專(zhuān)利名稱(chēng)：干涉型光纖傳感器及其控制工作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感器及有源零差檢測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種干涉型光纖傳感器及其控制工作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法。
背景技術(shù)：
光纖傳感器具有靈敏度高、電絕緣特性好、抗電磁干擾、動(dòng)態(tài)范圍大、檢測(cè)頻帶寬、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)防及民用各工業(yè)生產(chǎn)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，因而曰益受到人們的重視。干涉型光纖傳感器是光纖傳感器的一個(gè)重要研究方向，具有靈敏度高、便于復(fù)用、易于組網(wǎng)成陣、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙感和監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于聲波、磁場(chǎng)、溫度等物理量的測(cè)量。
但是，干涉型光纖傳感器易受溫漂、機(jī)械抖動(dòng)、壓力波動(dòng)等環(huán)境因素的影響而發(fā)生隨機(jī)相位漂移，使干涉儀輸出信號(hào)出現(xiàn)隨機(jī)漲落，導(dǎo)致系統(tǒng)探測(cè)靈敏度降低，即所謂的相位衰落現(xiàn)象。低頻環(huán)境擾動(dòng)引起的相位衰落是影響干涉型光纖傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，因此，抗相位衰落技術(shù)是干涉型光纖傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。
首先，分析一下隨機(jī)相位漂移導(dǎo)致信號(hào)衰落產(chǎn)生的物理機(jī)制
干-涉型光纖傳感器包括Mach-Zehnder型、Michelson型和Sagnec型光纖傳感器，相位衰落現(xiàn)象主要存在于基于Mach-Zehnder干涉儀或Michelson干涉儀的光纖傳感器中，無(wú)論是Mach-Zehnder型還是Michelson型光纖傳感器，干涉儀輸出信號(hào)都可以用下式表示
式中，^、萬(wàn)為正比于輸入光功率的常數(shù)，5 = v^ (0SvSl，為干涉信號(hào)的條紋對(duì)比
度)；
p =外十％ + A為十涉儀兩臂總的相位差；%為干涉儀兩臂的初始相位差；
^為溫漂、機(jī)械擾動(dòng)等環(huán)境干擾引入的隨機(jī)相位漂移， 一般為低頻大信號(hào)；
^為待測(cè)的傳感信號(hào)產(chǎn)生的相移， 一般為高頻小信號(hào)。
有
4=j + B cos(p。 + a ) cos《、-S sinO0 + %) sin % 爿+ 5 cos(外+ %) - S sin(p。 + %) sin pv
當(dāng)％+^="丌±|("為整數(shù))時(shí)，系統(tǒng)工作在最靈敏的區(qū)域，稱(chēng)為干涉儀的正交工作
點(diǎn)；由于緩變的相位漂移^的存在，系統(tǒng)會(huì)偏離最靈敏的區(qū)域，當(dāng)％+%=""("為整數(shù)) 時(shí)，與待測(cè)信號(hào)有關(guān)的項(xiàng)-SsinO。+^)sin^為零，系統(tǒng)工作在最不靈敏的區(qū)域，信號(hào)完 全消隱；這種干涉儀輸出信號(hào)隨著環(huán)境擾動(dòng)引入相移a的漂移而隨機(jī)漲落的現(xiàn)象即相位哀 落。
現(xiàn)有技術(shù)中，采用的抗相位衰落信號(hào)檢測(cè)方案有多種，如3x3耦合器多相檢測(cè)技術(shù)、 相位載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)等無(wú)源零差檢測(cè)技術(shù)，以及利用pzt相位調(diào)制器作為反饋單元的有源 零差檢測(cè)技術(shù)、外差檢測(cè)法、合成外差檢測(cè)法等。其中相位載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)及利用pzt相 位調(diào)制器作為反饋單元的有源零差檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用廣泛。
傳統(tǒng)的有源零差閉環(huán)檢測(cè)技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)
傳統(tǒng)的相位跟蹤反饋環(huán)節(jié)中積分器易受環(huán)境因素影響而積分飽和，使系統(tǒng)工作點(diǎn)發(fā)生 漂移，甚至較容易造成系統(tǒng)失鎖，并且需要判斷干涉儀工作點(diǎn)處于"/2還是3;r/2。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以消除干涉儀中由于環(huán)境擾動(dòng)引入的隨機(jī)相位漂移，使系 統(tǒng)工作穩(wěn)定的干涉型光纖傳感器及其控制工作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法。 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的干涉型光纖傳感器控制工作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法，所述干涉型光纖傳感器包括 干涉儀，包括步驟-
首先，在所述干涉儀的兩束干涉光波之間引入方波相位調(diào)制信號(hào)，使所述干涉儀的輸 出信號(hào)由余弦響應(yīng)變?yōu)榉讲ㄕ`差信號(hào)；
