第5章-相位调制型光纤传感器课件.ppt

1、第5章相位调制型光纤传感器1 1第5章相位调制型光纤传感器5.1相位调制型光纤传感器和光纤相位调制的原理相位调制型光纤传感器和光纤相位调制的原理5.2光纤干涉仪的类型光纤干涉仪的类型5.3相位调制型光纤传感器的信号解调技术相位调制型光纤传感器的信号解调技术5.4 纤干涉仪的传感应用实例纤干涉仪的传感应用实例第5章相位调制型光纤传感器2 25.1 相位调制型光纤传感器和相位调制型光纤传感器和光纤相位调制的原理光纤相位调制的原理5.1.1 相位调制型光纤传感器的基本原理相位调制型光纤传感器的基本原理相位调制型光纤传感器的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用， 使敏感元件的折射率或传播常数发生变化

2、， 导致光的相位变化， 并使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化， 通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量， 从而得到被测对象的信息。 相位调制型光纤传感器的工作原理图如图5-1所示。 第5章相位调制型光纤传感器3 3图5-1 相位调制型光纤传感器的工作原理图第5章相位调制型光纤传感器4 4确切地说， 相位调制型光纤传感器通过待测能量场对通过一段单模光纤传输的相干光进行相位调制, 其相位的变化就反映了待测场的大小。 由于光敏探测器无法响应激光的高频率, 所以待测场所产生的相位调制不可能直接被探测到, 通常应先把相位调制转换为振幅调制, 而后由探测光强的变化即可得知相位变化。 相位调制型光纤

3、传感器基于干涉原理， 具有高灵敏度、 高检测分辨率、 传感对象广泛等优点。 第5章相位调制型光纤传感器5 5（1） 灵敏度高。 相位调制型光纤传感器主要是利用光干涉原理来完成信号的检测。 光学中的干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。 （2） 灵活多样。 相位调制型光纤传感器的探头的几何形状可按要求设计成不同的形式， 适用于不同的测试环境。 （3） 对象广泛。 不论何种物理量， 只要对干涉仪的光程有影响， 就可进行测量。 可直接测量的物理量有应力（压力107Pa）、 应变（107）、 温度（108 ）、 电磁场。 （4） 相位调制型光纤传感器其动态测量范围大， 响应速度快。 第5章相位调制型光纤传

4、感器6 65.1.2 光纤相位调制的基本原理光纤相位调制的基本原理光纤的相位调制是指当传感光纤受到外界机械振动或温度场的作用时， 外界信号通过光纤的力应变效应、 热应变效应、 弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化， 从而导致光纤中的光传输延迟， 引起相位变化， 以实现对光相位的调制。 其中， 当外界扰动作用于传感光纤时引起光缆中光纤的长度和折射率等光学传输特性的变化， 从而引起传输激光光程发生变化， 进而使感应光纤中传输光相位发生变化的现象， 称为光纤的“光弹效应”。 第5章相位调制型光纤传感器7 7波长为的激光在长度为l的光纤内传播后， 对应的相位延时为(5.1-1)

5、其中， 为光波传播常数， n为光纤折射率， l 为光纤长度。 当外界扰动作用在光纤上时， 引起光的相位变化为(5.1-2)第5章相位调制型光纤传感器8 8式（5.1-2）的第一项为扰动产生光纤长度的变化进而导致的传输光相位变化， 其中有 (5.1-3) 式（5.1-2）的第二项， 由于的变化而引起的f来源于两个作用： (1) 弹光效应： 引起了光纤折射率变化n； (2) 纵向应变导致的光纤直径变化D， 即(5.1-4)第5章相位调制型光纤传感器9 9式（5.1-1）中， =neffR0， neff是光纤的等效折射率。 由于光纤纤芯和包层的等效折射率neff差别很小， 仅有1%， 忽略不计后，

6、可表示为=nk0 (5.1-5)即(5.1-6) 式（5.1-4）的第一项可写为(5.1-7)第5章相位调制型光纤传感器10 10第二项由泊松效应引起， 与前两项相比要小得多， 可忽略不计。将式（5.1-4）、 式（5.1-7）代入式（5.1-2）中， 可得通过进一步推导可得式中， 是由光纤性质决定的常量， 因此f与光纤的轴向应变l 成正比， 与外界扰动信号的力学量也成正比， 这样外界扰动信号力学量的变化转化成为光学量的变化。 第5章相位调制型光纤传感器11 11由式（5.1-2）可得 进一步整理化为(5.1-10)(5.1-11)可以看出， 相位差f与光纤引起的相位延迟 f 成正比关系。 在

