干涉型光纤传感器低频信号检测技术研究
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仪来说，光源调制深度 C 满足：C = 4πnΔLν 0 c ，其 中 n 为光纤折射率，c 为真空中光速，ν 0 为光源最大
调制频率；在满足 C=2.4 rad 的条件下兼顾光源调制 电压极限和系统降噪的需要，可得最佳臂长差 ΔL 。 本文假设保偏 Michelson 干涉仪臂长差 ΔL 为 5 m，其 中参考干涉仪臂长分别设为：0 m 和 5 m。具体改进 方案如图 3 所示：通过采用全保偏光纤结构克服系统 偏振噪声，引入光电负反馈降低光源强度噪声，通过 合理的探头结构设计减小外界干扰影响，降低光源相 位噪声。
2 改进措施与仿真分析
由于参考干涉仪方案低频段降噪能力下降的主 要原因来自干涉系统自噪声和环境干扰两个方面，因 此需要从系统结构上作相应的调整和改进。通过理论
增刊
叶 欣等：干涉型光纤传感器低频信号检测技术研究
3
分析可知干涉相位噪声是通过干涉仪的非平衡臂长 差引入的，因此在满足 C 值条件下尽可能减小臂长 差对于系统自身降噪是有利的。对于 Michelson 干涉
ω0
2ω0
ω0
2ω0
sin(φs + δφs ) cos(φs + δφs )
sin(φr + δφr ) cos(φr + δφr )
图 1 基于 PGC 解调和参考干涉仪的检测技术 Fig.1 Detection technique based on PGC demodulation
and reference interferometer
为了对比原检测方案和改进方案的降噪效果，验 证理论分析的可行性，对这两种方案进行数值仿真。
仿真时设待测信号为φs = cos(2πfst) , fs = 1 Hz 。为便
于分析，将由光源和环境引起的相位干扰分别以低频
的余弦信号φn = cos(2πfnt) 和φt = cos(2πftt) 代替，其 中频率 fn = 0.5 Hz , ft = 0.2 Hz 。因此，加干扰的原 始信号表示为：φs + φn + φt 。
Key words: Reference interferometer ; Phase noise ; PGC demodulation ; Tepmerature drift
收稿日期：2010-04-18 作者简介：叶欣(1983-)男，浙江人，硕士，主要从事光纤传感技术方面研究。Email：zhjyexin@163.com 导师简介：胡永明（1960-）男，福建人，教授，博士生导师，主要从事光纤传感技术方面研究。Email：huyongming_nudt@hotmail.com
第 39 卷，增刊 Vol.39 Supplement
红外与激光工程
Infrared and Laser Engineering
2010 年 5 月 May. 2010
干涉型光纤传感器低频信号检测技术研究
叶 欣 1，罗 洪 1,2，胡永明 1
（1. 国防科学技术大学 光电科学与工程学院，长沙 410073；2. 桂林空军学院，桂林 541000 ）
YE Xin1, LUO Hong1,2, HU Yong-ming1
(1. College of Optoelectric Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China； 2. Guilin Airforce Academy, Guilin 541000, China)
通过改进的方案，干涉结果可分别表示如下：
V r
(t)
=
A
+
B
cos(cm
cosω0t
+
φn
+
φt
)
Vs (t) = A + B cos(cm cosω0t + φs + φn + φt )
由于检测对象为 10 Hz 以下的低频信号，因此，
选择光源调制频率 ω0 =500 Hz，相应的采样频率为
4KHz。具体的信号解调框图如图 5 所示：
度达到 2.4 rad，因此，它一般要求干涉仪具有较大的 光程差。这样，即使较小的光源频率抖动都会在干涉 仪中产生较大的相位噪声[2]。为了消除这部分相位噪 声，人们在检测系统中引入了被屏蔽的参考干涉仪。 图 1 即描述了这种基于 PGC 调制解调和参考干涉仪 的降噪方案。图 2 描述的是该方案在信号解调时利用 传感信号和参考信号进行的降噪处理。
摘 要：概述了基于参考干涉仪 PGC 调制解调的信号检测技术，分析讨论了其应用于低频信号 检测时存在的问题及其原因，并提出了相应的改进措施。通过合理的探头结构设计，将光程差相同 的传感干涉仪和参考干涉仪封装在同一密封容器中，使得两干涉仪受到的环境温度作用一致；从而 能够利用参考干涉仪抑制环境温漂的影响，有效地降低传感系统低频相位噪声。对改进的检测方案 在低频段工作的情况进行了仿真分析。仿真结果表明：改进的检测方案对于降低传感系统低频相位 噪声和抑制环境温漂具有明显的作用，能够有效地实现对低频信号的检测。
sin (φ s − φ r′ )
图 5 解调方案原理框图 Fig.5 Schematic diagram of the demodulation scheme