然后，采用數(shù)卞相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)所述方波誤差信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得低頻相位漂移的大
之后，由所述低頻相位漂移產(chǎn)生補(bǔ)償相移，并將該補(bǔ)償相移反饋回光路中，用于抵消 所述低頻相位漂移，該過(guò)程反復(fù)多次，使所述干涉儀穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)。
本發(fā)明的干涉型光纖傳感器，包括干涉儀，包括數(shù)字相關(guān)調(diào)制模塊、數(shù)字相關(guān)解調(diào)模
塊、閉環(huán)反饋模塊；
所述數(shù)字相關(guān)調(diào)制模塊用于在所述T涉儀的兩束干涉光波之間引入方波相位調(diào)制信號(hào)，使所述干涉儀的輸出信號(hào)由余弦響應(yīng)變?yōu)榉讲ㄕ`差信號(hào)；
所述數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊包括低頻相位漂移解調(diào)單元，所述低頻相位漂移解調(diào)單元采用 數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)所述方波誤差信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得低頻相位漂移的大小；
所述閉環(huán)反饋模塊用于由所述低頻相位漂移產(chǎn)生補(bǔ)償相移，并將該補(bǔ)償相移反饋回光
路中，用于抵消所述低頻相位漂移，該過(guò)稈反復(fù)多次，使干涉儀穩(wěn)定在rn交工作點(diǎn)。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的干涉型光纖傳感器及其控制工 作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法，由于首先在干涉儀的兩束干涉光波之間引入方波相位調(diào)制信號(hào)，使 干涉儀的輸出信號(hào)由余弦響應(yīng)變?yōu)榉讲ㄕ`差信號(hào)；然后采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)方波誤差 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得低頻相位漂移的大?。恢笥傻皖l相位漂移產(chǎn)生補(bǔ)償相移，并將該補(bǔ) 償相移反饋回光路中，用于抵消所述低頻相位漂移，該過(guò)程反復(fù)多次，使干涉儀穩(wěn)定在正 交工作點(diǎn)?？梢韵缮鎯x中由于環(huán)境擾動(dòng)及偏振衰落引入的隨機(jī)相位漂移，使系統(tǒng)工作 穩(wěn)定。


圖l為本發(fā)明中方波調(diào)制不意圖2為本發(fā)明中噪聲相位漂移的相關(guān)解調(diào)示意圖3為本發(fā)明中閉環(huán)反饋示意圖4為本發(fā)明中數(shù)字閉環(huán)控制干涉型光纖傳感器工作點(diǎn)的原理框圖； 圖5為本發(fā)明中控制吋序產(chǎn)生流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的干涉型光纖傳感器控制工作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法，其較佳的具體實(shí)施方式
是， 干涉型光纖傳感器包括干涉儀，具體包括步驟
首先，在所述干涉儀的兩束干涉光波之間引入方波相位調(diào)制信號(hào)，使所述干涉儀的輸 出信號(hào)由余弦響應(yīng)變?yōu)榉讲ㄕ`差信號(hào)；
然后，采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)所述方波誤差信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得低頻相位漂移的大
之后，由所述低頻相位漂移產(chǎn)生補(bǔ)償相移，并將該補(bǔ)償相移反饋回光路中，用于抵消 所述低頻相位漂移，該過(guò)程反復(fù)多次，使干涉儀穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)。 所述干涉儀為Mach-Zehnder干涉儀或Michelson干涉儀；
當(dāng)所述干涉儀為Mach-Zchndcr干涉儀時(shí)，所述方波相位調(diào)制信號(hào)的幅值為±^ ;
6當(dāng)所述干涉儀為Michelson干涉儀時(shí)，所述方波相位調(diào)制信號(hào)的幅值為±^ 。
4
當(dāng)所述干涉儀穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)時(shí)，采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)所述千涉儀輸出的方波 誤差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，獲得待測(cè)信號(hào)。
本發(fā)明的干涉型光纖傳感器，其較佳的具體實(shí)施方式
是，包括干涉儀，還包括數(shù)字相 關(guān)調(diào)制模塊、數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊、閉環(huán)反饋模塊；
所述數(shù)字相關(guān)調(diào)制模塊用于在所述干涉儀的兩束干涉光波之間引入方波相位調(diào)制信 號(hào)，使所述干涉儀的輸出信號(hào)由余弦響應(yīng)變?yōu)榉讲ㄕ`差信號(hào)；
