干涉型光纤传感器的信号处理设计

干涉型光纤传感器的信号处理设计

高志宇，洪小斌，伍剑，徐坤，林金桐

北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室，北京（100876）

E-mail：gaozy@

摘要：应用马赫－泽德干涉仪设计的具有双向干涉结构的光纤传感器，用于实现分布式振动传感定位。本文针对这种传感器结构，深入研究了相关运算和基于AR模型的功率谱估计方法，设计出具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法。在此基础上，采用DSP和PC 机组成的平台实现信号的实时处理并得出定位结果。

关键词：光纤传感器，相关运算，AR模型的功率谱估计，DSP

1．引言

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就随之变化，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。根据被测量对光的调制方法不同，传感型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。本文中所讨论的干涉型光纤传感器，对外界振动及压力变化进行准确定位。其中定位的准确程度决定于传感器信号处理算法的设计，故以下将从传感器的系统结构入手，着重介绍干涉型光纤传感器实现定位的信号处理算法。

2．干涉型光纤传感器的系统结构

干涉型光纤传感器所采用的干涉结构通常有四种，迈克尔逊（Michelson）干涉仪、马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪、塞格纳克（Sagnac）干涉仪和法布里－珀罗（Fabry-Perot）干涉仪。以光纤作为上述干涉仪的光路介质，就构成了干涉型光纤传感器的基本结构，本文中介绍的光纤传感器将采用马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪结构。

2.1 Mach-Zehnder干涉型光纤传感器原理

M-Z干涉型光纤传感系统的线路传感部分是一种典型的M-Z干涉仪。它的基本结构如图1所示。两个耦合器分别用来进行合束和分束，由两根光纤构成的干涉臂位于耦合器之间，其中一条作参考光路，与外界隔离，另一条作传感光路，测量传感光路中光相位的改变，可获得外场变化信息。

图 1 典型的光纤M-Z 干涉仪结构

这种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，即可实现分布式传感。其结构如图2所示。

图 2 对称式M-Z 干涉仪实现分布传感

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。

若在L x =处的一点发生的扰动，顺时针方向传播到耦合器的时间为c

n

x t ×=1，逆时针传播到耦合器的时间为()c

n x L t ×−=

2，通过测量时间差，即可得到扰动点的位置

⎟⎠

⎞

⎜⎝⎛∆×−=

n t c L x 21 (其中n 是光纤的折射率，

c 是真空中光速，L 是干涉仪两臂的长度，t ∆为时间差21t t −)。

2.2 传感器系统

基于上述M-Z 干涉仪结构的传感器系统框图如图3所示。

图 3 传感器系统框图

其中线路传感部分为按上述结构搭建的传感光缆和全部的耦合器。光收发模块包括激光器及其控制电路、PIN 以及模拟信号的滤波和放大电路。光收发模块通过同轴电缆将模拟信号送至数据采集部分，经过A/D 转换再将数字信号送至信号处理部分进行分析处理，得出结果。信号处理部分由DSP 和PC 机组成，DSP 采用TI C6416定点处理器，通过PCI 总线与PC 实现数据交互。本文着重研究系统中信号处理部分的设计方案。

3．干涉型光纤传感器的信号处理

如前所述，传感器通过计算顺时针与逆时针方向信号到达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PIN1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通常采用相关运算的方法，通过检测相关函数的峰值得出时间差t ∆的估计值。本文中所设计的信号处理算法以相关运算为基础，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

相关函数用于分析随机信号的统计特性。假设()t x 和()t y 为两个平稳随机信号，则随机信号()t x 和()t y 之间的互相关函数定义为：

()()(){}

2*121,t y t x E t t R xy =

对于传感器的输出信号，假定()t x 和()t y 分别对应于PIN1和PIN2，则由前面分析可知，()t x 和()t y 的时域波形大致相同，只是在时间上相差 t ∆。因此，通过检测互相关函