仿真结果如图 6 和图 7 所示：图 6 表明通过使用 参考干涉仪代表光源低频相位噪声的 0.5 Hz 信号被 有效消除，而由于两干涉仪环境温度的不一致，由温 漂引起的低频干扰仍然存在。图 7 则表明在对原参考 干涉仪方案改进后代表环境干扰的 0.2 Hz 信号也被 消除，并且有效地解调出了 1 Hz 的待测信号。
sin(φs + δφs )
源自文库
sin(φs −φr′)
cos(φs + δφs )
sin(φr′ + δφr′) cos(φr′ + δφr′)
cos(φs −φr′)
图 2 信号处理算法 Fig.2 Arithmetic of signal processing
通过引入参考干涉仪，干涉系统的光源相位噪声 得到了有效抑制；然而由于外界环境条件的变化如温 度漂移，信号解调结果仍会受到较大干扰，这种干扰 在低频信号检测中表现尤为明显。而现有结构的干涉 系统对于这部分干扰还不能有效的消除。
2
红外与激光工程：光通信与光传感
第 39 卷
0引言
干涉型光纤传感器是目前灵敏度最高，也是应用 最广泛的光纤传感器之一，但该类型光纤传感器易受 光源频率抖动及环境干扰的影响产生随机相位噪声， 不利于信号检测。目前，在降低干涉型光纤传感系统 本底噪声方面，国内外已有很多研究报道[1-9]，其中 不少技术已经成熟应用。参考文献[3]报道了 kersey 等人采用了一种基于参考干涉仪 PGC 调制解调的信 号检测技术，在系统工作的 50 Hz 到 3 KHz 的频段上 对光源相位噪声获得了大于 40 B 的降噪效果，而在 工作频率低于 30 Hz 时，系统降噪效果明显下降。具 体分析，造成该方案低频段降噪效果下降的主要原因 有以下两方面：首先是外界环境干扰方面，低频段干 扰增强和参考干涉仪的屏蔽效果有限造成了降噪效 果的不明显，其中环境温漂对干涉结果造成的影响较 大。由于温度变化会引起光纤折射率变化并且因此而 导致的干涉仪相位差往往会比信号引起的相位差大 得多，所以当参考干涉仪与传感干涉仪所处的环境温 度条件不同时，就会在解调结果中引入较大的相位噪 声，而且这种噪声主要存在于低频段。其次是系统自 噪声干扰方面，包含调制电路的低频噪声和调制器件 的不稳定等造成的系统调制噪声，低频的激光光源强 度噪声，保偏器件的有限消光比造成的偏振噪声等一 系列系统噪声[2]，最终都会通过转化为相位噪声的形 式对解调结果产生影响。因此，文中将主要针对以上 两方面问题对基于参考干涉仪 PGC 调制解调的信号 检测系统提出改进，使得该方案能够有效降低系统相 位噪声，抑制环境温漂的影响，实现对低频信号的检 测，并对改进的检测方案进行仿真分析。
关键词：参考干涉仪；相位噪声；PGC 解调；温漂 中图分类号：TN244 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2010)增（光通信）-0000-04
Low-Frequency signal detection technique of fiber-optic interferometric sensor
Abstract：The basic principle of detection technique based on reference interferometer and PGC demodulation is summarized. The problems of this technique used in low-frequency signal detection and its causes are discussed. The relevant improvements are as well put forward. By reasonable sensor design, the sensor interferometer and the reference interferometer with equal optic path difference are sealed in a same airtight container，then the temperature effect to the two interferometers will be the same; based on those improvements the low-frequency phase noise of the system is reduced and also the influence of temperature drift is controlled by the use of reference interferometer. Simulation of the improved detection scheme used in low-frequency signal detection is performed. The simulation results show that the improved detection scheme has obvious effect in low frequency phase noise reduction and temperature drift control, and the low frequency signal is detected effectively.
