干涉型光纤传感器的信号处理系统

干涉型光纤传感器的信号处理系统近年来，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。在各种光纤传感器中以干涉型光纤传感器的灵敏度最高。干涉仪结构的光纤传感器系统，通过深入研究随机信号的互相关函数和基于ＡＲ模型的功率谱估计，设计出具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法。此算法可以对外界振动进行实时预警，并实现高速、高精度的定位。该技术可用于检测第三方入侵，对需要防护的地域、管线进行监控、报警并提供精确定位。研究成果对于长距离分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值，并在工业和国防领域具有应用前景。本文设计的光纤传感系统分为传感线路、光收发模块、数据采集和信号处理等部分。传感线路部分是一种基于马赫一泽德干涉仪的双向干涉结构。当干涉仪中的干涉臂受到外力引起的振动时，光纤中传输的光信号的相位会发生变化，从而导致输出干涉波形的变化。干涉信号经光电转换、数据采集送至信号处理系统，经信号处理分析后可以对外界振动发生的位置进行定位。信号处理部分由ＤＳＰ和ＰＣ机共同组成，ＤＳＰ用于实现事件发生检测算法，ＰＣ机实现定位算法。通过实验分析表明，事件发生检测算法可以显著地改善光纤传感器的性能，提高系统准确性，降低误报率。在合理设置采样率的基础上，可以实现ｌＯＯＭ的定位误差。采用ＤＳＰ和ＰＣ机合理分配运算负担，可以满足光纤传感器系统实时监控的要求。第一章绪论１．１引言传感器是感受规定的被测物理量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置，它在工业生产、国防建设和科学技术等各个领域都发挥着巨大作用。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会随之变化，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。根据被测物理量对光的调制方法不同，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。20世纪70年代以来，在飞速发展的光纤通信技术的带动下，光纤传感器技术取得了巨大的发展。美国海军研究所（ＮＲＬ）1977年开始执ＦＯＳＳ（光纤传感器系统）计划，从此以后许多国家对光纤传感器进行了大量的研究。美国对光纤传感器的研究最早，投资最大，仅1983年就投入12-14亿美元，主要的研究机构有美国海军研究所、国家宇航局（ＮＡＳＡ）、西屋电器公司、斯坦福大学等，主要研究方向有６个：光纤传感器系统（ＦＯＳＳ）、现代数字光纤控制系统（ＡＤＯＳＳ）、光纤陀螺（ＦＯＧ）、核辐射监控（ＮＲＭ）、飞机发动机监控（ＡＥＭ）、民用研究计划（ＣＲＰ）。日本在２０世纪８０年代制定了“光应用计划控制系统”７年规划，投资达７０亿美元，规划的主要目标是解决强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣条件下的信息测量、传输和全过程控制问题，主要的研究机构有松下、三菱、东京大学等。英国的标准电讯公司、牛津大学、南安普顿大学、法国的汤姆逊公司、德国的西门子公司等企业和大学也对光纤传感器投入了大量的经费进行研究和开发。随着技术的进步、工艺水平的提高和计算机技术在光纤传感器系统中的应用，光纤传感器的可靠性不断提高。光纤传感器正逐步从实验室走入市场。目前，美国、西欧和日本已经开发出了许多光纤传感器产品，例如澳大利亚ＦＦＴ（ＦｕｔｕｒｅＦｉｂｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）公司的用于边界监测的ＳｅｃｕｒｅＦｅｎｃｅ系统、英国Ｓｅｎｓａ公司的用于测量光纤沿线温度变化的光纤线性测温系统、美国ＭＯＩ（ＭＩＣＲＯＮＯＰＴＩＣＳＩＮＣ．）公司的基于ＯＴＤＲ技术的分布式传感器系统等。光纤传感器自身的优点和技术的成熟使其在军用和民用领域都得到广泛应用，具有很大的市场需求。首先在民用方面，从电力系统、水利工程、石油矿井、化学工程等大型工程到环境检测、食品安全检测、医学检测等生活相关的行业，光纤传感器的应用几乎涵盖国民经济中所有领域，应用范围极其广泛。其次，在军用方面，光纤传感器的应用也很广泛，主要产品有光纤陀螺、光纤水昕器、光纤压力传感器，光纤传感定位系统等。我国在1983年召开了光纤传感器的第一次全国会议。目前国内光纤传感器的主要研究工作在高校和研究所进行，他们在光纤温度传感器，压力传感，流量，电压，位移、振动、光纤陀螺等领域进行了大量的研究，取得了上百项成果，不过由于基础薄弱、工艺水平低和相关技术的落后，我国的光纤传感器技术与这些发达国家相比有较大的差距，且商业化水平不高。因此，我们应该加大对光纤传感器技术研究、开发的投入，缩短我国光纤传感器技术与外国的差距，促进我国仪器仪表工业和光纤传感器产业的发展。１．２光纤干涉仪光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射振动及声波干扰。这种影响都会导致空气光程的变化，从而引起干涉测量工作的不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响。并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。通常采用的光学干涉仪主要有四种：迈克尔逊（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干涉仪、马赫一泽德（Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉仪、塞格纳克（Ｓａｇｎａｃ）干涉仪和法布里一珀罗（Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ）干涉仪。