7、外界激励信号一定的情况下， 即一定， 显然通过增加传感光纤长度 l 的方法， 可以提高相位检测的灵敏度。 实际上采用反射镜使光在光纤中传输两次的方法， 可以在没有增加传感光纤长度的情况下， 达到相位延迟提高为2f效果。第5章相位调制型光纤传感器12 12因此采用此方法得到的相位差可以表示为(5.1-12)有两种反馈装置可以实现光在光纤中传输两次的目的： 其一， 在传感光纤端面镀以高反射系数的反射膜， 使得光纤中的光到达端面后以极高的比例重新耦合到光纤中； 其二， 在光纤反射端接法拉第旋转镜(FRM)， 使得光被反射并重新耦合到传感光纤的同时， 其偏振面发生90的旋转。 第5章相位调制型光纤传感

8、器13 13在光纤干涉系统中， 偏振态的随机扰动会造成干涉条纹不稳定， 严重时干涉条纹将消失。 上述两种反馈装置， 都能够在一定程度上克服发生外界扰动时， 传输光偏振态变化导致干涉条纹消失的现象。 以下分别对上述两种反馈装置的特性进行分析。 在单模光纤中传输时会发生线双折射和圆双折射（以及两者叠加产生的椭圆双折射）。 光纤对传输激光的偏振态的影响可用琼斯矩阵来描述， 即 第5章相位调制型光纤传感器14 14(5.1-13)由于外界干扰引起的双折射一般都具有互易性， 设光纤中传导的光波沿着单一方向从位置1到2， 描述偏振态变化的传输矩阵用J12表示， 同样沿相反方向从2到1， 传输矩阵用J21表

9、示， 如果外界干扰引起的双折射表现互易性质， 则两琼斯矩阵J21=JT12， 以下计算均假定为互易性双折射。 第5章相位调制型光纤传感器15 15当使用光纤端面镀膜形成反射面或平面镜时， 我们假定为完全反射， 当存在线双折射时， 此反馈光路的传输矩阵JFL为(5.1-14)可见， 此时线双折射没有被抵消， 而是出现了倍增。 当存在圆双折射时， (5.1-15)第5章相位调制型光纤传感器16 16此时， 具有互易性的圆双折射被完全抵消。 当光波反馈装置采用法拉第旋转反射镜时， 将偏振面旋转90， 此时反馈光路的传输矩阵可以表示为(5.1-16)可见， 通过反馈光路的作用， 双折射被完全抵消。 从

10、以上推导可以得到， 采用镀膜反射面时， 由于传输光被两次调制， 光纤相位灵敏度可以提高一倍， 而且通过传输矩阵的推导可见， 反馈光路的存在能够有效地抵消圆双折射对光路的影响， 而且结构简单、 容易实现； 当采用法拉第旋转镜作为光反射面时， 能够完全消除传感光纤中任何互易性的双折射， 从而提高系统的抗干扰能力。第5章相位调制型光纤传感器17 175.2 光纤干涉仪的类型光纤干涉仪的类型光纤干涉仪是干涉型光纤传感器的核心， 它依据的原理是光源发出的光通常被分成两束或多束， 沿着不同的路径传播之后， 分开的光束会再次会合， 并到达同一探测器。 若这两束光的振幅分别为A1和A2， 其中一束光因为某种因

11、素(压力、 温度等)的影响而被调制， 则会与另一束光发生干涉。 干涉后的光强可表示为第5章相位调制型光纤传感器18 18(5.2-1)式中， f为相位调制导致的两相干光束之间的相位差。 通过检测干涉光强的变化， 可以确定两相干光束间相位的变化， 从而得到外部参量的数值。 常用的光纤干涉仪主要有四种： 迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪、 马赫-泽德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉仪、 萨格纳克(Sagnac)光纤干涉仪和法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪。 第5章相位调制型光纤传感器19 195.2.1 迈克尔逊光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪原理如图5

12、-2所示。 由图5-2可以看出， 激光器输出的单色光由分束器分成光强相等的两束光。 其中一束射向固定反射镜， 然后反射回分束器， 其中有一部分光经分束器透射并由光探测器接收， 而被分束器反射的那部分光则返回到激光器。 另一束光入射到可移动反射镜上， 然后反射回分束器上， 经分束器反射的一部分光传至光探测器上， 而另一部分经分束器透射， 返回到激光器。 第5章相位调制型光纤传感器2020当两反射镜到分束器间的光程差小于激光器的相干长度时， 射到光探测器上的两相干光束便产生干涉。 两相干光的相位差为f=2k0l。 式中， k0是光在空气中的传播常数， 2l是两相干光的光程差。 可移动反射镜每移动l

13、=/2长度， 光探测器的输出就从最大值变到最小值， 再变到最大值， 即变化一个周期。 由光强的变化可知应变的大小。 如果使用He-Ne激光器， 这种技术能检测107m 级的位移。 第5章相位调制型光纤传感器21 21图5-2 迈克尔逊光纤干涉仪原理图第5章相位调制型光纤传感器2222为了克服空气受环境条件影响所导致的空气光程的变化， 可考虑用全光纤干涉仪结构。 图5-3表示迈克尔逊全光纤干涉仪的结构。 图中以一个3 dB耦合器取代了分束器， 光纤光程取代了空气光程， 而且以敏感光纤作为相位调制元件。 这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响， 还免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作， 使其