所述數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊包括低頻相位漂移解調(diào)單元，所述低頻相位漂移解調(diào)單元采用 數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)所述方波誤差信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得低頻相位漂移的大小
所述閉環(huán)反饋模塊用于ti所述低頻相位漂移產(chǎn)生補(bǔ)償相移，并將該補(bǔ)償相移反饋回光
路中，用于抵消所述低頻相位漂移，該過(guò)程反復(fù)多次，使干涉儀穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)。
所述數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊包括信號(hào)解調(diào)單元，用于當(dāng)所述干涉儀穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)時(shí)，
采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)所述干涉儀輸出的方波誤差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，獲得待測(cè)信號(hào)。 所述干涉儀連接有相位調(diào)制器，用于向所述干涉儀引入所述方波相位調(diào)制信號(hào)及反饋
所述補(bǔ)償相移。
包括控制時(shí)序產(chǎn)生模塊，用于選擇需要的AZD時(shí)鐘為基準(zhǔn)時(shí)鐘，產(chǎn)生對(duì)所述數(shù)字相關(guān) 調(diào)制模塊、數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊及閉環(huán)反饋模塊的控制時(shí)序。
所述控制時(shí)序包括兩部分， 一部分為所述低頻相位漂移的檢測(cè)及所述補(bǔ)償相移的反饋 的控制時(shí)序；另一部分為所述待測(cè)信號(hào)的獲得的控制時(shí)序。
所述低頻相位漂移的檢測(cè)及所述補(bǔ)償相移的反饋的控制時(shí)序的產(chǎn)生流程為-
首先，由所述A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生采樣脈沖時(shí)序YRCC，所述YRCC產(chǎn)生所述低頻相位漂移
數(shù)字相關(guān)解調(diào)時(shí)的采樣脈沖；'
同時(shí)，所述A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘經(jīng)分頻產(chǎn)生YAD1時(shí)鐘，所述YAD1時(shí)鐘得至UD/A時(shí)鐘，所述D/A 時(shí)鐘作為所述補(bǔ)償相移作D/A轉(zhuǎn)換、引入所述方波相位調(diào)制信號(hào)、進(jìn)行所述低頻相位漂移反 饋的控制時(shí)鐘；
在所述采樣脈沖YRCC及基準(zhǔn)時(shí)鐘A/D的控制下，產(chǎn)生YYCC時(shí)鐘，所述YYCC時(shí)鐘的作用 是控制所述低頻相位漂移解調(diào)后的數(shù)據(jù)送入下一解調(diào)模塊，完成對(duì)誤差信號(hào)的累加并產(chǎn)生 所述補(bǔ)償相移；
在所述YYCC時(shí)鐘及基準(zhǔn)時(shí)鐘A/D的控制下，產(chǎn)生YYRAC時(shí)鐘，所述YYRAC時(shí)鐘的作用為 所述低頻相位漂移數(shù)字相關(guān)解調(diào)中全加器的清零時(shí)鐘信號(hào)。 所述待測(cè)信號(hào)的獲得的控制時(shí)序的產(chǎn)生流程為
7首先，由所述A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生采樣脈沖時(shí)序YRCC;
由所述A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘及X樣脈沖時(shí)序YRCC共同產(chǎn)生所述待測(cè)信號(hào)數(shù)字相關(guān)解調(diào)時(shí)的采 樣脈沖SYRCC,同時(shí)經(jīng)分頻產(chǎn)生YAD2時(shí)鐘；
所述YAD2時(shí)鐘經(jīng)分頻產(chǎn)生調(diào)制方波SYFB，所述調(diào)制方波SYFB的作用是產(chǎn)生高頻調(diào)制正 弦波的同步信號(hào)；所述調(diào)制方波SYFB經(jīng)延遲產(chǎn)生解調(diào)方波，所述解調(diào)方波的作用是在所述
待測(cè)信號(hào)數(shù)字相關(guān)解調(diào)中作為參考信號(hào)；
在所述A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘及采樣脈沖時(shí)序YKCC的控制下，產(chǎn)生SYYRAC時(shí)鐘，所述SYYRAC時(shí)
鐘作為所述待測(cè)信號(hào)數(shù)字相關(guān)解調(diào)中全加器的清零時(shí)鐘信號(hào)。
本發(fā)明可以消除干涉儀中由于環(huán)境擾動(dòng)引入的隨機(jī)相位漂移，使系統(tǒng)穩(wěn)定在最靈敏的 區(qū)域，消除"相位衰落現(xiàn)象"。
具體的檢測(cè)原理為通過(guò)相位調(diào)制器在發(fā)生T涉的兩束光波之間引入幅值為土^的方
2
波相位調(diào)制信號(hào)(如果是Michelscm干涉儀，則方波幅值為±^)，由于隨機(jī)相位漂移的存
4