空间中满足频率相同、相位差稳定、且具有相同振动方向的光称为相干光。两束单色光相干叠加时产生的效果在接收屏上反映为明暗相间的干涉条纹。因此，若其中一束光的相位发生改变，则接收屏上的干涉条纹随之移动，Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ、Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ（Ｍ．ｚ）、Ｓａｇｎａｃ干涉仪就是基于这个原理。宽带光在通过两个互相平行、具有一定反射率的镜面时会发生多光束干涉，只有特定波长的光的输出光强为极大值，这是Ｆａｂｒｙ．Ｐｅｒｏｔ（Ｆ．Ｐ）干涉仪的原理。若Ｆ．Ｐ一２．腔腔长发生微小改变，输出的极大波长即随之改变。这些干涉仪共同的特点是，只要其中一束或多束光的光程发生微小的变化，则接收到的干涉条纹就会明显地发生改变。把这些干涉仪的光路移植到光纤系统中就构成了干涉型光纤传感器的基本结构。光源发出的光被分束器分成Ｎ束，其中的一束或多束经过外场调制，再由合束器件合并到一根光纤中并发生干涉。被测物理量作用于光纤的外场，导致光纤中光相位的变化或光的相位调制。调制信号由光电转换器件接收解调，经信号处理即可精确得Ｎ＃Ｉ－场变化的信息。因为光强中携带有相干光之间的相位信息。因此，检测到干涉光强的变化就可以确定光束间相位的变化，从而得到待测物理量的数值大小。１．３干涉型光纤传感器系统概况及应用领域如上所述，干涉型光纤传感器可以精确检测出光波的相位变化。引起光波相位改变的因素很多，在光纤中，主要是由于光纤折射率的变化所引起。光纤是很敏感的介质，轻微的振动或压力都可以造成光纤折射率的改变。同时，光纤又是一种分布式的介质，不同位置的折射率变化会产生不同的干涉结果，可以通过检测干涉结果的不同计算出折射率发生的位置，实现分布式的传感定位。此外，光纤中的损耗很低，典型值为０．３ｄＢ／ｋｍ，因此，通过特殊设计的光纤干涉仪，可以实现几十公里甚至更长距离的分布式传感。本文中的干涉型光纤传感器系统，采用马赫一泽德（Ｍａｅｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉仪的基本结构，通过特殊设计的对称干涉环，可实现数十公里的定位检测。这种分布式定位系统的应用领域十分广泛。在一些重要的区域，如机场、军事设施、保密机构等等。为了防止非法的入侵和各种破坏活动，传统的防范措施是在这些区域的外围周界处设置一些屏障，如围墙、栅栏、钢丝篱笆网等，并安排人员巡逻。但是人力防范往往受到时间、地域、人员素质和精力等因素的影响，难免出现漏洞和失误。因此需要应用一些先进的边界探测报警系统形成一道入眼看不到的“电子围墙”。另外，对于重要的通信光缆、输油输气管线等设旌，由于铺设距离很长，且穿越的地区多为海底或隔壁沙漠，很难实现人工监视与保护。因此，也需要一些辅助的自动化的监视设备，实现对通信光缆和油气管线等长距离、不间断的保护。一旦出现问题，可及时将遭破坏的位置信息报告给值班人员。由此可见，这种分布式的传感定位系统，在国防、工业生产以及民用领域，都有十分重要的意义。１．４论文主要研究内容本文主要研究一种基于马赫一泽德（Ｍａｔｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉仪的干涉型光纤传感器，并着重研究光纤传感器的信号处理算法及其实现。传感器系统中采用了一种新型的光纤干涉环结构，由传感光纤、光收发模块、数据采集和信号处理等四部分组成。在深入研究干涉结构的基础上，设计出了以相关运算为基础，具有事件发生检测功能的传感器信号处理算法，在ＰＣ机和定点ＤＳＰ上实现该算法，并通过实验加以验证。本文的结构如下：第一章为绪论，对光纤传感器系统做一般性的介绍。第二章为光纤传感器的系统结构，介绍光纤传感器系统的原理以及结构组成，并对系统中的各个部分进行说明。第三章为传感器信号处理算法设计，阐述算法设计的理论依据，并对算法个部分设计做详细说明。第四章为算法实现与实验验证，将第三章的算法在ＰＣ机和定点ＤＳＰ上加以实现，并通过若干实验结果对算法进行验证。第五章为结论，对上述理论和实验结果进行总结。第二章干涉型光纤传感器的系统结构２．１光波相位调制和干涉测量在光波的干涉测量中，参与工作的光波是两束或多束相干光。因波的叠加而引起强度重新分布的现象，叫做波的干涉ｎ…。产生干涉的条件称为相干条件，有以下三条：作为传感光路，用于感知外界的各种变化，另外一束作为参考光路，与外界隔离。这两束光经过耦合器２处合为一束，由于两束光的传播路径不同，因此在耦合器２处两束光的相位不同，进而发生干涉。干涉信号经光电检测器转换为电信号，通过对此电信号的分析处理，可获得外界的信息。若有另一束光，沿着从耦合器２到耦合器ｌ的方向传播，这样正反两个方向的光经外界干扰后到达两端的距离不同，造成到达两端的时间不同，通过检测这个时间差，可以计算出外界干扰发生的确切位置，实现定位功能。研究发现，光纤Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ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，即可实现以上分析的定位功能。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。若振动发生的位置处于干涉臂的中央，则顺时针与逆时针两个方向到达耦合器的时间相等。本文后面的分析将会指出，在处理传感器信号的过程中，主要是通过检测出的值来推导出振动点的位置。因此，为了使出的值比较容易测量并且减少噪声对检测结果的影响，在实际使用中，光纤Ａ和光纤Ｂ为干涉仪的两条干涉臂，光纤Ｃ的作用是使干涉臂的长度小于整个光纤长度