14、更适于现场测量， 更接近实用化。 第5章相位调制型光纤传感器2323图5-3 迈克尔逊全光纤干涉仪的结构第5章相位调制型光纤传感器24245.2.2 马赫马赫-泽德尔光纤干涉仪泽德尔光纤干涉仪马赫-泽德尔干涉仪原理如图5-4所示， 它与迈克尔逊干涉仪有一些相同之处。 同样， 从激光器输出的光束先分后合。 两束光由可动反射镜的位移引起相位差， 并在光探测器上产生干涉。 这种干涉仪能探测小至1013 m的位移。 这种干涉仪具有与迈克尔逊干涉仪不同的独特优点： 没有或很少有光返回到激光器。 返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声， 对干涉测量不利。第5章相位调制型光纤传感器2525图5-4 马赫-

15、泽德尔光纤干涉仪原理图第5章相位调制型光纤传感器2626此外， 由图5-4可以看到， 从分束器2向上还有另外两束光， 一束是上面水平光束的反射部分， 另一束是垂直光束的透射部分。 如果需要， 也可以用这两束光的干涉光强获得第二个输出信号。 这在一些应用上是很方便的。 作为一个工程实用的传感器， 最好采用全光纤干涉仪。 图5-5表示M-Z全光纤干涉仪的基本结构， 以这个基本结构为基础还有很多变态结构。第5章相位调制型光纤传感器2727保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。 在零差检测方式中， 需要保证两光纤臂间的正交状态。 所谓“正交状态”， 是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为90。 正交检

16、测方式的优点是探测相位灵敏度最高。 图5-5中参考臂采用了PZT圆筒， 通过闭环反馈激励来保证正交条件。 这种结构的缺点是， PZT的相位调态范围只有2， 因此当所需校正的相位漂移超出该范围时， 系统将有一个瞬态输出。 相位漂移主要是由温度变化引起的。 因此， 该系统要求环境温差不能太大。 第5章相位调制型光纤传感器2828图5-5 M-Z光纤干涉仪的结构第5章相位调制型光纤传感器29295.2.3 萨格纳克光纤干涉仪萨格纳克光纤干涉仪萨格纳克干涉仪是利用萨格纳克效应构成的一种干涉仪， 其原理如图5-6所示。 激光器输出的光由分束器分为反射和透射两部分， 这两束光由反射镜反射形成传播方向相反的

17、闭合光路， 然后在分束器上会合， 被送入光探测器中， 同时也有一部分返回激光器。 第5章相位调制型光纤传感器3030图5-6 萨格纳克光纤干涉仪原理图第5章相位调制型光纤传感器31 31在这种干涉仪中， 把任何一块反射镜在垂直它反射表面的方向上移动， 两光束的光程变化都是相同的。 因此， 根据双光束干涉的原理， 在光探测器上探测不到干涉光强的变化。 但是， 当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上， 且平台以角速度动时， 根据赛格纳克效应， 两束传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同， 若平台顺时针方向旋转， 则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光有所延迟。 第5章相位调制

18、型光纤传感器3232这个相位延迟量可表示为=（8A0c）。 式中， 为旋转率， A是光路围成的面积， c是真空中的光速， 0是真空中的光波长。 这样， 通过探测器检测干涉光强的变化， 便可确定旋转角速度。 因此， 萨格纳克干涉仪是构成光纤陀螺仪的基础。 光纤陀螺仪的结构见图5-7。 其灵敏度比空气光程的萨格纳克干涉仪要高几个数量级。 首先是由于采用若干圈光纤增加了干涉仪环的有效面积， 其次是由于利用了电子探测技术， 其相移表达式为=(8NA0c)， 式中， N是光纤环的匝数。 第5章相位调制型光纤传感器3333图5-7 光纤陀螺仪的结构第5章相位调制型光纤传感器34345.2.4 法布里法布里

19、-珀罗光纤干涉仪珀罗光纤干涉仪由图5-8可知， 法布里-珀罗光纤干涉仪由两块部分反射、 部分透射、 平行放置的反射镜组成。 其原理如图5-9所示。第5章相位调制型光纤传感器3535图5-8 法布里-珀罗光纤干涉仪的结构第5章相位调制型光纤传感器3636图5-9 法布里-珀罗光纤干涉仪原理图第5章相位调制型光纤传感器3737在两个相对的反射镜表面镀有反射膜， 其反射率通常达95%以上。 由激光器输出的光束入射到干涉仪， 在两个相对的反射镜表面作多次往返， 透射出去的平行光束由光探测器接收。 这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是， 前几种干涉仪都是双光束干涉， 而法布里-珀罗干涉仪是多光束干涉。

