微波干涉式水聽器臂長差測(cè)量的硬件電路實(shí)現(xiàn)

李鵬，梁瑞頭，薛丙龍

（湖南天冠電子信息技術(shù)有限公司，湖南長沙 410205）

水聲探測(cè)及通信[1]是國家的重點(diǎn)戰(zhàn)略，光纖傳感系統(tǒng)在水聲通信及探測(cè)方面具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

工程中，光纖傳感系統(tǒng)[2]使用的水聲傳感器均為干涉式水聽器，如廣泛應(yīng)用的Mach-Zehnder 型水聽器和Michelson 型水聽器。干涉式水聽器兩臂長度差的測(cè)量精度[3]決定了干涉式水聽器對(duì)環(huán)境變化的感應(yīng)精度。

該文對(duì)近年興起的基于微波的測(cè)量干涉式水聽器臂長差理論進(jìn)行數(shù)理分析，提出了一種采用HMC833 頻率綜合芯片產(chǎn)生微波調(diào)制信號(hào)并通過STM32 的ADC 模塊采樣該信號(hào)的硬件實(shí)現(xiàn)方法。該方案將干涉光譜轉(zhuǎn)換為波峰波谷，讀取相鄰谷值功率處掃頻微波頻率間隔的大小，計(jì)算臂長差，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法具有較高的測(cè)量精度，且成本低廉。

1 原 理

1.1 方案概述

光源器件通電后產(chǎn)生一束激光，激光進(jìn)入電光強(qiáng)度調(diào)制器。臂長差射頻板中微控制器STM32 控制微波源HMC833 產(chǎn)生調(diào)頻微波調(diào)制信號(hào)，調(diào)制信號(hào)進(jìn)入電光強(qiáng)度調(diào)制器對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制[4]。調(diào)制后的激光信號(hào)經(jīng)過干涉式水聽器的兩臂發(fā)生反射后形成干涉波。干涉波為微波信號(hào)，攜帶水聽器兩臂長度差值的信息，由水聽器輸出端進(jìn)入光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)換為攜帶臂長差值信息的電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)采樣濾波、信號(hào)放大與本振頻率下變混頻[5]后，進(jìn)入微控制器的ADC 模塊。微控制器采集到微波信號(hào)的功率與頻率信息，通過串口或藍(lán)牙模塊發(fā)送到上位機(jī)或移動(dòng)終端。上位機(jī)解調(diào)軟件計(jì)算微波信號(hào)相鄰谷值的頻率間隔信息，進(jìn)而計(jì)算出干涉式水聽器的臂長差信息。

干涉式水聽器臂長差測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

1.2 測(cè)量原理

1.2.1 原理推導(dǎo)

射頻微波源產(chǎn)生的射頻信號(hào)可以表示為式（1）：

其中，Vm是輸入射頻微波信號(hào)的幅值，ωm是射頻微波信號(hào)角頻率。

加在電光強(qiáng)度調(diào)制器上的偏置電壓可以表示為式（2）：

根據(jù)電光強(qiáng)度調(diào)制器工作原理，對(duì)應(yīng)的光相位變化可表示為式（3）：

其中，VDC是偏置直流電壓，Vπ是電光強(qiáng)度調(diào)制器半波電壓。

經(jīng)過微波射頻信號(hào)調(diào)制的激光，通過光電強(qiáng)度調(diào)制器最終的輸出功率可表示為式（4）：

由于A、B均為常數(shù)，不對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，故不加展開。

光電強(qiáng)度調(diào)制器輸出的光經(jīng)干涉式水聽器后，輸出的光強(qiáng)可表示為式（5）：

其中，Δθ1=4πfmnl1/c，Δθ2=4πfmnl2/c，Δθ1、Δθ2表示調(diào)制激光在水聽器兩臂分別產(chǎn)生的相位變化量。fm表示經(jīng)水聽器輸出的射頻信號(hào)頻率，c表示光在光纜中的傳播速度，n表示微波光子在光纜中的折射率。

水聽器輸出的光信號(hào)攜帶臂長差信息，進(jìn)入光電探測(cè)器，由光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。對(duì)電流表達(dá)式使用bessel 展開，同時(shí)硬件濾除高階分量，可以表示為式（6）：

