光纖干涉弱磁傳感相位補償

辛建光

摘 要：干涉型光纖傳感器具有靈敏度高、體積小和抗電磁干擾等特點，但它易受環境影響發生隨機相位漂移，導致信號衰落及探測靈敏度降低，因此必須解決相位漂移問題。由于相位載波法系統不穩定，該文在光纖低頻弱磁傳感器中使用了交流相位跟蹤法（PTAC）進行相位補償。并將實驗結果與當前多被采用的直流相位跟蹤法進行了對比，證明PTAC相位補償具有更好的性能，PTAC的采用提高了傳感器的穩定性和精確度。

關鍵詞：光纖 磁場傳感器 PTAC PTDC

中圖分類號：TN253 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0040-02

干涉型光纖傳感器具有靈敏度高、體積小和抗電磁干擾等特點，但它易受環境影響發生隨機相位漂移，導致信號衰落及探測靈敏度降低，因此必須解決相位漂移問題。在實際應用中，已經提出了相位載波、光纖耦合器等被動零差解調技術以及利用壓電陶瓷（PZT）作為反饋元件的主動零差技術、外差技術等方法。要想獲得外界被測物理量，就需要將與之對應的相位信息從干涉儀的輸出信號中解調出來，目前常用于干涉型光纖傳感器的相位檢測解調技術可以分為如下兩類：零差檢測和外差檢測。零差檢測包括主動零差檢測和被動零差檢測等。外差檢測則包括普通外差檢測，合成外差檢測以及偽外差檢測等。零差檢測方法是一種利用解調電路直接將光纖干涉儀輸出信號中所包含的與外界被測物理量相關的相位信息提取出來的方法。這種方法的優點主要包括：靈敏度較高，不容易產生諧波失真現象，具有良好的線性，體積較小以及功耗較低等；缺點則是需要用到一些特殊的器件，或者采取復雜的反饋控制電路。與零差檢測方法不同，外差檢測方法并不直接提取相位信息，而是利用與外界被測物理量有關的相位信息，對光纖干涉儀參考臂中產生的拍頻信號進行調制之后，再使用解調電路解調出相位信號。與零差檢測方法相比，盡管外差檢測方法所能夠解調的相位范圍較大，也不需要使用復雜的反饋電路，但拍頻信號的產生卻在一定程度上增加了光路的復雜性，這是因為要產生拍頻信號必須在干涉儀參考臂中使用移頻器，另外外差檢測方法在電路的實現上也有較高的復雜性。綜上，由于相位載波法系統不穩定，該文在光纖低頻弱磁傳感器中使用了交流相位跟蹤法（PTAC）進行相位補償。并將實驗結果與當前多被采用的直流相位跟蹤法進行了對比，證明PTAC相位補償具有更好的性能，PTAC的采用提高了傳感器的穩定性和精確度。

1 傳感器結構與原理

光纖弱磁干涉傳感器結構圖，如圖1所示。換能器是在跑道型骨架上的直線部分的兩側分別粘貼金屬玻璃薄膜，將傳感臂光纖纏繞在該骨架上，采用環氧樹脂膠與金屬玻璃薄膜做點連接，相位補償單元在實驗中采用交流相位跟蹤法。

設被測直流磁場為，交流調制磁場為，則換能器上總磁場為：

（1）

由磁致伸縮相干旋轉模型，光波相位變化與磁場的關系近似為：

（2）

其中，C是與泊松比、波長等有關的系數。經光電探測放大后輸出電壓信號為

（3）

式中：A、B是正比于輸入光功率的常數；a是由外界環境變化所帶來的隨機漂移相位，相位變化由直流相位和交流相位組成。直流相位包括隨機相位漂移a、待測磁場信號和交流調制磁場信號幅度引起的相移，有

（4）

交流相位包含2項，分別為：

（5）

（6）

2 交流相位跟蹤法（PTAC）

實驗中使用PTAC法作為相位補償，PTAC利用干涉儀的輸出信號產生反饋控制信號，將其作用在干涉儀中的相位調制器上進行相位補償，以抵消外界溫度變化、偏振態變化等引起的相位隨機起伏，從而使傳感器工作在最佳工作點上。信號反饋提取流程如圖2所示。