ω0
sin(φs + δφs )
2ω0 ω0
2ω0
cos(φs + δφs ) sin(φr′ + δφr′ ) cos(φr′ + δφr′ )
cos(φs − φr′ )
图 4 原始信号仿真 Fig.4 Simulation of original signal
具体在探头的制作上，通过结构设计将臂长差相 同的传感干涉仪和参考干涉仪封装在同一个刚性圆 柱容器中，如图 3 所示。在加速度作用下，重物 M 对弹性体施加拉伸或压缩力，由加速度引起的作用力 平分到两个弹性体上，对于缠绕在上下两个弹性体上 的光纤，其受到的拉伸或压缩力是相反的；而对于缠
1 理论分析
PGC 调制解调是在干涉仪中引入检测信号带宽 外某一频率的大幅度相位调制信号，通过分离随机漂 移和信号项，消除随机漂移对传感信号的影响。相位 调制信号可以通过在参考臂中加入相位制器或调制 光频的方式获得。其中后者也称调频 PGC，它是目 前应用较多的一种调制方法。PGC 调制解调的基本 原理在文献[10]中有详细表述，在此文中不再叙述。 由于光频调制范围有限，同时又为保证 PGC 调制深
JK α
ω0
图 3 改进的参考干涉仪方案 Fig.3 Improved scheme of using reference interferometer
绕在刚性体上的光纤则是不参与传感的。为了保持传 感器的对称性，将传感干涉仪部分中臂差 ΔL =5m 的 光纤缠绕在刚性体上，参考干涉仪长臂部分则全部缠 绕在刚性体上。最后对刚性容器作绝热密封处理使得 两干涉仪所处的环境温度稳定一致。这样由非平衡臂 差引入的光源相位噪声和环境温漂影响，对于传感干 涉仪和参考干涉仪来说是相同的，可以通过解调算法 消除。
调制频率；在满足 C=2.4 rad 的条件下兼顾光源调制 电压极限和系统降噪的需要，可得最佳臂长差 ΔL 。 本文假设保偏 Michelson 干涉仪臂长差 ΔL 为 5 m，其 中参考干涉仪臂长分别设为：0 m 和 5 m。具体改进 方案如图 3 所示：通过采用全保偏光纤结构克服系统 偏振噪声，引入光电负反馈降低光源强度噪声，通过 合理的探头结构设计减小外界干扰影响，降低光源相 位噪声。
2 改进措施与仿真分析
由于参考干涉仪方案低频段降噪能力下降的主 要原因来自干涉系统自噪声和环境干扰两个方面，因 此需要从系统结构上作相应的调整和改进。通过理论
增刊
叶 欣等：干涉型光纤传感器低频信号检测技术研究
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分析可知干涉相位噪声是通过干涉仪的非平衡臂长 差引入的，因此在满足 C 值条件下尽可能减小臂长 差对于系统自身降噪是有利的。对于 Michelson 干涉
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sin(φs + δφs ) cos(φs + δφs )
sin(φr + δφr ) cos(φr + δφr )
图 1 基于 PGC 解调和参考干涉仪的检测技术 Fig.1 Detection technique based on PGC demodulation
and reference interferometer
为了对比原检测方案和改进方案的降噪效果，验 证理论分析的可行性，对这两种方案进行数值仿真。
仿真时设待测信号为φs = cos(2πfst) , fs = 1 Hz 。为便
于分析，将由光源和环境引起的相位干扰分别以低频
的余弦信号φn = cos(2πfnt) 和φt = cos(2πftt) 代替，其 中频率 fn = 0.5 Hz , ft = 0.2 Hz 。因此，加干扰的原 始信号表示为：φs + φn + φt 。
Key words: Reference interferometer ; Phase noise ; PGC demodulation ; Tepmerature drift
收稿日期：2010-04-18 作者简介：叶欣(1983-)男，浙江人，硕士，主要从事光纤传感技术方面研究。Email：zhjyexin@163.com 导师简介：胡永明（1960-）男，福建人，教授，博士生导师，主要从事光纤传感技术方面研究。Email：huyongming_nudt@hotmail.com
第 39 卷，增刊 Vol.39 Supplement
红外与激光工程
Infrared and Laser Engineering
2010 年 5 月 May. 2010
干涉型光纤传感器低频信号检测技术研究
叶 欣 1，罗 洪 1,2，胡永明 1
（1. 国防科学技术大学 光电科学与工程学院，长沙 410073；2. 桂林空军学院，桂林 541000 ）