在，干涉儀輸出信號(hào)由余弦響應(yīng)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，方波的幅值反映了干涉儀直流相位偏離正 交工作點(diǎn)的大?。徊捎脭?shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)從干涉儀輸出的方波誤差信號(hào)中提取出低頻相位 漂移的大?。挥上到y(tǒng)的反饋裝置產(chǎn)生補(bǔ)償相移，通過(guò)相位調(diào)制器反饋回光路中，抵消低頻 相位漂移，使干涉儀重新穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)；對(duì)解調(diào)之后的方波誤差信號(hào)，再進(jìn)行一次數(shù) 字相關(guān)檢測(cè)即可獲得待測(cè)高頻信號(hào)。
數(shù)字閉環(huán)檢測(cè)方案的實(shí)現(xiàn)解決了傳統(tǒng)相位跟蹤檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)中積分器飽和導(dǎo)致系統(tǒng)失 鎖的問(wèn)題，消除了光源功率波動(dòng)對(duì)誤差信弓的影響，擴(kuò)大了系統(tǒng)對(duì)直流隨機(jī)相位漂移的跟 蹤范圍，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。
下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的闡述 本發(fā)明的干涉型光纖傳感器控制工作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法的具體實(shí)施例包括 方波調(diào)制，如圖l所示
干涉型光纖傳感器可以是Mach-Zehnder型、Michelson型和Sagnec型光纖傳感器等， "相位衰落現(xiàn)象"主要存在十基十Mach-Zehnder和Michelson干涉儀的光纖傳感器中，無(wú)論 是Mach-Zehnder型還是Michelson型光纖傳感器，干涉儀輸出信號(hào)都可以用下式表示 K =爿+ ScosO。+0,) (1)
^巾
j 、 S為正比于輸入光功率的常數(shù)；S = wt(0《v^l)， v為干涉信號(hào)的條紋對(duì)比度； p = % + & + A為干涉儀兩臂總的相位差； 外為干涉儀兩臂的初始相位差；
R為溫漂、機(jī)械擾動(dòng)等環(huán)境干擾引入的隨機(jī)相位漂移， 一般為低頻大信號(hào)； A為待測(cè)的傳感信號(hào)產(chǎn)生的相移， 一般為高頻小信號(hào)；
令0。-p。+^'以光纖微弱磁場(chǎng)傳感器為例，^ t《cos狄+ ^cos2欲，w為磁致伸縮 換能器上所加高頻調(diào)制信號(hào)頻率，-為與待測(cè)磁場(chǎng)成正比的系數(shù)。
經(jīng)過(guò)方波調(diào)制后，干涉儀的輸出信號(hào)為
<formula>formula see original document page 9</formula> (2 )
<formula>formula see original document page 9</formula> (3)
可見(jiàn)經(jīng)過(guò)方波調(diào)制后，干涉儀輸出信號(hào)由余弦響應(yīng)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，方波上疊加了由于 待測(cè)高頻信號(hào)產(chǎn)生的余弦紋波，力波的幅值反映了干涉儀直流相位偏離正交工作點(diǎn)的大 小。
低頻相位漂移解調(diào)，如圖2所示
式(2) (3)經(jīng)過(guò)Bessel函數(shù)展開(kāi)后可得
<formula>formula see original document page 9</formula>a、
<formula>formula see original document page 9</formula>
(6):
<formula>formula see original document page 9</formula>
附=1<formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 10</formula>
由于^， A為小量，忽略三階以上的Bessel項(xiàng)，(4) (5)式經(jīng)低通濾波之后簡(jiǎn)化為:
，。,-昏)"+ ^。(病)J。 (A)sinW。) (7)-(6)式可得:
<formula>formula see original document page 10</formula>
因此，調(diào)制之后干涉儀輸出的方波誤差信號(hào)正負(fù)半周期相減可完成低頻相位漂移的解
本發(fā)明采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低頻相位漂移的解調(diào)，方波誤差信號(hào)正負(fù)半周期 信號(hào)相減可通過(guò)誤差信號(hào)與一同頻同相、幅值為土l的方波相乘得到。
閉環(huán)反饋，如圖3所示
圖3中，《。,a, = 0。 + + A cos " + A cos 2紐 = 0ra + 0i cos <yf + #2 cos 2<af
^s為調(diào)制方波相位。
通過(guò)對(duì)方波調(diào)制之后的方波誤差信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，可以獲得與低頻相位漂移大小相等， 符號(hào)相反的量( V;通過(guò)相位調(diào)制器將％,反饋回光路中，補(bǔ)償環(huán)境擾動(dòng)造成的直流相位漂
移，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，達(dá)到穩(wěn)定丁涉儀正交工作點(diǎn)的目的。 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋后的干涉儀輸出信號(hào)為
<formula>formula see original document page 10</formula>