20、根据多光束干涉的原理， 探测器上探测到的干涉光强的变化为(5.2-2)第5章相位调制型光纤传感器3838式中，R是反射镜的反射率；是相邻光束间的相位差。 由上式可知， 当反射镜的反射率R值一定时， 透射的干涉光强度随变化。当=2n(n为整数)时，干涉光强有最大值I0； 当=(2n+1)(n为整数)时， 干涉光强有最小值(1R)/(1+R)2I0。 可见， 反射率R越大， 干涉光强变化越显著， 即有高的分辨率， 这是法布里-珀罗干涉仪最突出的特点。 通常， 可以通过提高反射镜的反射率来提高干涉仪的分辨率， 从而使干涉测量有极高的灵敏度。 第5章相位调制型光纤传感器3939上述干涉仪型传感器有个共

21、同之处： 在每种传感器中， 光源的输出光束均被分成两束或两束以上的光。 这些分开的光束沿不同光路传输之后， 又重新合路并激励光敏检测器。 这些干涉仪有极高的灵敏度， 还具有非常大的动态范围， 可用于检测位移， 还可用于测量应变和应力。 然而由于对使用环境的严格要求， 限制了它们在实际条件下的应用。第5章相位调制型光纤传感器4040如果用单模光纤作为干涉仪的光路， 就可立即取消对光路长度要求相当苛刻的限制。 1 km左右的光路长度是容易实现的， 并且正在实用之中。 目前能用于恶劣环境的极小、 长寿命的固体激光器和光检测器， 以及一些光路元件， 如腐蚀或搭接的光纤-光纤耦合器， 以及与它们相应的集

22、成光学元件能够从市场上买到。 因而， 光纤传感器特别是相位型光纤传感器的研究和应用得到了很大发展。 一些小型的、 稳定性高的和非常牢固的干涉仪型光纤传感器已经开始得到应用。 第5章相位调制型光纤传感器41 41迈克尔逊光纤干涉仪传感器中， 信号光纤与参考光纤在同一环境中， 受环境的影响小； 另外， 光的发出与接受在同一侧， 属单端操作。 其最大测量范围达到1500 ， 最高分辨力为2 。 马赫-泽德尔干涉仪中， 用两腐蚀的或搭接的3 dB耦合器代替两只分束器。 它们可以把激光器的输出光束分成相等的两束光， 也可以使从两个光路传来的光重新合并。第5章相位调制型光纤传感器4242这样就可以直接把激

23、光器的输出光束耦合到光纤内， 也可以相似地把光纤输出直接耦合到两个光探测器中。 因此， 在光源和检测器之间， 该干涉仪只包含光纤元件。 如果把集成电路技术和目前的电光技术能力结合起来， 则可以把其他所有元件(包括激光器、 检测器和信号处理器等)组装在一小块与光纤可以对接、 耦合简单的小型集成片上。第5章相位调制型光纤传感器43435.3 相位调制型光纤传感器的信号解调技术相位调制型光纤传感器的信号解调技术5.3.1 零差法零差法本节介绍M-Z干涉仪的被动零差调解方法, 其调制与解调系统原理图见图5-10。 第5章相位调制型光纤传感器4444图5-10 光纤M-Z干涉仪调制与解调系统原理图第5章

24、相位调制型光纤传感器4545光纤M-Z干涉仪作为传感器， 直接测量会引起信号测量误差。 在干涉仪的参考臂上加上压电陶瓷驱动器(PZT)作为相位调制器， 调制频率0， 幅度为C， 输出光强为 I=A+Bcos(t)Ccos0tn (5.3-1)其中， (t)=Dcos t+ f(t)为信号与外界干扰所引起的相位变化之和， n=DC0利用Bessel函数对式(5.3-1)进行Fourier分解。 第5章相位调制型光纤传感器4646同理， 有(5.3-2)(5.3-3)(5.3-4)第5章相位调制型光纤传感器4747从以上三式可以看出， 当(t)=0时， 在输出信号中， 从频谱上看偶(奇)数倍角频率

25、出现在偶(奇)数倍角频率0的两侧， 当(t)=/2时， 偶(奇)数倍角频率出现在奇偶数倍角频率0的两侧。 这些出现在奇数或偶数倍角频率0两侧的边带信号携带着待检测信号。 当不加入载波信号0时， I=A+Bcos(t)， 若(t)=0， 则cos(t)=1， 信号将发生消隐或畸变。 第5章相位调制型光纤传感器48485.3.2 22耦合器构成的无源零差解调方法耦合器构成的无源零差解调方法根据3 dB的22定向耦合器的特性， 出射的两束光功率等比分配， 出射两臂的相位差为入射两臂相位差附加/2。 如图5-11所示， 从光源L发出的光， 经C1后分成两束功率相等， 相位差/2的信号分别通过信号臂和参