YE Xin1, LUO Hong1,2, HU Yong-ming1
(1. College of Optoelectric Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China； 2. Guilin Airforce Academy, Guilin 541000, China)
通过改进的方案，干涉结果可分别表示如下：
V r
(t)
=
A
+
B
cos(cm
cosω0t
+
φn
+
φt
)
Vs (t) = A + B cos(cm cosω0t + φs + φn + φt )
由于检测对象为 10 Hz 以下的低频信号，因此，
选择光源调制频率 ω0 =500 Hz，相应的采样频率为
4KHz。具体的信号解调框图如图 5 所示：
度达到 2.4 rad，因此，它一般要求干涉仪具有较大的 光程差。这样，即使较小的光源频率抖动都会在干涉 仪中产生较大的相位噪声[2]。为了消除这部分相位噪 声，人们在检测系统中引入了被屏蔽的参考干涉仪。 图 1 即描述了这种基于 PGC 调制解调和参考干涉仪 的降噪方案。图 2 描述的是该方案在信号解调时利用 传感信号和参考信号进行的降噪处理。
摘 要：概述了基于参考干涉仪 PGC 调制解调的信号检测技术，分析讨论了其应用于低频信号 检测时存在的问题及其原因，并提出了相应的改进措施。通过合理的探头结构设计，将光程差相同 的传感干涉仪和参考干涉仪封装在同一密封容器中，使得两干涉仪受到的环境温度作用一致；从而 能够利用参考干涉仪抑制环境温漂的影响，有效地降低传感系统低频相位噪声。对改进的检测方案 在低频段工作的情况进行了仿真分析。仿真结果表明：改进的检测方案对于降低传感系统低频相位 噪声和抑制环境温漂具有明显的作用，能够有效地实现对低频信号的检测。
sin (φ s − φ r′ )
图 5 解调方案原理框图 Fig.5 Schematic diagram of the demodulation scheme
仿真结果如图 6 和图 7 所示：图 6 表明通过使用 参考干涉仪代表光源低频相位噪声的 0.5 Hz 信号被 有效消除，而由于两干涉仪环境温度的不一致，由温 漂引起的低频干扰仍然存在。图 7 则表明在对原参考 干涉仪方案改进后代表环境干扰的 0.2 Hz 信号也被 消除，并且有效地解调出了 1 Hz 的待测信号。
sin(φs + δφs )
源自文库
sin(φs −φr′)
cos(φs + δφs )
sin(φr′ + δφr′) cos(φr′ + δφr′)
cos(φs −φr′)
图 2 信号处理算法 Fig.2 Arithmetic of signal processing
通过引入参考干涉仪，干涉系统的光源相位噪声 得到了有效抑制；然而由于外界环境条件的变化如温 度漂移，信号解调结果仍会受到较大干扰，这种干扰 在低频信号检测中表现尤为明显。而现有结构的干涉 系统对于这部分干扰还不能有效的消除。
2
红外与激光工程：光通信与光传感
第 39 卷
0引言
干涉型光纤传感器是目前灵敏度最高，也是应用 最广泛的光纤传感器之一，但该类型光纤传感器易受 光源频率抖动及环境干扰的影响产生随机相位噪声， 不利于信号检测。目前，在降低干涉型光纤传感系统 本底噪声方面，国内外已有很多研究报道[1-9]，其中 不少技术已经成熟应用。参考文献[3]报道了 kersey 等人采用了一种基于参考干涉仪 PGC 调制解调的信 号检测技术，在系统工作的 50 Hz 到 3 KHz 的频段上 对光源相位噪声获得了大于 40 B 的降噪效果，而在 工作频率低于 30 Hz 时，系统降噪效果明显下降。具 体分析，造成该方案低频段降噪效果下降的主要原因 有以下两方面：首先是外界环境干扰方面，低频段干 扰增强和参考干涉仪的屏蔽效果有限造成了降噪效 果的不明显，其中环境温漂对干涉结果造成的影响较 大。由于温度变化会引起光纤折射率变化并且因此而 导致的干涉仪相位差往往会比信号引起的相位差大 得多，所以当参考干涉仪与传感干涉仪所处的环境温 度条件不同时，就会在解调结果中引入较大的相位噪 声，而且这种噪声主要存在于低频段。其次是系统自 噪声干扰方面，包含调制电路的低频噪声和调制器件 的不稳定等造成的系统调制噪声，低频的激光光源强 度噪声，保偏器件的有限消光比造成的偏振噪声等一 系列系统噪声[2]，最终都会通过转化为相位噪声的形 式对解调结果产生影响。因此，文中将主要针对以上 两方面问题对基于参考干涉仪 PGC 调制解调的信号 检测系统提出改进，使得该方案能够有效降低系统相 位噪声，抑制环境温漂的影响，实现对低频信号的检 测，并对改进的检测方案进行仿真分析。