通過(guò)對(duì)方波誤差信號(hào)的數(shù)字相關(guān)解調(diào)，獲得低頻相位漂移的大小及補(bǔ)償相移^v，并 通過(guò)相位調(diào)制器反饋回光路中；此時(shí)，如果^V沒(méi)有完全補(bǔ)償相位漂移，干涉儀仍然偏離 正交工作點(diǎn)，則誤差信號(hào)Ap不為零，通過(guò)對(duì)誤差信號(hào)的解調(diào)獲得誤差相位的數(shù)字量，并乘以合適的反饋系數(shù)，經(jīng)DZA轉(zhuǎn)換后由相位調(diào)制器反饋到光路中，如此循環(huán)下去，使干涉儀 始終穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)。
信號(hào)提取，如圖2所示
經(jīng)過(guò)一次相關(guān)解調(diào)&閉環(huán)穩(wěn)定之后，干涉儀輸出信號(hào)變?yōu)?冗
/(^., + J)=-爿+ " sin(A cos (Srf + -2 cos 2< 0 (10) /(^., - 7) = ^ + S sin(夂cos+ -2 cos 2wr) (11)
其中'A=2C,//。i/ffl' ^-^^'
C,為有效磁致伸縮系數(shù)；
//。為待測(cè)直流磁場(chǎng)；
Hf。為換能器上高頻調(diào)制磁場(chǎng)； 因此，只要檢測(cè)出基頻分量cosw/的幅值即可獲得待測(cè)磁場(chǎng)，調(diào)制磁場(chǎng)基頻分量的幅 值可通過(guò)對(duì)一次相關(guān)解調(diào)之后的輸出信號(hào)再做一次相關(guān)解調(diào)得到，即取與換能器上高頻調(diào) 制正弦磁場(chǎng)信號(hào)同頻同相，幅值為土l的方波信號(hào)作為相關(guān)解調(diào)的參考信號(hào)，將其與一次相 關(guān)之后的輸出信號(hào)相乘，低通濾波之后，可得到調(diào)制磁場(chǎng)基頻分量的幅值，完成待測(cè)磁場(chǎng) 的解調(diào)。
本發(fā)明的干涉型光纖傳感器的具體實(shí)施例，以光纖微弱磁場(chǎng)傳感器為例，對(duì)數(shù)字閉環(huán) 控制干涉型光纖傳感器工作點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行描述 如圖4所示
本方案中光纖微弱磁場(chǎng)傳感器光路部分選擇Michelson干涉儀，并采用全保偏光纖結(jié) 構(gòu)，避免偏振衰落的影響。包括光路模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、前置放大模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊、控制時(shí)序產(chǎn)生模塊、數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊、1VA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊組成。
光路模塊的原理為DFB半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光波，經(jīng)耦合器至相位調(diào)制器(Y波 導(dǎo))，變?yōu)榫€(xiàn)偏振光，線(xiàn)偏振光一分為二，分別進(jìn)入干涉儀的信號(hào)臂和參考臂，信號(hào)臂中 的光由于磁致伸縮換能器的作用產(chǎn)生附加相位差，經(jīng)干涉儀末端的反射鏡返回，信號(hào)相位 加倍，信號(hào)臂中的光波與返回的參考臂光波在相位調(diào)制器處發(fā)生干涉，攜帶信號(hào)相位的干 涉光經(jīng)耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器PIN-FET，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。
為提高信噪比，光電探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)前置放大濾波模塊調(diào)理之后，進(jìn)入A/D模數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。
11控制時(shí)序的產(chǎn)生模塊，流程圖如圖5所示，具體為
選擇合適的A/D時(shí)鐘為基準(zhǔn)時(shí)鐘，控制時(shí)序主要包括兩部分， 一部分為造成十涉儀偏 離正交工作點(diǎn)的低頻相位漂移的檢測(cè)及反饋部分，另一部分為高頻待測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)的提取部 分。
第一部分控制時(shí)序產(chǎn)生流程為在分頻參數(shù)的控制下，首先由A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生采樣 脈沖時(shí)序YRCC， YRCC的作用是低頻相位漂移數(shù)字相關(guān)解調(diào)時(shí)的采樣脈沖，該采樣脈沖是為 了避開(kāi)方波調(diào)制后干涉儀輸出信號(hào)的尖峰，消除其對(duì)解調(diào)結(jié)果的影響，同時(shí)基準(zhǔn)時(shí)鐘分頻 產(chǎn)生時(shí)鐘YAD1; YAD1分頻得到D/A吋鐘，D/A時(shí)鐘的作用是反饋的低頻相位漂移補(bǔ)償相移作 D/A轉(zhuǎn)換時(shí)的控制時(shí)鐘；D/A時(shí)鐘經(jīng)分頻產(chǎn)生調(diào)制方波YFB，調(diào)制方波的作用是通過(guò)相位調(diào)制
器在干涉儀兩臂中引入±王的相移；調(diào)制方波YFB延遲得到解調(diào)方波YFD，調(diào)制方波的作用
2
