的振动，顺时针方向传播到耦合器的时间为‘‘

ＣＣ

可得到振动点的位置工：１ｆ三一型Ｉ（其中ｎ是光纤的折射率，ｃ是真空中光２＼刀／

速，Ｌ是干涉仪两臂的长度，△ｆ为时间差ｆ．一，：）。

若振动发生的位置处于干涉臂的中央，则顺时针与逆时针两个方向到达耦合器的时间相等，鄙Ａｆ＝０。本文后面的分析将会指出，在处理传感器信号的过程中，主要是通过检测出的值来推导出振动点的位置。因此，为了使出的值比较容易测量并且减少噪声对检测结果的影响，在实际使用中，采用如图２—３的结构：激光

图２—３改进的光纤传感器结构

与图２—２相比，改进的光纤传感器结构主要增加了光纤Ｃ以及相应的耦合器４。图中，光纤Ａ和光纤Ｂ为干涉仪的两条干涉臂，光纤Ｃ的作用是使干涉臂的长度小于整个光纤长度的一半，这样做的目的是为了增加顺时针和逆时针两个方向的光到达ＰＩＮｌ和ＰＩＮ２的时间差，即△ｆ。由于光速非常快，在几十公里的光纤中传播，延时也不过数百微妙，因此，认为增大△，，让垃的取值尽可能远离０，有助于提高系统的准确性，降低噪声的干扰。相应的计算公式为：

ｘ＝圭（Ｌ一书２－２

v光电传感器

其中ｎ是光纤的折射率，ｃ是真空中光速，Ｌ是光纤Ａ或光纤Ｂ的长度与光纤ｃ长度之和，Ａｔ为顺时针与逆时针两个方向的时间差ｔ．－ｔ：。

２．３传感器系统组成

基于上述光纤Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪结构的传感器系统框图如图２—４所示。

图２－４传感器系统框图

传感线路部分是图２—３所示的改进的光纤干涉仪结构，其原理如２．２节所述。下面分别对光收发模块、数据采集和信号处理各部分进行说明。

１．光收发模块

光收发模块中包括三部分的电路：光发射模块、光接收模块和光偏振态控制模块。光发射模块负责给激光器加电，以产生激光信号，经过光纤连接器传入传感光纤。光接收模块接收经过传感光纤得到的干涉信号，经过光电转换，将转换后的电信号通过同轴电缆接入数据采集卡。

光发射部分实现了自动温度控制ＡＴＣ和自动功率控制ＡＰＣ，使ＬＤ发出稳定的直流光。传感光纤输出的光信号由ＰＩＮ来接收，ＰＩＮ把光信号转变成为电信号，电信号再通过ｆｉ｛『放和中放将微弱的信号放大，放大后的电信号通过电缆线送给数据采集部分。

经过传感光纤的光信号连接到光接收部分接收，偏振控制部分的电路会根据接收到的光信号的可见度情况来反馈控制偏振控制器，激光器输出的光输入到偏振控制器进行偏振控制后，再输出到传感光纤中。

干涉型光纤传感器必须具有极高的灵敏度、很大的动态范围和尽可能高的信噪比，同时应在长期特定的工作环境下具有良好的光学稳定性。因此要消除光波在普通低双折射单模光纤中传输时偏振态的随机变化导致干涉信号的不稳定，即偏振诱导信号衰落。目前比较通用的做法是通过偏振控制器，经由一定的反馈控制算法，实时调整传感光纤中的光偏振态，实现偏振态的动态稳定。

v光电传感器

２．数据采集

数据采集部分的功能是将光收发模块输出的传感器模拟信号进行Ａ／Ｄ转换，再将转换后的数字信号送给信号处理部分进行处理。数据采集部分处于系统的中间环节，一端接收模拟信号，另一端输出数字信号，因此这部分的设计十分重要，既要实现数据的快速转发，又要兼顾灵活多样的特点，如可变采样率等。通常，有两种方案可供选择，一种是将数据采集和数据处理整合为一个部分，这样的优点是数据传输速度快，节省成本。另一种是将采集部分独立出来，这样做容易实现可变采样率，缺点是成本较高，同时需要考虑数据通道的带宽问题。文章后面的内容将会指出，传感器的信号处理系统由两部分组成，一个是ＰＣ机，另一部分是定点ＤＳＰ，因此选用后一种方案更方便同时向ＰＣ和ＤＳＰ同时发送数据。