关键词：参考干涉仪；相位噪声；PGC 解调；温漂 中图分类号：TN244 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2010)增（光通信）-0000-04
Low-Frequency signal detection technique of fiber-optic interferometric sensor
Abstract：The basic principle of detection technique based on reference interferometer and PGC demodulation is summarized. The problems of this technique used in low-frequency signal detection and its causes are discussed. The relevant improvements are as well put forward. By reasonable sensor design, the sensor interferometer and the reference interferometer with equal optic path difference are sealed in a same airtight container，then the temperature effect to the two interferometers will be the same; based on those improvements the low-frequency phase noise of the system is reduced and also the influence of temperature drift is controlled by the use of reference interferometer. Simulation of the improved detection scheme used in low-frequency signal detection is performed. The simulation results show that the improved detection scheme has obvious effect in low frequency phase noise reduction and temperature drift control, and the low frequency signal is detected effectively.
ω0
sin(φs + δφs )
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cos(φs + δφs ) sin(φr′ + δφr′ ) cos(φr′ + δφr′ )
cos(φs − φr′ )
图 4 原始信号仿真 Fig.4 Simulation of original signal
具体在探头的制作上，通过结构设计将臂长差相 同的传感干涉仪和参考干涉仪封装在同一个刚性圆 柱容器中，如图 3 所示。在加速度作用下，重物 M 对弹性体施加拉伸或压缩力，由加速度引起的作用力 平分到两个弹性体上，对于缠绕在上下两个弹性体上 的光纤，其受到的拉伸或压缩力是相反的；而对于缠
1 理论分析
PGC 调制解调是在干涉仪中引入检测信号带宽 外某一频率的大幅度相位调制信号，通过分离随机漂 移和信号项，消除随机漂移对传感信号的影响。相位 调制信号可以通过在参考臂中加入相位制器或调制 光频的方式获得。其中后者也称调频 PGC，它是目 前应用较多的一种调制方法。PGC 调制解调的基本 原理在文献[10]中有详细表述，在此文中不再叙述。 由于光频调制范围有限，同时又为保证 PGC 调制深
JK α
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图 3 改进的参考干涉仪方案 Fig.3 Improved scheme of using reference interferometer
绕在刚性体上的光纤则是不参与传感的。为了保持传 感器的对称性，将传感干涉仪部分中臂差 ΔL =5m 的 光纤缠绕在刚性体上，参考干涉仪长臂部分则全部缠 绕在刚性体上。最后对刚性容器作绝热密封处理使得 两干涉仪所处的环境温度稳定一致。这样由非平衡臂 差引入的光源相位噪声和环境温漂影响，对于传感干 涉仪和参考干涉仪来说是相同的，可以通过解调算法 消除。