對(duì)該電流信號(hào)進(jìn)行I/V 轉(zhuǎn)換，放大濾波，去除本振頻率fm，可得到最終輸出信號(hào)的表達(dá)式如式（7）：

研究上式可知，Vout與fm滿足余弦函數(shù)關(guān)系，其周期由臂長差l1-l2決定。因此，只要測(cè)得相鄰兩個(gè)Vout為0 的頻點(diǎn)fm1與fm2，通過這兩個(gè)值，可以計(jì)算出臂長差為：

1.2.2 范圍與精度

干涉式水聽器兩臂長度差通常在0.3～150 m 之間。設(shè)置系統(tǒng)可測(cè)量臂長差范圍為0.15～200 m，根據(jù)式（8）可得微波源掃頻信號(hào)fm1-fm2應(yīng)在0.5～690 MHz范圍內(nèi)。掃頻信號(hào)帶寬大于或等于700 MHz 時(shí)可滿足系統(tǒng)要求。

為滿足極限精度要求，以測(cè)量精度為1 mm，臂長差為200 m 為例，此時(shí)需要微波源的掃頻信號(hào)頻率誤差不大于5×10-6Hz。

2 硬件電路實(shí)現(xiàn)

2.1 產(chǎn)品組成

微波干涉式水聽器臂長差測(cè)量硬件可分為如下組件：

1）光源：SLD 光源；

2）電光強(qiáng)度調(diào)制器：Mach-Zehnder 調(diào)制器；

3）干涉式水聽器：支持Mach-Zehnder 水聽器和Michelson 水 聽器[6]；

4）光電探測(cè)器：PIN 型光電探測(cè)器；

5）上位機(jī)：個(gè)人電腦；

6）移動(dòng)終端：具有藍(lán)牙接口的智能手持終端；

7）數(shù)字電源：可調(diào)數(shù)字電源；

8）臂長差射頻板：產(chǎn)生掃頻微波調(diào)制信號(hào)，采樣光電信息；

9）電源板：系統(tǒng)供電。

2.2 電源板設(shè)計(jì)

電源板需要為整套采樣系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源。電源板輸入為+12 VDC。為臂長差射頻板提供+6 V電源輸出，為電光強(qiáng)度調(diào)制器（EOM）提供+10.5 V和+8 V 電源輸出，為光電探測(cè)器提供±15 V 電源輸出。其中較大的電源：一種為輸出電壓+15 V，電流不小于1 A；另一種為輸出電壓+6 V，電流不小于2 A。電源板滿足工業(yè)級(jí)使用環(huán)境要求。

2.3 臂長差射頻板設(shè)計(jì)

2.3.1 板卡概述

根據(jù)系統(tǒng)要求，臂長差射頻板應(yīng)具有以下功能：

1）微波掃頻范圍為1.7～2.4 GHz（頻率寬度不小于700 MHz），輸出功率為18 dBm@2 GHz；

2）微波掃頻頻率誤差不大于5×10-6Hz；

3）采樣范圍為1～3 GHz；

4）RS232 串口通信，支持波特率為19 200 b/s；

5）支持bluetooth4.0。

臂長差射頻板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)為射頻電路部分的設(shè)計(jì)工作，含微波信號(hào)源設(shè)計(jì)、采樣濾波器設(shè)計(jì)。微控制器的信號(hào)采集、串口通信以及上位機(jī)軟件解算功能可采用通用設(shè)計(jì)方案。

2.3.2 微波信號(hào)源

微波射頻信號(hào)[7]通過電光強(qiáng)度調(diào)制器對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制。相位噪聲低、頻率穩(wěn)定性高的微波信號(hào)，是激光調(diào)制的前提條件。同時(shí)，微波信號(hào)還應(yīng)該具備連續(xù)調(diào)節(jié)的能力，即具備按照步進(jìn)掃頻輸出的能力。由文獻(xiàn)[8]可知，具備相位噪聲低、頻率穩(wěn)定性高特點(diǎn)的介質(zhì)諧振器，調(diào)頻范圍過小；調(diào)頻范圍大的介質(zhì)諧振器，相位噪聲和頻率穩(wěn)定性難以滿足要求。該方法選用ADI 公司的微波芯片壓控振蕩器（VCO）配合鎖相環(huán)（PLL）結(jié)構(gòu)，輸出既能保證相位噪聲低、頻率穩(wěn)定性高，又能保證調(diào)頻范圍足夠?qū)挼奈⒉ㄕ{(diào)制信號(hào)。