基于以上原因，数据采集部分选用的是研华ＰＣＩ．１７１４高速数据采集卡。ＰＣＩ．１７１４采集卡具有如下特性：

◆３２－ｂｉｔＰＣＩ总线主控ＤＭＡ数据传输；

◆４通道Ａ／Ｄ转换器，具有实时采集功能；

◆１２－ｂｉｔ精度Ａ／Ｄ转换器，最高可至３０ＭＳ／ｓ采样率；

◆可编程增益控制；

夺可编程Ａ／Ｄ触发模式。

以上特性保证了数据采集的实时性，又具有灵活的配置方案，为不同条件下的实验研究提供了硬件基础。

３．信号处理

信号处理部分的主要工作是对数据采集卡采集的数字信号进行处理，计算出结果，此部分是本文研究的主要内容。信号处理部分由ＰＣ机和ＤＳＰ共同组成，这种设计是出于算法要求的考虑。ＤＳＰ的功能是对采集卡输出的信号进行事件发生检测，通过对信号特征的分析与比较，判断在传感器监测范围内是否有事件发生。这部分运算对实时性的要求很高，因此选用ＴＩ公司的Ｃ６４ｘ系列高速定点ＤＳＰ作为处理单元。同时Ｃ６４ｘ系列ＤＳＰ处理器带有ＰＣＩ总线接口功能，可以很方便的通过ＰＣＩ总线与ＰＣ机通信。ＰＣ机在信号处理部分的功能是进行相关运算，通过相关运算的结果，可以计算出传感光纤中顺时针与逆时针两个方向干涉信号的时间差，进而计算出事件发生的确切位置。相关运算的复杂度较高，若在ＤＳＰ上运算，虽然可以保证实时性，但运算精度受限于定点处理单元的有限字长效应。此外，通过前面的事件发生检测，可以与先判断出是否有事件发生，在有事件发生的情况下进行相关运算，因此对实时性的要求并不是很高，可以将相关运算放在ＰＣ机上进行，以保证运算精度。

v光电传感器

除上述几部分以外，一个完整的传感器系统还需要有一个完善的用户界面。用户界面应可以清楚的反映出传感器系统监测的范围，传感器系统各个部件的工作状态，在事件发生的情况下明确地显示出事件发生的位置并产生报警信息，另外还要提供设置功能对传感器系统的各个部件进行参数设置。用户界面功能在ＰＣ机上实现，可见ＰＣ机除了信号处理功能外，还是整个系统的中枢。数据采集卡采集的数据通过ＰＣ机中转，光收发模块、数据采集卡以及ＤＳＰ卡的工作状态通过ＰＣ机上的软件进行监控，另外，对上述各部分的参数设置软件也运行在ＰＣ机上。

２．４小结

这一章主要介绍了光纤Ｍａｔｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的原理以及基于这种干涉仪的干涉型光纤传感系统的设计，给出了传感系统的框图，并对各个部分做了必要的介绍。本文下面的内容将主要围绕信号处理部分的原理、设计和实现展开，并通过相应的实验进行验证。

v光电传感器

第三章干涉型光纤传感器的信号处理算法

如前所述，干涉型光纤传感器通过计算干涉环中顺时针与逆时针方向干涉信号到达ＰＩＮ的时间差来实现定位运算。可将干涉臂中的外环作为传感光路，内环作为参考光路，所以到达ＰＩＮｌ与ＰＩＮ２的信号除所经路程不同外，并无太大区别，即信号时域波形大致相同。处理此类相似信号时差问题通常采用互相关运算的方法，通过检测互相关函数的峰值得出时间差址的估计值。本文中所设计的信号处理算法以互相关运算为基础，辅以滤波及事件发生检测技术，共同构成传感器信号处理系统。

３．１相关检测原理

随机信号可以用其统计特性进行描述。这些统计特性又进一步分为一阶、二阶和高阶（三阶及更高）统计特性Ⅲ。随机信号的均值是一阶统计特性，而相关函数、协方差函数和功率谱密度是描述平稳随机信号最常用的二阶统计量。以下内容将从随机信号的二阶统计特性入手，阐述基于二阶统计特性的算法。３．１．１自相关函数、自协方差函数及功率谱密度