26、考臂进入C2和C3中； 而进入C2和C3的信号又各被分为功率相等且相位差/2的两束， 这四束光中间两束交叉与外侧两束分别进入C4和C5； 如此设置后则经过探测器D1D4， 在放大器的同相和反相输入端分别得到相差为的差分信号， 即第5章相位调制型光纤传感器4949(5.3-5)(5.3-6)(5.3-7)(5.3-8)第5章相位调制型光纤传感器5050式中忽略干涉条纹可见度， 且V0正比于输入相干光强值的电压常量两两相减， 就得到了正交的待解调信号VA、VB, 即 VA=VA+VA=V0cosS(t)+x (5.3-9) VB=VB+VB=V0sinS(t)+x (5.3-10) 根据三角函数以

27、及复合函数求导公式： (5.3-11)第5章相位调制型光纤传感器51 51且 推导可知, (5.3-13)(5.3-12)由式（5.3-13）即可知， 干涉信号通过多组22耦合器建立正交偏置， 再由微分电路求出两路微分信号值， 经过乘法， 减法和积分电路电路即可得到得到S(t)+x。 考虑到当x是基本不变或者低频的两臂初始相差时， 在采用低通滤波之后， 可最终求出信号S(t)。第5章相位调制型光纤传感器52525.3.3 基于基于33光纤耦合器的零差解调法光纤耦合器的零差解调法33光纤耦合器解调法是一种比较新的解调技术， 是伴随相位调解技术的发展而发展起来的， 其基本光路如图5-12所示。 图

28、5-12 33光纤耦合器解调原理图第5章相位调制型光纤传感器5353激光二极管发出的相干光经22耦合器分成光强比为1 1的两束光分别进入信号臂和参考臂光纤， 再经33对称耦合器汇合相干形成调制的干涉条纹， 在终端采用光电探测器D检测干涉光强的变化。 在光纤参量基本恒定的情况下， 信号臂与参考臂之间的相位变化正比于被测量的变化。 由于目前的光探测器不能直接探测或读出相位差值， 故常采用干涉法将光的相位信号转换成相应的干涉条纹光强变化。 输出的3路信号分别为第5章相位调制型光纤传感器5454(5.3-14)(5.3-14)(5.3-15)式中： (t)=sr是传感臂与信号臂的相位差， D和E是与耦

29、合器有关的常数。 第5章相位调制型光纤传感器55555.3.4 22和和33耦合器结合的无源零差解调方法耦合器结合的无源零差解调方法单纯使用22耦合器组进行相位解调很难取得良好的效果。 这是由于光源本身的功率波动导致光强峰值的波动， 使得无法动态跟踪直流分量和交流分量幅值的变化； 如果直接采用模拟低通滤波电路， 不仅会滤掉一部分低频信号， 还会造成各频段相位延迟不同， 从而使由谐波组成的复合波形失真。 第5章相位调制型光纤传感器5656针对这些问题， 如为了更好地恢复波形， 动态的跟踪光源波动造成的影响， 通常使用22和33耦合器相结合构成的无源零差解调方法。 与22耦合器组解调干涉方案相比，

30、 图5-13所示干涉解调结构的光路相对简单， 只需要一个22和一个33光纤定向耦合器以及三路探测器。 第5章相位调制型光纤传感器5757图5-13 基于 23耦合器法的M-Z干涉仪第5章相位调制型光纤传感器5858由等功率分配（4.8 dB）的33耦合器的性质可知， 三路输出光强相等， 相邻两路之间的相位差为2/3， 则三端探测器(D0D2)的输出为式中， D为干涉直流分量经探测电路得到的电压幅值； A为干涉交流分量经探测电路得到的电压幅值； m为对应于耦合器三个臂的探测器序号（02）； Q(t)为式（5.3-13）中S(t)+x的简化记法； Xm为式（5.3-17）中AcosQ(t)+(m1

31、)2/3的简化记法。 （5.3-17）第5章相位调制型光纤传感器5959探测器输出后的解调流程见图5-14。 虽然可以采用滤波方式将式（5.3-17）中直流分量滤除， 但将会限制解调系统对低频信号的处理能力。 在图5-14的解调过程中, 根据三角函数关系， 有 将三路信号Um求和， 再乘以因子， 即可得到13。 再与各路Um相减， 即可分别去掉直流量D， 各路便只余下干涉信号的变化量Xm。 分别将Xm对时间求导， 得到（5.3-18）（5.3-19）第5章相位调制型光纤传感器6060图5-14 解调信号处理原理框图第5章相位调制型光纤传感器61 61引用求和公式: 将每一路信号Xm与另两路信号