為噪聲相位的數(shù)字相關(guān)解調(diào)中作為參考信號(hào)；在采樣脈沖YRCC及基準(zhǔn)吋鐘A/D的控制下，產(chǎn) 生時(shí)鐘YYCC， YYCC的作用是將相關(guān)解調(diào)后的數(shù)據(jù)送入下一解調(diào)模塊，完成對(duì)誤差信號(hào)的累 加并產(chǎn)生補(bǔ)償相移；在時(shí)鐘YYCC及基準(zhǔn)時(shí)鐘A/D的控制下，產(chǎn)生時(shí)鐘YYRAC， YYRAC的作用是 數(shù)字相關(guān)解調(diào)中全加器的清零時(shí)鐘信號(hào)。
第二部分控制時(shí)序的產(chǎn)生流程為在分頻參數(shù)的控制下，由基準(zhǔn)時(shí)鐘及噪聲相位解調(diào) 時(shí)的采樣脈沖YYCC共同產(chǎn)生高頻待測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)數(shù)字相關(guān)解調(diào)時(shí)的采樣脈沖SYRCC，同時(shí)經(jīng)分 頻產(chǎn)生YAD2時(shí)鐘；YAD2時(shí)鐘經(jīng)分頻產(chǎn)生調(diào)制方波SYFB，調(diào)制方波的作用是產(chǎn)生高頻調(diào)制正 弦波的同步信號(hào)；調(diào)制方波SYFB經(jīng)延遲產(chǎn)生解調(diào)方波SYFD，解調(diào)方波的作用是在高頻待測(cè) 磁場(chǎng)信號(hào)的相關(guān)解調(diào)屮作為參考信號(hào)；在采樣脈沖SYRCC及基準(zhǔn)時(shí)鐘YAD的控制下，產(chǎn)生時(shí) 鐘SYYRAC， SYYRAC的作用是數(shù)字相關(guān)解調(diào)中全加器的清零時(shí)鐘信號(hào)。
數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊分兩步執(zhí)行，第一步是實(shí)現(xiàn)低頻相位漂移的數(shù) 字相關(guān)解調(diào)，產(chǎn)生反饋相移數(shù)字量；接著執(zhí)行第二步，再做一次數(shù)字相關(guān)解調(diào)完成高頻待 測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)的解調(diào)。具體如下
第一步在解調(diào)方波時(shí)鐘YFD、采樣脈沖YRCC、 YYCC及全加器清零時(shí)鐘YYRAC的控制
下，完成第一次數(shù)字相關(guān)解調(diào)，如圖2所示，在此調(diào)制方波的調(diào)制幅度為土;。
4
經(jīng)方波調(diào)制后干涉儀輸出的方波誤差信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，進(jìn)入數(shù)字 相關(guān)檢測(cè)模塊。假設(shè)每個(gè)方波周期取2N個(gè)點(diǎn)，正負(fù)半周期各N個(gè)點(diǎn)，然后用正半周期的數(shù)據(jù) 之和減去負(fù)半周期的數(shù)據(jù)之和，所得值即為相關(guān)檢測(cè)的輸出值。設(shè)正半周期數(shù)據(jù)之和為 jc+，負(fù)半周期數(shù)據(jù)之和為i，貝ij:
12<formula>formula see original document page 13</formula>
當(dāng)采樣間隔趨于0時(shí)，上式變?yōu)?Vz"^。w = J"x(0W0 ，即輸出信號(hào)是x(O和WO的相
關(guān)函數(shù)，WO是與x(0同頻同相，幅值為士l的方波信號(hào)。由此可知，每隔一個(gè)方波調(diào)制周
期輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，積分時(shí)間為調(diào)制方波周期的整數(shù)倍。
第二步在解調(diào)方波時(shí)鐘YFD、 SYFD、采樣脈沖SYRCC、 YYCC及全加器清零脈沖SYYRAC 的共同作用下，完成第二次數(shù)字相關(guān)解調(diào)。
閉環(huán)反饋模塊在解調(diào)方波時(shí)鐘YFD、采樣脈沖YRCC、 YYCC及全加器清零時(shí)鐘YYRAC的 控制下，完成第一次數(shù)字相關(guān)解調(diào)后，得到低頻相位漂移大小的數(shù)字量化,乘以相應(yīng)的 反饋系數(shù)i^得到反饋相移的數(shù)字量Z^，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換之后，得到加在相位調(diào)制器上的反饋 電壓臺(tái)階的高度^:
7,爭(zhēng) (12) 其中&p為反饋電壓臺(tái)階的最大值，W為D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。
則通過(guò)相位調(diào)制器反饋回光路中的相位為
=-^ (13) 其中，K為相位調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)。
由于外界環(huán)境的連續(xù)變化(如溫升等)，使得噪聲相位可能會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)向一個(gè)方向 變化，變化的范圍可能會(huì)超過(guò)2;r,反饋相移要想跟蹤噪聲相位的變化，貝,在相位調(diào)制器 上的反饋電壓很可能會(huì)超過(guò)其能承受的工作電壓。本方案中的閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)利用數(shù)字邏輯 和D/A轉(zhuǎn)換器的自動(dòng)溢出功能，使得反饋相移的取值范圍為(-2;r,2;r)，由于干涉儀輸出信
號(hào)以2;r為周期，因此這種方法不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)精度產(chǎn)生影響。
