光纖干涉弱磁傳感相位補(bǔ)償

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(diǎn)，但它易受環(huán)境影響發(fā)生隨機(jī)相位漂移，導(dǎo)致信號(hào)衰落及探測(cè)靈敏度降低，因此必須解決相位漂移問(wèn)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(jìn)行相位補(bǔ)償。并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與當(dāng)前多被采用的直流相位跟蹤法進(jìn)行了對(duì)比，證明PTAC相位補(bǔ)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(chǎng)傳感器 PTAC PTDC

中圖分類(lèi)號(hào)：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(diǎn)，但它易受環(huán)境影響發(fā)生隨機(jī)相位漂移，導(dǎo)致信號(hào)衰落及探測(cè)靈敏度降低，因此必須解決相位漂移問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，已經(jīng)提出了相位載波、光纖耦合器等被動(dòng)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(dòng)零差技術(shù)、外差技術(shù)等方法。要想獲得外界被測(cè)物理量，就需要將與之對(duì)應(yīng)的相位信息從干涉儀的輸出信號(hào)中解調(diào)出來(lái)，目前常用于干涉型光纖傳感器的相位檢測(cè)解調(diào)技術(shù)可以分為如下兩類(lèi)：零差檢測(cè)和外差檢測(cè)。零差檢測(cè)包括主動(dòng)零差檢測(cè)和被動(dòng)零差檢測(cè)等。外差檢測(cè)則包括普通外差檢測(cè)，合成外差檢測(cè)以及偽外差檢測(cè)等。零差檢測(cè)方法是一種利用解調(diào)電路直接將光纖干涉儀輸出信號(hào)中所包含的與外界被測(cè)物理量相關(guān)的相位信息提取出來(lái)的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)性，體積較小以及功耗較低等；缺點(diǎn)則是需要用到一些特殊的器件，或者采取復(fù)雜的反饋控制電路。與零差檢測(cè)方法不同，外差檢測(cè)方法并不直接提取相位信息，而是利用與外界被測(cè)物理量有關(guān)的相位信息，對(duì)光纖干涉儀參考臂中產(chǎn)生的拍頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制之后，再使用解調(diào)電路解調(diào)出相位信號(hào)。與零差檢測(cè)方法相比，盡管外差檢測(cè)方法所能夠解調(diào)的相位范圍較大，也不需要使用復(fù)雜的反饋電路，但拍頻信號(hào)的產(chǎn)生卻在一定程度上增加了光路的復(fù)雜性，這是因?yàn)橐a(chǎn)生拍頻信號(hào)必須在干涉儀參考臂中使用移頻器，另外外差檢測(cè)方法在電路的實(shí)現(xiàn)上也有較高的復(fù)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(jìn)行相位補(bǔ)償。并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與當(dāng)前多被采用的直流相位跟蹤法進(jìn)行了對(duì)比，證明PTAC相位補(bǔ)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(xiàn)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(shù)脂膠與金屬玻璃薄膜做點(diǎn)連接，相位補(bǔ)償單元在實(shí)驗(yàn)中采用交流相位跟蹤法。

設(shè)被測(cè)直流磁場(chǎng)為，交流調(diào)制磁場(chǎng)為，則換能器上總磁場(chǎng)為：

（1）

由磁致伸縮相干旋轉(zhuǎn)模型，光波相位變化與磁場(chǎng)的關(guān)系近似為：

（2）

其中，C是與泊松比、波長(zhǎng)等有關(guān)的系數(shù)。經(jīng)光電探測(cè)放大后輸出電壓信號(hào)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(lái)的隨機(jī)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(jī)相位漂移a、待測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)和交流調(diào)制磁場(chǎng)信號(hào)幅度引起的相移，有

