干涉型光纖傳感器的信號處理系統(tǒng)

干涉型光纖傳感器的信號處理系統(tǒng)近年來，傳感器在朝著靈敏、精巧、適應(yīng)性強(qiáng)和智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器作為傳感器家族的新成員，由于其優(yōu)越的性能而倍受青睞。在各種光纖傳感器中以干涉型光纖傳感器的靈敏度最高。此算法可以對外界振動進(jìn)行實(shí)時預(yù)警，并實(shí)現(xiàn)高速、高精度的定位。提供精確定位。研究成果對于長距離分布式干涉型光纖傳感器的實(shí)用化具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值，并在工業(yè)和國防領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)的光纖傳感系統(tǒng)分為傳感線路、光收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)采集和信號處理等部分。傳感線路部分是一種基于馬赫一澤德干涉儀的雙向干涉結(jié)構(gòu)。當(dāng)干涉儀中的干涉臂受到外力引起的振動時，光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕南辔粫l(fā)生變化，從而導(dǎo)致輸出干涉波形的變化。對外界振動發(fā)生的位置進(jìn)行定位。信號處理部分由ＤＳＰ和ＰＣ機(jī)共同組成，ＤＳＰ用于實(shí)現(xiàn)事件發(fā)生檢測算法，ＰＣ機(jī)實(shí)現(xiàn)定位算法。通過實(shí)驗(yàn)分析表明，事件發(fā)生檢測算法可以顯著地改善光纖傳感器的性能，提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性，降低誤報(bào)率。在合理設(shè)置采樣率ｌＯＯＭ擔(dān)，可以滿足光纖傳感器系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控的要求。第一章緒論１．１引言傳感器是感受規(guī)定的被測物理量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號在這一過程中，光纖傳感器作為傳感器家族的新成員，由于其優(yōu)越的性能而倍受青睞。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有以下的優(yōu)勢：首先，光纖是一種光纖傳感器利用光纖本身的敏感特性進(jìn)行工作。感器四大類。其中尤其以光纖相位傳感器（即各種光纖干涉儀）理量。2070器技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。美國海軍研究所（ＮＲＬ）1977年開始執(zhí)ＦＯＳＳ（光纖傳感器系統(tǒng)198312-14主要的研究機(jī)構(gòu)有美國海軍研究所、國家宇航局（ＮＡＳＡ）斯坦福大學(xué)等，主要研究方向有６個：光纖傳感器系統(tǒng)（ＦＯＳＳ）、現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)監(jiān)控（ＡＥＭ）、民用研究計(jì)劃（ＣＲＰ）。日本在２０世紀(jì)８０年代制定了“光應(yīng)用計(jì)劃控制系統(tǒng)”７年規(guī)劃，投資達(dá)７０億美元，規(guī)劃的主要目標(biāo)是解決強(qiáng)電磁干擾和易燃、易爆等惡劣條件下的信息測量、傳輸和全過ｔｕｒｅＦｉｂｒｅｃｕｒｅＦｅｎｃｅＳｅｎｓａ的光纖線性測溫系統(tǒng)、美國ＭＯＩ（ＭＩＣＲＯＮＯＰＴＩＣＳＩＮＣ．）公司的基于ＯＴＤＲ技術(shù)的分布式傳感器系統(tǒng)等。光纖傳感器自身的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)的成熟使其在軍用和民用領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，具有很大的市場需求。首先在民用方面，從電力系統(tǒng)、水利工程、石油礦井、化學(xué)工程等大型工程到環(huán)境檢測、食品安全檢測、醫(yī)學(xué)檢測等生活相關(guān)的行業(yè)，光纖傳感器的應(yīng)用幾乎涵蓋國民經(jīng)濟(jì)中所有領(lǐng)域，應(yīng)用范圍極其廣泛。其次，在軍用方面，光纖傳感器的應(yīng)用也很廣泛，主要產(chǎn)品有光纖陀螺、光纖水昕器、光纖壓力傳感器，光纖傳感定位系統(tǒng)等。我國在1983年召開了光纖傳感器的第一次全國會議。目前國內(nèi)光纖傳感器的主要研究工作在高校和研究所進(jìn)行，他們在光纖溫度傳感器，壓力傳感，流量，１．２光纖干涉儀光學(xué)干涉儀的共同特點(diǎn)是它們的相干光在空氣中傳播，由于空氣受環(huán)境溫度變化的影響，引起空氣的折射振動及聲波干擾。這種影響都會導(dǎo)致空氣光程的變化，從而引起干涉測量工作的不穩(wěn)定，以致準(zhǔn)確度降低。利用單模光纖作干涉儀的光路，就可以排除上述影響。并可以克服光路加長時對相干長度的嚴(yán)格限制，從而可以制造出千米量級光路長度的光纖干涉儀。通常采用的光學(xué)干涉儀主要有四種：邁克爾遜（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干涉儀、馬赫一澤德（Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉儀、塞格納克（Ｓａｇｎａｃ）干涉儀和法布里一珀羅相位差穩(wěn)定、且具有相同振動方向的光稱為相干光。兩束單色光相干疊加時產(chǎn)生的效果在接收屏上反映為明暗相間的干涉條紋。因此，若其中一束光的相位發(fā)生改變，則接收屏上的干涉條紋隨之移動，Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ、Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ（Ｍ．