本發(fā)明中的集成光學(xué)相位調(diào)制器(Y波導(dǎo))可以用PZT相位調(diào)制器代替；數(shù)字信號(hào)處理單 元包括控制時(shí)序的產(chǎn)生模塊、數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊、閉環(huán)反饋模塊，可以通過(guò)FPGA或者基于 數(shù)據(jù)采集卡的軟件實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明采用方波調(diào)制解調(diào)提取T涉儀偏離正交工作點(diǎn)的誤差信號(hào)，提高了跟蹤靈敏度；采用兩次數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，在解調(diào)干涉儀低頻相位漂移的同時(shí)，解調(diào)出了待測(cè)高頻 信號(hào)，不需要額外的區(qū)分工作點(diǎn)的方法；
采用數(shù)字閉環(huán)反饋技術(shù)控制干涉儀的正交工作點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)相位跟蹤檢測(cè)反饋環(huán)節(jié) 中積分器飽和導(dǎo)致系統(tǒng)失鎖的問(wèn)題，消除了光源功率波動(dòng)對(duì)誤差信號(hào)的影響，擴(kuò)大了系統(tǒng) 對(duì)直流隨機(jī)相位漂移的跟蹤范圍，提高系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度和穩(wěn)定性。
補(bǔ)償了環(huán)境擾動(dòng)產(chǎn)生的低頻相位漂移，穩(wěn)定了干涉儀的正交工作點(diǎn)，使系統(tǒng)始終工作 在最靈敏的區(qū)域，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種干涉型光纖傳感器控制工作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法，所述干涉型光纖傳感器包括干涉儀，其特征在于，包括步驟首先，在所述干涉儀的兩束干涉光波之間引入方波相位調(diào)制信號(hào)，使所述干涉儀的輸出信號(hào)由余弦響應(yīng)變?yōu)榉讲ㄕ`差信號(hào)；然后，采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)所述方波誤差信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得低頻相位漂移的大??；之后，由所述低頻相位漂移產(chǎn)生補(bǔ)償相移，并將該補(bǔ)償相移反饋回光路中，用于抵消所述低頻相位漂移，該過(guò)程反復(fù)多次，使所述干涉儀穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的干涉型光纖傳感器控制工作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法，其特征在于，所述干涉儀為Mach-Zehnder干涉儀或Michelson干涉儀；當(dāng)所述干涉儀為Mach-Zehnder干涉儀時(shí)，所述方波相位調(diào)制信號(hào)的幅值為±|;當(dāng)所述干涉儀為Michelson干涉儀時(shí)，所述方波相位調(diào)制信號(hào)的幅值為±工。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的干涉型光纖傳感器控制工作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法，其特征在于，當(dāng)所述干涉儀穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)時(shí)，采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)所述干涉儀輸出的方波誤差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，獲得待測(cè)信號(hào)。
4、 一種干涉型光纖傳感器，包括干涉儀，其特征在于，包括數(shù)字相關(guān)調(diào)制模塊、數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊、閉環(huán)反饋模塊；所述數(shù)字相關(guān)調(diào)制模塊用于在所述干涉儀的兩束干涉光波之間引入方波相位調(diào)制信號(hào)，使所述干涉儀的輸出信號(hào)由余弦響應(yīng)變?yōu)榉讲ㄕ`差信號(hào)；所述數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊包括低頻相位漂移解調(diào)單元，所述低頻相位漂移解調(diào)單元采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)所述方波誤差信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得低頻相位漂移的大小；所述閉環(huán)反饋模塊用于由所述低頻相位漂移產(chǎn)生補(bǔ)償相移，并將該補(bǔ)償相移反饋回光路中，用于抵消所述低頻相位漂移，該過(guò)程反復(fù)多次，使干涉儀穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的干涉型光纖傳感器，其特征在于，所述數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊包括信號(hào)解調(diào)單元，用于當(dāng)所述干涉儀穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)時(shí)，采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)所述干涉儀輸出的方波誤差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，獲得待測(cè)信號(hào)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的干涉型光纖傳感器，其特征在于，所述干涉儀連接有相位調(diào)制器，用于向所述干涉儀引入所述方波相位調(diào)制信號(hào)及反饋所述補(bǔ)償相移。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的千涉型光纖傳感器，其特征在于，包括控制時(shí)序產(chǎn)生模塊，用于選擇需要的A/D時(shí)鐘為基準(zhǔn)吋鐘，產(chǎn)生對(duì)所述數(shù)字相關(guān)調(diào)制模塊、數(shù)字相關(guān)解調(diào)模塊及閉環(huán)反饋模塊的控制時(shí)序。 ，