令ｚＯ）是一广义平稳随机信号，其均值与时间ｆ无关，为常数。令段＝Ｅ扛（ｆ）｝，则球）在ｆ。和ｔ：的自相关函式和自协方差函数仅决定于时间差ｔ。－ｔ：，分别定义为：

砧Ｏ）＝Ｅｋ（ｆｈ‘（ｆ—ｆ）｝

ｃ。Ｏ）＝ＥｂＯ）一∥，Ｉｘ（０一∥；】．｝

＝Ｒ。Ｇ）一∥，∥：＝Ｒ。Ｇ）一Ｉ∥ｒ１２

若球）是均值为０的平稳随即信号，即段＝０，则自协方差函数与自相关函数是等价的：

Ｒ。（ｆ）＝ｑ（『）

自协方差函数与功率谱密度组成一个Ｆｏｕｒｉｅｒ变换对，这就是著名的Ｗｉｅｎｅｒ—Ｋｈｉｎｃｈｉｎｅ定理，即：

Ｚ，ｆｆ）＇－￡巳Ｇ砂矿ｄｆ

对于均值为０的随机信号，

匕驴）＝Ｅ尺。Ｇｋ一』２矿ｄｒ３一ｌ

v光电传感器

本文后面将会指出，式３－１是估计零均值平稳随机信号的一种常用非参数化方法。

３．１．２互相关函数与随机信号的比较

在自相关函数和自协方差函数的基础上，分析两个随机信号之间的统计特性。假设ｘＯ）和Ｊ，Ｏ）为两个平稳随机信号。令儿＝Ｅ扛Ｏ）｝和∥，＝Ｅ◇（ｆ）｝均为常数，则随机信号ｄ≠）和ｙ《≠）之间的互相关函数和互协方差函数分别定义为：

尺删Ｏ。，ｔ：）＝ＥｂＯ。涉‘Ｏ：）｝

岛Ｏ．，ｆ：）＝Ｅ妊“）一∥，１ｙＯ：）一∥ｙｒｊ

＝ｋｐＩ，ｔ２Ｊ一以∥：

若％Ｏ。，ｔ：）＝尺删“一ｔ：）和Ｒ盯Ｏ。，ｔ：）＝Ｒ＂“－ｔ：）都只与时间差ｆＩ—ｔ２有关，则称撕）和ｙＯ）是联合平稳的。若地）和ｙＯ）都是均值为０的平稳随即信号，即∥。＝０∥，，＝０，则互协方差函数与互相关函数是等价的：

尺卵ｐ）＝％◇），其中ｆ＝ｆｌ－ｔ２

利用互协方差函数，可以定义互相关系数：

互相关系数对于两个随机信号具有明确的含义。互协方差函数反映的是两个不同信号之间的相乘。这两个减去均值的信号存在共性部分和非共性部分，而共性部分的相乘总是取相同的符号，使得该部分得到加强。两个信号非共性部分的相乘咖卜尚３＿２则是随机的，有时取正有时取负，通过数学期望的平均运算后，趋于相互抵消ｍ。可见，互协方差函数能够把两个信号之间的共性部分提取出来，并抑制掉非共性部分。因此，互协方差函数描述的是两个随机信号之间的关联程度。而互相关系数是对互协方差函数的归一化，所以，互相关系数越接近ｌ，则两个信号越相似，互相关系数越接近Ｏ，则两个信号差异越大。文章后面推导事件发生检测算法时，用到式３－２的互相关系数及其物理意义。