該硬件實(shí)現(xiàn)方法中鎖相環(huán)（PLL）結(jié)構(gòu)[9]如圖2 所示。該結(jié)構(gòu)主要由輸入?yún)⒖碱l率分頻器（1/R）、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）和分頻器(1/N)五部分組成。

圖2 集成VCO的PLL結(jié)構(gòu)

各個(gè)部分的作用如下:

輸入?yún)⒖碱l率分頻器（1/R）：對(duì)輸入的頻率信號(hào)進(jìn)行分頻，分頻系數(shù)可調(diào)；

鑒相器：比較輸入端兩個(gè)頻率的相位差；

環(huán)路濾波器[10]：鎖相環(huán)最重要的組成部分，控制環(huán)路的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，抑制帶內(nèi)外雜散和噪聲。一定程度上，環(huán)路濾波器決定了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的傳輸特性；

壓控振蕩器：輸出頻率隨輸入控制電壓的變化而變化的振蕩電路。輸出相噪低、穩(wěn)定性高的連續(xù)步進(jìn)掃頻信號(hào)；

分頻器(1/N)：對(duì)壓控振蕩器輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行分頻，分頻系數(shù)可調(diào)。

該設(shè)計(jì)中，采用ADI 公司的一款集成VCO 全功能小數(shù)N分頻鎖相環(huán)芯片HMC833[11]搭配環(huán)路濾波器完成高精度、低相噪微波信號(hào)源[12]。

HMC833包括一個(gè)提供23 MHz～3 GHz輸出的集成式低噪聲VCO、一個(gè)用于低壓VCO 調(diào)諧的自校準(zhǔn)子系統(tǒng)、一個(gè)超低噪聲數(shù)字鑒相器(PD)、一個(gè)精密控制電荷泵、一個(gè)低噪聲參考路徑分頻器和一個(gè)小數(shù)分頻器。

HMC833可達(dá)到如下指標(biāo)：RF帶寬為25～3 000 MHz；鑒相器速率為100 MHz；超低噪聲為-110 dBc/Hz；品質(zhì)因數(shù)為-227 dBc/Hz；抖動(dòng)小于180 fs RMS；24 bit 步進(jìn)，分辨率為3 Hz；精確頻率模式；內(nèi)置數(shù)字自測(cè)功能。

HMC833 沒有集成環(huán)路濾波器，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器[13]。先分析環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)需求。設(shè)分頻器（1/R）的頻率為1 Hz，推導(dǎo)鎖相環(huán)電路的傳輸特性，經(jīng)拉普拉斯變換，可以得到如下表達(dá)式：

其中，θv是壓控振蕩器輸出頻率信號(hào)的相位值，θi是輸入?yún)⒖碱l率信號(hào)的相位值，Kd是鑒相器的增益，Kv是壓控振蕩器的增益，F(xiàn)(s)是環(huán)路濾波器的傳輸特性函數(shù)，N是分頻器（1/N）的分頻參數(shù)。

可以看到，鎖相環(huán)電路屬于負(fù)反饋系統(tǒng)。環(huán)路濾波器的響應(yīng)特性F(s)決定了系統(tǒng)的開環(huán)特性。恒定導(dǎo)致-90°相移。因此在設(shè)計(jì)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)環(huán)路濾波器時(shí)，需要謹(jǐn)慎考慮相位問題。環(huán)路濾波器需要預(yù)留30°～50°的相位預(yù)量[14]。

該設(shè)計(jì)中采用預(yù)留較大相位預(yù)量的無源滯后超前濾波器，環(huán)路濾波器電路如圖3 所示。根據(jù)仿真結(jié)果可知，可達(dá)到44.1°的相位預(yù)量。環(huán)路濾波器仿真結(jié)果如圖4 所示。微波信號(hào)仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖3 環(huán)路濾波器電路

圖4 環(huán)路濾波器仿真結(jié)果

圖5 微波信號(hào)仿真結(jié)果

2.3.3 采樣濾波器

干涉式水聽器輸出的激光信號(hào)攜帶了臂長差信息，經(jīng)光電探測(cè)器由光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)入臂長差射頻板。臂長差射頻板完成對(duì)電信號(hào)的濾波、移相和信號(hào)采集。具體包含以下電路：采樣濾波電路、微波放大電路[15]、信號(hào)解調(diào)電路和AD 采樣電路。