32、导数差相乘并求和， 消去余弦项， 可得(5.3-21)第5章相位调制型光纤传感器62625.3.5 针对振动幅度较大的信号进行相位解调的方法针对振动幅度较大的信号进行相位解调的方法从干涉型光纤传感器的调制原理可知， 光电探测器检测到的干涉光强与外界振动信号并非成正比关系， 与外界振动信号成正比关系的是其产生的激光的相位变化， 为了得到相位变化信息， 必须使用相位解调算法从可测量的干涉光强中解调出该信息。 相位解调算法包括微分交叉相乘法和反正切法等， 以下将介绍针对振动幅度较大的信号进行相位解调的方法。 第5章相位调制型光纤传感器6363图5-15为全光纤分布式振动传感系统， 我们以该系统为例，

33、 介绍相位解调原理。 为了使用干涉光强解调相位信号， 首先需要推导输出光强与相位信号的关系表达式。 根据振动频谱分析原理， 任何一个复杂的振动都可以分解为不同频率的简谐振动的叠加。 第5章相位调制型光纤传感器6464图5-15 全光纤分布式振动传感系统第5章相位调制型光纤传感器6565为简化分析起见， 我们假设图5-15中(4)处的扰动信号的振动幅度0、 角频率为。 根据上节所述的光弹性效应， 相位变化与扰动成正比， 则在t时刻， 角频率为的扰动信号引起的传输光波相位变化叫(, t), 可以表示为(, t)=0sin(t)(5.3-22)第5章相位调制型光纤传感器6666图5-16表示图5-1

34、5系统中的传感光纤部分。图5-16 传感光纤示意图第5章相位调制型光纤传感器6767将扰动点(4)离光纤反射端面(5)的距离设为L， 光往返传输两次的时间为T， 则式中， neff是光纤纤芯等效折射率， c是真空中的光速。 由于两束相干光分别经过了两次扰动点， 即顺时针的干涉光在t、 t+T时刻两次经过扰动点， 逆时针的干涉光在t+、 t+T时刻两次经过扰动点， 因此， 两相干光分别被扰动信号调制两次， 则由频率为的扰动引起的干涉光的相位差为(5.3-23)第5章相位调制型光纤传感器6868上式为振动幅度f0、 角频率为的单频扰动信号产生的两路相干光的相位差， 该相位差亦即通过ADC采集到的干

35、涉光强所需要解调出的相位信号。 对于含有各种频率成分的真实扰动信号扰动， 由于实施的扰动是可叠加的， 因此得到两路干涉光随时间变化的相位差可以表示为第5章相位调制型光纤传感器6969(5.3-25)式中， (t)是总的相位差， i(, t)即式(5.3-24)中的(, t)， mi是与各个频率信号幅度对应的加权系数， 两个PIN管接收到的干涉输出光表示为(5.3-26)第5章相位调制型光纤传感器7070其中， P1(t)和P2(t)是33光纤耦合器的输出端口得到的随时间变化的输出功率(单位为W)， A、 B是与输入光功率大小有关的一个常量，f为耦合器结构决定的两路相干光的初始相位差， 对于33

36、光纤耦合器，f=2/3。 因此， 输出的交流分量只与外界扰动信号产生的两路相干光的相位差有关。第5章相位调制型光纤传感器71 71由于光纤的散射等原因造成在33耦合器的输出光中含有幅度较大的非干涉信号， 散射光与在外界没有扰动的情况下通过相同传输路径的干涉光构成了系统的静态光信号， 经过PIN管后形成了电信号中的直流电平。 因此， 为了提高放大器的动态范围， 需要对PIN管输出的信号进行去直流， 其目的在于隔离不对称的直流成分， 同时提高后续放大电路输出信号的动态范围。 滤除直流信号后， 当(t)=0时， P1(t)= P2(t)=0， 即当没有扰动时， 放大器输出的两路信号均为零。 第5章相

37、位调制型光纤传感器7272根据33耦合器3个输出端的对称特性， 可以将33耦合器输出的两路干涉信号表示为(5.3-27)其中， (t)为外界信号， A(t)和B(t)是经两路放大器分别为与放大器相关的幅度系数， 均为干涉系统的固定相位差； 对于所使用的系统， 由于使用了33耦合器，f的值为2/3。 第5章相位调制型光纤传感器7373根据式（5.3-27）， 分析其中的一路信号I1(t)。 式中， A(t)cosf为常量， I1(t)的极大值和极小值分别为当A(t)cos(t)+f)取得极大值和极小值的点， 即A(t)。 因此， x(t)的最大值为max(x(t)=A(t)(1cosf)(5.3

38、-28)x(t)的最小值为min(x(t)=A(t)(1+cosf) (5.3-29)第5章相位调制型光纤传感器7474由式（5.3-28）和式（5.3-39）可得同理可得(5.3-30)(5.3-31)第5章相位调制型光纤传感器7575将式（5.3-29）与式（5.3-30）相减， A(t)可以表示为 (5.3-32)(5.3-33)将式（5.3-29）与式（5.3-30）相减， A(t)可以表示为 (5.3-34)第5章相位调制型光纤传感器7676同理， B(t)可以表示为(5.3-35)将式（5.3-34）和式（5.3-35）代入式（5.3-27）的第一式得系统归一化信号如下： (5.3