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的干涉型光纖傳感器，其特征在于，所述控制時(shí)序包括兩部分， 一部分為所述低頻相位漂移的檢測(cè)及所述補(bǔ)償相移的反饋的控制吋序；另一部分為所述待測(cè)信號(hào)的獲得的控制時(shí)序。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的干涉型光纖傳感器，其特征在于，所述低頻相位漂移的檢測(cè)及所述補(bǔ)償相移的反饋的控制時(shí)序的產(chǎn)生流程為首先，由所述A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生采樣脈沖時(shí)序YRCC，所述YRCC產(chǎn)生所述低頻相位漂移數(shù)字相關(guān)解調(diào)時(shí)的采樣脈沖；同時(shí)，所述A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘經(jīng)分頻產(chǎn)生YAD1時(shí)鐘，所述YAD1時(shí)鐘得到D/A時(shí)鐘，所述D/A時(shí)鐘的作用為所述補(bǔ)償相移作D/A轉(zhuǎn)換、引入所述方波相位調(diào)制信號(hào)、進(jìn)行所述低頻相位漂移反饋的控制時(shí)鐘；在所述采樣脈沖時(shí)序YRCC及基準(zhǔn)時(shí)鐘A/D的控制下，產(chǎn)牛YYCC時(shí)鐘，所述YYCC時(shí)鐘的作用是控制所述低頻相位漂移解調(diào)后的數(shù)據(jù)送入下一解調(diào)模塊，完成對(duì)誤差信號(hào)的累加并產(chǎn)生所述補(bǔ)償相移；在所述YYCC時(shí)鐘及基準(zhǔn)時(shí)鐘A/D的控制下，產(chǎn)生YYRAC時(shí)鐘，所述YYRAC時(shí)鐘的作用為所述低頻相位漂移數(shù)字相關(guān)解調(diào)中全加器的清零時(shí)鐘信號(hào)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的干涉型光纖傳感器，其特征在于，所述待測(cè)信號(hào)的獲得的控制時(shí)序的產(chǎn)生流程為首先，由所述A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生采樣脈沖時(shí)序YRCC;由所述A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘及采樣脈沖時(shí)序YRCC共同產(chǎn)生所述待測(cè)信號(hào)數(shù)字相關(guān)解調(diào)時(shí)的采樣脈沖SYRCC，同吋經(jīng)分頻產(chǎn)生YAD2時(shí)鐘；所述YAD2時(shí)鐘經(jīng)分頻產(chǎn)生調(diào)制方波SYFB，所述調(diào)制方波SYFB的作用是產(chǎn)生高頻調(diào)制正弦波的同步信號(hào)；所述調(diào)制方波SYFB經(jīng)延遲產(chǎn)生解調(diào)方波，所述解調(diào)方波的作用是在所述待測(cè)信號(hào)數(shù)卞相關(guān)解調(diào)中作為參考信號(hào)；在所述A/D基準(zhǔn)時(shí)鐘及采樣脈沖時(shí)序YRCC的控制下，產(chǎn)生SYYRAC時(shí)鐘，所述SYYRAC時(shí)鐘作為所述待測(cè)信號(hào)數(shù)字相關(guān)解調(diào)中全加器的清零時(shí)鐘信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種干涉型光纖傳感器及其控制工作點(diǎn)的數(shù)字閉環(huán)方法，首先在干涉儀的兩束干涉光波之間引入方波相位調(diào)制信號(hào)，使干涉儀的輸出信號(hào)由余弦響應(yīng)變?yōu)榉讲ㄕ`差信號(hào)；然后采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)方波誤差信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得低頻相位漂移的大??；之后由解調(diào)出的低頻相位漂移產(chǎn)生補(bǔ)償相移，并將該補(bǔ)償相移反饋回光路中，用于抵消所述低頻相位漂移，該過(guò)程反復(fù)多次，使干涉儀穩(wěn)定在正交工作點(diǎn)。補(bǔ)償了環(huán)境擾動(dòng)產(chǎn)生的低頻相位漂移，穩(wěn)定了干涉儀的正交工作點(diǎn)，使系統(tǒng)始終工作在最靈敏的區(qū)域，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101498590SQ20091007738
公開(kāi)日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者佳 于, 馮秀娟, 晞 張, 李傳生, 李立京, 王夏霄 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)