經(jīng)過采樣濾波器濾波，減小信號(hào)中的帶外噪聲，提高微波信號(hào)的信噪比，才能進(jìn)入微波放大電路。該系統(tǒng)的工作頻段在1.7～2.4 GHz 之間，頻率寬度不小于700 MHz。倍頻覆蓋范圍為3.4～4.8 GHz。根據(jù)此要求，采樣濾波器通帶拐點(diǎn)的頻率需大于2.4 GHz，阻帶拐點(diǎn)的頻率需小于3.4 GHz。比較常規(guī)的低通濾波器有源濾波器、切比雪夫無源濾波器、巴特沃斯無源濾波器。切比雪夫I 型低通濾波器[16]在過濾帶衰減快，在通頻帶等幅起伏，而且比巴特沃斯濾波器需要的階數(shù)少，具有更高的矩形系數(shù)。另外，切比雪夫I 型濾波器的極點(diǎn)大體分布在橢圓軌跡線上，而非單位圓上，具備比巴特沃斯濾波器更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性?？梢娗斜妊┓騃型低通濾波器更加符合設(shè)計(jì)需求。

根據(jù)ADI公司仿真工具得到的仿真結(jié)果如圖6-8所示?？纱_定七階切比雪夫I 型低通濾波器滿足設(shè)計(jì)需求。其中，濾波器頻率拐點(diǎn)設(shè)置為2.6 GHz，源端阻抗和負(fù)載端阻抗按照常規(guī)設(shè)置為50 Ω，帶內(nèi)紋波的閾值設(shè)置為1 dB。

圖6 七階切比雪夫I型低通濾波器

微波調(diào)制信號(hào)的頻率較高，PCB 布板時(shí)，走線的寄生電容也會(huì)影響采樣濾波器性能。所以仿真設(shè)計(jì)得到的參數(shù)只能作為一個(gè)參考。

圖7 低通濾波器頻率響應(yīng)圖

圖8 低通濾波器極點(diǎn)分布圖

2.3.4 其他電路

選用STM32F373 作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)微波源參考頻率、串口RS232 通信、藍(lán)牙通信、微波源控制、外部通信、內(nèi)部通信等功能。

該芯片主要有以下特點(diǎn)：采用ARM 架構(gòu)32 位Cortex?-M3 內(nèi)核；72 MHz 運(yùn)行頻率；3 個(gè)16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換，多達(dá)21 個(gè)通道；12 個(gè)DMA 通道；3 個(gè)USART通道；3 個(gè)SPI 通道；11 個(gè)定時(shí)器；256 kbytes FLASH。

該芯片具有較強(qiáng)的處理能力，內(nèi)部集成了豐富的接口，外圍電路簡單，功能擴(kuò)展空間大，技術(shù)成熟可靠。

3 實(shí)物驗(yàn)證結(jié)果

該方案硬件電路中，STM32 控制器控制微波源以3 Hz步進(jìn)向M-Z光強(qiáng)調(diào)制器連續(xù)發(fā)射1.7～2.4 GHz的掃頻信號(hào)，對(duì)進(jìn)入水聽器的激光進(jìn)行調(diào)制。激光經(jīng)水聽器兩臂反射后，形成帶臂長差信息的干涉光信號(hào)。光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)采樣濾波器濾波后，由STM32采集混頻功率信息。STM32將采集到的混頻信息通過串口發(fā)送至上位機(jī)數(shù)據(jù)解碼軟件，轉(zhuǎn)換為干涉光譜的波峰波谷，并換算出真實(shí)臂長差數(shù)據(jù)。

經(jīng)實(shí)際測(cè)量，臂長差為0.15 m 時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)±0.01 mm；臂長差為200 m時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)±0.2 mm。由此可得，該方案硬件方案測(cè)量誤差可控制在10-6量級(jí)。

4 結(jié)論

該文介紹的微波干涉式水聽器臂長差測(cè)量的硬件實(shí)現(xiàn)方法，其掃頻電路、環(huán)路濾波、采樣濾波、射頻放大、功分移相等各個(gè)電路環(huán)節(jié)都經(jīng)過了多方對(duì)比分析與仿真。其測(cè)量長度、測(cè)量精度可覆蓋光纖陣?yán)|公司通用的測(cè)量檢驗(yàn)需求。經(jīng)實(shí)物測(cè)量，與國外進(jìn)口水聽器臂長差測(cè)量設(shè)備相比，具有覆蓋性全、測(cè)量精度高、成本低的特點(diǎn)，是一種較好的硬件實(shí)現(xiàn)方案。