ｚ）、Ｓａｇｎａｃ干涉儀就是基于這個原理。寬帶光原理。若Ｆ．Ｐ一２．腔腔長發(fā)生微小改變，輸出的極大波長即隨之改變。這些干涉儀共同的特點(diǎn)是，只要其中一束或多束光的光程發(fā)生微小的變化，則接收到的干涉條紋就會明顯地發(fā)生改變。把這些干涉儀的光路移植到光纖系統(tǒng)中就構(gòu)成了干涉型光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)。光相位的變化或光的相位調(diào)制。調(diào)制信號由光電轉(zhuǎn)換器件接收解調(diào)，經(jīng)信號處理即可精確得Ｎ＃Ｉ－場變化的Ｂ／ｋｍ，因此，通過特殊設(shè)計(jì)的光纖干涉儀，可以實(shí)現(xiàn)幾十公里甚至更長距離的分布式傳感。本文中的干涉型光纖傳感器系統(tǒng)，采用馬赫一澤德（Ｍａｅｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉儀的基本結(jié)構(gòu)，通過特殊設(shè)計(jì)的對稱干涉環(huán)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里的定位檢測。這種分布式定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。在一些重要的區(qū)域，如機(jī)場、軍事設(shè)施、保密機(jī)構(gòu)等等。為了防止非法的入侵和各種破壞活動，傳統(tǒng)的防范措施是在這些區(qū)域的外圍周界處設(shè)置一些屏障，地域、人員素質(zhì)和精力等因素的影響，難免出現(xiàn)漏洞和失誤。因此需要應(yīng)用一些先進(jìn)的邊界探測報(bào)警系統(tǒng)形成一道入眼看不到的“電子圍墻”。另外，對于重要的通信光纜、輸油輸氣管線等設(shè)旌，由于鋪設(shè)距離很長，且穿越的地區(qū)多為海底或隔壁沙漠，很難實(shí)現(xiàn)人工監(jiān)視與保護(hù)。因此，也需要一些輔助的自動化的監(jiān)視設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對通信光纜和油氣管線等長距離、不間斷的保護(hù)。一旦出現(xiàn)問題，可及時將遭破壞的位置信息報(bào)告給值班人員。由此可見，這種分布式的傳感定位系統(tǒng)，在國防、工業(yè)生產(chǎn)以及民用領(lǐng)域，都有十分重要的意義。及其實(shí)現(xiàn)。傳感器系統(tǒng)中采用了一種新型的光纖干涉環(huán)結(jié)構(gòu)，由傳感光纖、光行說明。第三章為傳感器信號處理算法設(shè)計(jì)，闡述算法設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，并對第二章干涉型光纖傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)耦合器，將一束激光經(jīng)分束后分別從干涉儀兩端輸入，干涉結(jié)減少噪聲對檢測結(jié)果的影響在實(shí)際使用中光纖Ａ和光纖Ｂ為干涉儀的兩條涉臂，光纖Ｃ的作用是使干涉臂的長度小于整個光纖長度的一半，這樣做的目的是為了增加順時針和逆時針兩個方向 的光到達(dá)ＰＩＮｌ和ＰＩＮ２的時間差。由于光速非?？?，在幾十公里的光纖中傳播，延時也不過數(shù)百微妙.１．光收發(fā)模塊光收發(fā)模塊中包括三部分的電路光發(fā)射模塊光接收模塊和偏振態(tài)控制模塊光發(fā)射模塊負(fù)責(zé)給激光器加電以產(chǎn)生激光信號經(jīng)過光纖接器傳入傳感光纖光接收模塊接收經(jīng)過傳感光纖得到的干涉信號經(jīng)過光電換，將轉(zhuǎn)換后的電信號通過同軸電纜接入數(shù)據(jù)采集卡。光發(fā)射部分實(shí)現(xiàn)了自動溫度控制ＡＴＣ和自動功率控制使ＬＤ發(fā)出穩(wěn)定的直流光傳感光纖出的光信號由ＰＩＮ來接收把光信號轉(zhuǎn)變成為電信號電信號再通過和中放將微弱的信號放大放大后的電信號通過電纜線送給數(shù)據(jù)采集部分。過傳感光纖的光信號連接到光接收部分接收，偏振控制部分的電路會根據(jù)接到的光信號的可見度情況來反饋控制偏振控制器，激光器輸出的光輸入到偏控制器進(jìn)行偏振控制后，再輸出到傳感光纖中。干涉型光纖傳感器必須具有極高的靈敏度、很大的動態(tài)范圍和盡可能高的信噪比，同時應(yīng)在長期特定的工作環(huán)境下具有良好的光學(xué)穩(wěn)定性。因此要消除光波在普通低雙折射單模光纖中傳輸時偏振態(tài)的隨機(jī)變化導(dǎo)致干涉信號的不穩(wěn)定，即偏振誘導(dǎo)信號衰落。目前比較通用的做法是通過偏振控制器，經(jīng)由一定的反饋控制算法，實(shí)時調(diào)整傳感光纖中的光偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的動態(tài)穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集部分的功能是將光收發(fā)模塊輸出的傳感器模擬信號進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給信號處理部分進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集部分處于系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，一端接收模擬信號，另一端輸出數(shù)字信號，因此這部分的設(shè)計(jì)十分重要，既要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，又要兼顧靈活多樣的特點(diǎn)，如可變采樣率等。通常，有兩種方案可供