39、-36)第5章相位调制型光纤传感器7777将式（5.3-34）和式（5.3-35）代入式（5.3-27）的第二式可得系统归一化信号如下： (5.3-37) 为了简化计算， 将两路信号分别相加相减表示为式：(5.3-38)(5.3-39)将式（5.3-38）和式（5.3-39）相除，f(t)可以表示为下式： (5.3-40)第5章相位调制型光纤传感器7878根据上述算法编程， 可以通过软件技术将反映外界扰动信号的干涉信号相位差价(t)如实还原出来。 该算法在LabVIEW平台下能够很容易实现， 且借助LabVIEW的实时数据采集和显示工具， 以及强大的数字信号处理工具， 能够对系统的实时信号进行

40、还原。 第5章相位调制型光纤传感器79795.3.6 相位检测中的几个问题相位检测中的几个问题1. 相位检测和强度检测图5-17为强度型光纤传感器中的输入与输出的关系。 在传感器中， 由基带输入信号Sh振幅调制光源输入Iin， 从而产生一个图5-17(c)中曲线所示的输出信号。 最后， 传感器的振幅调制光输出信号被光检测器接收， 使光检测器产生一个振幅调制的电输出信号， 如图5-17(d)所示。 第5章相位调制型光纤传感器8080图5-17 强度型光纤传感器中输入与输出的关系第5章相位调制型光纤传感器81 81由于光的频率一般约为1014 Hz， 光检测器不能响应这样高的频率， 也就是不能跟踪

41、以这样高的频率变化的瞬间值， 因而相位调制不能直接被探测到。 为了达到相位探测的目的， 在探测之前应该用干涉测量技术把相位调制转换成振幅调制， 将相位检测转换成强度检测。 图5-18所示的长度为L的光纤， 从左端面输入波长为的光波， 用0表示真空中的光波长， n1表示光纤芯的折射率， 以光纤入口平面为基准在右端面测得的相位角为第5章相位调制型光纤传感器8282图5-18 光波通过长度为L的光纤并伸长L的相位变化第5章相位调制型光纤传感器8383如果L和0用同样的单位表示， 则的单位为rad。 如果光纤的长度变化L， 如图5-18所示，那么相对于入口的固定平面， 光纤有断面的相位角变成： +=2

42、n1(L+L)/0这里假定长度变化期间整个光纤中的n1值没有发生任何变化。第5章相位调制型光纤传感器8484这一假定在很多情况下接近于实际情况。 图5-18所示的光纤为干涉仪两臂中的光纤， 上面的光纤为参考光纤， 下面的光纤为测量光纤。 设两根光纤初始长度相同， 或长度差为2rad的整数倍， 此时， 光波被同时送入这两根光纤的左端， 则最初两光纤的输出是同相的。如果图5-18下面那根光纤的长度由于外加物理场的作用而伸长， 那么干涉仪的输出强度将减少， 直到下面那根光纤的长度伸长/2（即相移增加rad）时达到极小值。 第5章相位调制型光纤传感器8585如果下面那根光纤继续伸长， 那么输出幅度将增

43、加， 直到下面那根光纤的长度再伸长/2， 即再增加rad相移时， 回到极大值。 对比波长大得多的长度变化， 物理扰动P随时间变化的速率与振荡频率f成正比， 即dPdt=Af， 式中， A为定标因子， 通常与光纤长度成反比。 因而， 可通过检测频率得到所测物理量的值。 对于比波长小得多的长度变化(或者更准确地说是相位)， 例如， 106rad的探测。 此时， 任何大的振幅漂移(变化)都会大大地增加测量较小变化量的困难。 必须用补偿器将振幅漂移加以补偿。第5章相位调制型光纤传感器86862. 共模抑制由激光源引起的光强波动， 常称为激光振幅噪声。 激光振幅噪声有时与被测信号产生的光强变化很难区分。

44、 共模抑制是一种抵消激光振幅噪声的方法。 对图5-5中的M-Z光纤干涉仪， 若不考虑偏振效应， 即假设偏振态是始终不变的， 则根据双光束相干原理， 两个光探测器接收到的光强分别为(5.3-42)第5章相位调制型光纤传感器8787式中，I为激光输出光强(功率)， A为相位差， 为耦合系数， 与干涉仪两臂光强及相干度成正比。 设有振幅波动， 则用I+I分别代替方程式(5.3-42)中的I， 可得(5.3-43)第5章相位调制型光纤传感器8888式(5.3-43)中I/I是与的大小为同一数量级的振幅波动， 忽略了微小量I/I和的高次项， 进一步得到： I1I2=IcosA (5.3-44)于是， 消