（4）

交流相位包含2項(xiàng)，分別為：

（5）

（6）

2 交流相位跟蹤法（PTAC）

實(shí)驗(yàn)中使用PTAC法作為相位補(bǔ)償，PTAC利用干涉儀的輸出信號(hào)產(chǎn)生反饋控制信號(hào)，將其作用在干涉儀中的相位調(diào)制器上進(jìn)行相位補(bǔ)償，以抵消外界溫度變化、偏振態(tài)變化等引起的相位隨機(jī)起伏，從而使傳感器工作在最佳工作點(diǎn)上。信號(hào)反饋提取流程如圖2所示。

信號(hào)經(jīng)差分放大，再AGC后，輸出電壓信號(hào)表示為：

（7）

其中為光電探測(cè)器電流，K為比例放大倍數(shù)，為振蕩器驅(qū)動(dòng)PZT在光纖中產(chǎn)生的相位差，，由于被測(cè)磁場(chǎng)遠(yuǎn)小于換能器上的調(diào)制磁場(chǎng)，項(xiàng)可以忽略不計(jì)，則式（7）可寫(xiě)作：

（8）

當(dāng)PTAC系統(tǒng)鎖定在π（N為整數(shù)）時(shí)，系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，因此式（8）只取第一項(xiàng)，并將其展開(kāi)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(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，將與PZT調(diào)制信號(hào)同頻率的振蕩信號(hào)和V相乘，待測(cè)信號(hào)具有相同頻率的項(xiàng)（n=0）為：

（10）

從式（10）可以看到，乘法器輸出的信號(hào)中仍有調(diào)制信號(hào)，因此信號(hào)還要經(jīng)鎖定放大器，信號(hào)處理系統(tǒng)最后輸出信號(hào)為：

（11）

同時(shí)，從對(duì)干涉型光纖磁場(chǎng)傳感器系統(tǒng)固有噪聲所作的分析來(lái)看，要測(cè)量更低的最小可探測(cè)磁場(chǎng)，提高系統(tǒng)分辨率，就必須減小噪聲對(duì)信號(hào)的影響。但噪聲是每個(gè)系統(tǒng)與生俱來(lái)的，沒(méi)有任何系統(tǒng)能做到完全無(wú)噪聲，所以必須采取一定的措施來(lái)減少噪聲的影響，尤其是在對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的時(shí)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(duì)噪聲進(jìn)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(kāi)。有比較多的消除環(huán)境噪聲的方法。可以采用噪聲屏蔽設(shè)備，如聲音隔離和適當(dāng)?shù)臏p震臺(tái)的應(yīng)用，減少外界對(duì)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(bǔ)償工作點(diǎn)，有效避免了緩慢變化的環(huán)境噪聲對(duì)干涉儀光相位的干擾。對(duì)于系統(tǒng)本底噪聲，可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析，選擇質(zhì)量和性能指標(biāo)更加優(yōu)異和可靠的元器件來(lái)從根本上減小本底噪聲。比如盡可能選用強(qiáng)度與頻率抖動(dòng)均很小的窄線(xiàn)寬的半導(dǎo)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(dǎo)體激光器都能滿(mǎn)足這方面的要求。另外還可以通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工藝制作流程來(lái)盡量減少可能產(chǎn)生噪聲的因素。比如使用光學(xué)精密反射儀嚴(yán)格控制光纖干涉儀的臂長(zhǎng)差，來(lái)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(guò)對(duì)硬件進(jìn)行必要的改善來(lái)降低系統(tǒng)本底噪聲的方法之外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在越來(lái)越多的采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)降低噪聲，并提取出淹沒(méi)在噪聲背景下的微弱信號(hào)?，F(xiàn)有光纖傳感信號(hào)解調(diào)是基于硬件電路實(shí)現(xiàn)的，盡管這是目前主要采用的方法，但需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的電路。在干涉型光纖傳感器中，包含有待檢測(cè)信息的有用光信號(hào)十分微弱并受到系統(tǒng)光路光噪聲的影響。該信號(hào)在被光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)之后，利用解調(diào)電路實(shí)施傳感信號(hào)解調(diào)和提取的過(guò)程中，更是會(huì)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(lái)進(jìn)行信號(hào)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(cè)法中，利用鎖定放大器來(lái)檢測(cè)包含有微弱直流磁場(chǎng)信息的傳感信號(hào)，如果交流激勵(lì)磁場(chǎng)過(guò)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(dòng)態(tài)范圍。與此同時(shí)，從當(dāng)前傳感器研究的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，傳感器的陣列化和遠(yuǎn)距離測(cè)量監(jiān)控將是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間的重要研究方向。如果能夠在原有干涉型光纖微弱磁場(chǎng)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(lái)，放置于遠(yuǎn)程監(jiān)控端，將有可能對(duì)干涉型光纖微弱磁場(chǎng)傳感器的實(shí)用化產(chǎn)生積極的推動(dòng)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(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)干涉型光纖傳感系統(tǒng)差分放大器的輸出進(jìn)行處理，利用軟件解調(diào)的辦法實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感信號(hào)的提取。在算法實(shí)現(xiàn)理想的情況下，軟件解調(diào)是不會(huì)引入計(jì)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(diǎn)，它只需要通過(guò)修改相應(yīng)的代碼就能輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參數(shù)的調(diào)節(jié)。更重要的一點(diǎn)在于，在軟件解調(diào)的過(guò)程中，可以通過(guò)添加各種信號(hào)處理單元方便地對(duì)有待解調(diào)的信號(hào)進(jìn)行降噪處理。