在互相关函数、互协方差函数和互相关系数的基础上，可对两个随机信号进行比较。若随机信号ｄｆ）和ｙ（ｆ）满足如下关系：

◆ｙＯ）与ｘＯ）相差一复数幅值ｃ，令ｃ＝ＩｃｌＰ施，则Ｊ，Ｏ）是嘶）的ＩｃＩ倍放大或缩小，

并且相差一个固定的相位丸；

◆ｙ（ｆ）是ｘＯ）在时间上延迟％个时间单位的结果。

即：ｙＯ）＝ｃｘ（ｔ一彳。），则称ｙＯ）与．毋）互为相干信号。由于：

∥，＝Ｅ｛（ｘＯ）｝＝ｃＥ扛Ｏ—ｆ））＝ｃ／ｔＪ

v光电传感器

勺（ｏ）＝Ｅ移Ｏ）一∥，ｂＯ）一一】．ｊ

：Ｅ戤Ｏ）一掣，ｔ’石＋Ｏ）－－Ｃ＊∥：Ｂ

＝Ｉｃ｜２ｋ。（ｏ）一川２Ｊ

＝Ｉｃ｜２ｑ（０）

％Ｇ）＝ＥｂＯ）一∥，Ｉ），（ｆ—ｆ）一∥，】．｝

：￡｛ｂ（ｆ）一∥，Ｉｃ‘ｘ‘Ｏ一＂Ｃｏ—ｆ－Ｃ＊∥：Ｂ

＝ｃ‘Ｅ缸Ｏ）一∥，ｂＯ—ｒ。一ｒ）一∥，】．｝

＝ｃ’巳（ｆ＋％）

因此，相干信号的互相关系数为：

删＝商岛、『、，ａ、”，。∥、”，

＝ －＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ｃ。巳Ｇ＋ｆ。）３—３

＝舌帮ＩｃＩ巳（０）４ｃｏ（ｏ）Ｉｃｌ２Ｑ（０）

由式３－３可知，当ｒ＝“时，相干信号的互相关系数的模等于１，即：

ｋ【－％＿】｜＝１３—４

由式３—３和式３—４可知，若信号辄）和ｙ（ｆ）之间的互相关系数对某个一％等于１，则ｙＯ）比嘶）延迟‰个时间单位：若信号嘶）和ｙ（ｆ）之间的互相关系数对某个ｆｏ等于１，贝ｔＪｙ（ｔ）比．ｍ）超前％个时间单位。因此，互相关系数可以检测两个相干信号之间的延迟ｎ１。

３．１．３干涉型传感器的定位算法

由３．１．２节可知，可通过互相关系数计算两个相干信号之间的时间差。对于传感器的输出信号，假定“ｆ）和ｙ（ｆ）分别对应于ＰＩＮＩ和ＰＩＮ２，则由第二章的分析可知，若能检测出ｘ（ｆ）和ｙＯ）的之间的时间差即可由式２—２计算得到定位信息。由２．２节的分析可知，在传感线路上同时传输顺时针与逆时针两路光信号，这两路光信号受到外界振动产生相位调制，通过干涉的方法将相位信息转化为强度变化，由ＰＩＮｌ和ＰＩＮ２分别接收。因此，ｍ）和少（ｆ）之间的延迟是由于两信号传输的距离不同造成的。同时，ｄｆ）和ｙ（ｆ）也由于传输距离的不同使得两信号之间产生一相位差。可见，ｘ（ｆ）和．’，（ｆ）符合３．１．２节中相干信号的条件，可通过式３－３和式３—４的方法计算延迟。

通常，爿ｆ）和ｙ（ｆ）经过隔直流电路，成为零均值的平稳信号。因此，可通过互相关函数Ｒ。，（ｆ）计算互相关系数。互相关函数的最大值对应的就是互相关系数

v光电传感器

的模为ｌ的％。在实际处理中，对随机信号的每一个实现，即每次采集的信号波形，用时间平均近似统计平均的结果，也就是说：

％（ｆ）＝｛ｅｘｏ砂＋ｏ—ｒ）ｄｒ

而经过采样量化后的数字信号，

Ｒ矽Ｇ）＝ｌｉｍ吉ｘ（０ｙ‘Ｏ—ｆ）Ⅳ＿∞』’ｔ＝－Ⅳ

通常一次采样的信号长度为有限值，因此实际应用的相关函数为：

Ｒ掣Ｏ）＝吉∑ｚＧ涉’Ｇ—ｆ）ｏ’月＝０３－５

其中Ｎ为一帧信号的样点数。若在ｒ＝ｒ。处尺删最大值，则可知此时ｙＯ）相对于ｚ０）超前％个时间单位，由此得出通过互相关函数计算时间差的方法。此过程如图３－１所示。

图３－ｌａｘ（ｎ）

图３－１ｂ少Ｇ）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tza4.html