45、除了激光输出振幅中的波动。 这种减法实际上是在差分放大器中用电的方法完成的。 差分放大器常置于光探测器之后。 采用共模抑制， 在低频时， 最小可检测相移可降低一个数量级。 当频率大于1 kHz时， 最小可检测相移能达到107 rad。 同时， 由伴生模和多模工作引起的激光器噪声也能被消除。 第5章相位调制型光纤传感器89893. 相位跟踪系统相位跟踪系统的功能， 一是抵消任何不必要的大的低频相位的漂移， 使干涉仪保持平衡； 二是提供保证干涉仪在正交状态下工作的相移。 相位跟踪系统由电路系统和光纤相位调制器组成。第5章相位调制型光纤传感器90905.4 光纤干涉仪的传感应用实例光纤干涉仪的传感应

46、用实例5.4.1 迈克尔逊光纤干涉仪的应用举例迈克尔逊光纤干涉仪的应用举例迈克尔逊型全光纤加速度地震检波器基于迈克尔逊光纤干涉仪原理， 通过简谐振子中的敏感元件把外界的加速度信号转化为对连接质量块的单模光纤的机械作用， 使其产生拉伸和压缩， 根据光纤的应力应变效应， 这种光纤的长度变化实际是用外界信号来调制干涉臂中光波的相位， 而干涉仪把这种相位变化转化为光强的变化并输出。第5章相位调制型光纤传感器91 91本检波器信号处理系统采用交流相位跟踪零差补偿（PTAC）技术实现相位探测和误差补偿， 用该技术从迈克尔逊光纤干涉仪的输出光强中提取待测的加速度信号。 交流相位跟踪零差补偿的实质是把相位中的

47、带限信号解调到不同的频带中， 进而滤出待测的加速度信号。 下面就详细介绍检波器的工作原理及实现方法。第5章相位调制型光纤传感器92921. 检波器的系统结构和工作原理如图5-19所示, 迈克尔逊型全光纤加速度地震检波器系统由LD光源、3 dB光纤耦合器、 简谐振子、 PIN光电探测器及信号处理系统等部分构成。 图中信号发生器产生的是高频正弦波Amsin(mt)， 分两路输出， 一路通过加法器输出给压电陶瓷PZT， 对光波相位进行调制和反馈补偿； 另一路输出给乘法器作为解调信号。 下面结合图5-19介绍检波器的工作原理。 第5章相位调制型光纤传感器9393图5-19 迈克尔逊型全光纤加速度地震检

48、波器的系统示意图第5章相位调制型光纤传感器9494由激光器LD发出的波长为1.3 m的光被耦合进干涉仪后, 经双Y型分支波导分成两路： 下一路为信号臂， 上一路为参考臂。 信号光由于受到惯性质量块m对光纤的挤压或拉伸， 使得经全反射面反射的光相位含有加速度信息； 参考臂光纤缠绕在压电陶瓷体上， 而压电陶瓷通电会膨胀， 使光纤的长度发生变化。第5章相位调制型光纤传感器9595因此, 参考光经全反射回到分束器的光相位是通电电压的函数(包含调制信号和补偿信号)。 两路光在分束器中重新会聚， 产生干涉， 从而将对应于外界加速度场变化的光波相位变化转变为光强变化， 再由PIN光电探测器将光信号转变为电信

49、号。 经信号处理电路放大、 滤波、 调制补偿和解调处理， 最后输出与加速度相对应的电压信号。 第5章相位调制型光纤传感器96962. 简谐振子及其灵敏度简谐振子的结构如图5-20所示， 质量块框架与基底固为一体。 L是光纤有效工作部分的长度， 为检波器干涉系统中信号臂的一部分， 在A点处， 光纤与V形槽用胶固定。 工作时， 将传感器置于被测场中， 利用人工震源方法使大地产生震动， 简谐振子也随大地作加速度振动， 因而质量块m产生位移会使光纤伸缩， 即光纤长度L发生变化， 根据光纤调制理论, 这种变化以光的相位变化的形式被检测出来。 第5章相位调制型光纤传感器9797根据检波器的结构， 当简谐振

50、子随大地作加速度运动时， 长度为L的光纤中产生与加速度a成正比的应变L/L， 对质量块m而言， 由牛顿第二定律可得(5.4-1)(5.4-2)式中， E是光纤的杨氏模量， A是光纤的横截面积， a是外部加速度， K是弹簧片刚度系数。 第5章相位调制型光纤传感器9898图5-20 简谐振子结构示意图第5章相位调制型光纤传感器9999当光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时， 光纤的长度（应变效应）、 纤芯的直径（泊松效应）、 纤芯折射率（光弹效应）都将变化， 这些变化将导致光纤中光波的相位变化。 泊松效应相对应变效应和光弹效应造成的相位变化非常小， 通常可以忽略不计。 第5章相位调制型光纤传感器1