3 實(shí)驗(yàn)分析與比較

為驗(yàn)證PTAC法系統(tǒng)的性能，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，本實(shí)驗(yàn)與通常使用的PTDC法實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。PTDC法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電學(xué)復(fù)雜性低、信號(hào)畸變小、系統(tǒng)處于線(xiàn)性狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，在干涉型光纖傳感器中被廣泛使用。其信號(hào)反饋提取流程如圖3所示。

兩路光信號(hào)通過(guò)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(bǔ)償。工作點(diǎn)在π/2。

激光器波長(zhǎng)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(zhǎng)度為2 m。調(diào)制磁場(chǎng)頻率為13 kHz，調(diào)制磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在檢測(cè)相同大小的被測(cè)信號(hào)時(shí)，輸出電壓值基本一致。鎖定放大器輸出被測(cè)信號(hào)波形如圖4所示，PTDC法在系統(tǒng)穩(wěn)定后被測(cè)信號(hào)波動(dòng)范圍為33 mV，相對(duì)誤差為8%，而PTAC法在系統(tǒng)穩(wěn)定后被測(cè)信號(hào)波動(dòng)范圍為8 mV，相對(duì)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(diǎn)。

3.2 線(xiàn)性度比較

由于載波的引入，可以使用自動(dòng)增益控制電路（AGC）消除光源功率波動(dòng)和偏振態(tài)變化的影響，獲得更穩(wěn)定的輸出。在同實(shí)驗(yàn)條件下，分別運(yùn)用PTDC與PTAC兩種補(bǔ)償方法測(cè)量200 nT～800 nT的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，PTAC法的線(xiàn)性度為0.7%，PTDC法的線(xiàn)性度為3%，磁場(chǎng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖5所示，PTAC法的線(xiàn)性度明顯好于PTDC法。在實(shí)驗(yàn)中采用PTAC法進(jìn)行相位補(bǔ)償，系統(tǒng)的精度得到了提高。

4 結(jié)語(yǔ)

我們?cè)诘皖l弱磁傳感器中使用了兩種相位補(bǔ)償方法，都實(shí)現(xiàn)了控制工作點(diǎn)的目的，而PTAC法較PTDC法，雖然系統(tǒng)更復(fù)雜，但它能更好地控制系統(tǒng)的增益帶寬積，實(shí)現(xiàn)鎖相，PTAC法使傳感器具有更好的重復(fù)性和線(xiàn)性度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

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