信號經差分放大，再AGC后，輸出電壓信號表示為：

（7）

其中為光電探測器電流，K為比例放大倍數，為振蕩器驅動PZT在光纖中產生的相位差，，由于被測磁場遠小于換能器上的調制磁場，項可以忽略不計，則式（7）可寫作：

（8）

當PTAC系統鎖定在π（N為整數）時，系統處于最佳工作狀態，因此式（8）只取第一項，并將其展開成傅立葉-貝塞爾函數得：

（9）

式（9）中：為n階貝賽爾函數。

為實現信號解調，將與PZT調制信號同頻率的振蕩信號和V相乘，待測信號具有相同頻率的項（n=0）為：

（10）

從式（10）可以看到，乘法器輸出的信號中仍有調制信號，因此信號還要經鎖定放大器，信號處理系統最后輸出信號為：

（11）

同時，從對干涉型光纖磁場傳感器系統固有噪聲所作的分析來看，要測量更低的最小可探測磁場，提高系統分辨率，就必須減小噪聲對信號的影響。但噪聲是每個系統與生俱來的，沒有任何系統能做到完全無噪聲，所以必須采取一定的措施來減少噪聲的影響，尤其是在對傳感信號進行解調的時候，使用盡可能有效的抑制或降低噪聲的方法就顯得極其重要。

對噪聲進行消除的工作可以從環境噪聲以及系統本底噪聲兩方面展開。有比較多的消除環境噪聲的方法。可以采用噪聲屏蔽設備，如聲音隔離和適當的減震臺的應用，減少外界對系統的影響。由于反饋控制回路的正常工作，將光纖干涉儀的偏置相位始終穩定在共模補償工作點，有效避免了緩慢變化的環境噪聲對干涉儀光相位的干擾。對于系統本底噪聲，可以通過對系統的分析，選擇質量和性能指標更加優異和可靠的元器件來從根本上減小本底噪聲。比如盡可能選用強度與頻率抖動均很小的窄線寬的半導體激光器作為干涉型光纖傳感器的光源，目前很多商用的半導體激光器都能滿足這方面的要求。另外還可以通過合理的系統設計和工藝制作流程來盡量減少可能產生噪聲的因素。比如使用光學精密反射儀嚴格控制光纖干涉儀的臂長差，來減小相位噪聲。

除了從以上幾種從噪聲的產生與引入角度入手，通過對硬件進行必要的改善來降低系統本底噪聲的方法之外，隨著計算機技術的發展，現在越來越多的采用數字信號處理技術來降低噪聲，并提取出淹沒在噪聲背景下的微弱信號。現有光纖傳感信號解調是基于硬件電路實現的，盡管這是目前主要采用的方法，但需要設計較為復雜的電路。在干涉型光纖傳感器中，包含有待檢測信息的有用光信號十分微弱并受到系統光路光噪聲的影響。該信號在被光電檢測器轉換為電信號之后，利用解調電路實施傳感信號解調和提取的過程中，更是會受到電噪聲的影響，使得解調電路的噪聲特性成為限制系統傳感性能提升的重要因素。而且使用硬件電路來進行信號解調的傳統方法有其不靈活性和局限性。比如在相位檢測法中，利用鎖定放大器來檢測包含有微弱直流磁場信息的傳感信號，如果交流激勵磁場過大，有出現輸出飽和現象的可能，那么就要求鎖定放大器應具備一定的動態范圍。與此同時，從當前傳感器研究的發展趨勢來看，傳感器的陣列化和遠距離測量監控將是今后很長一段時間的重要研究方向。如果能夠在原有干涉型光纖微弱磁場傳感器的基礎上，將系統的控制與解調模塊剝離出來，放置于遠程監控端，將有可能對干涉型光纖微弱磁場傳感器的實用化產生積極的推動作用。因此就可以借助嵌入式處理器DSP的高性能處理能力，運用數字信號處理技術對干涉型光纖傳感系統差分放大器的輸出進行處理，利用軟件解調的辦法實現對傳感信號的提取。在算法實現理想的情況下，軟件解調是不會引入計算噪聲的。相比硬件電路解調而言，軟件解調具有十分靈活的特點，它只需要通過修改相應的代碼就能輕松實現對各種參數的調節。更重要的一點在于，在軟件解調的過程中，可以通過添加各種信號處理單元方便地對有待解調的信號進行降噪處理。

3 實驗分析與比較

為驗證PTAC法系統的性能，在相同的實驗條件下，本實驗與通常使用的PTDC法實驗結果進行比較。并對實驗結果進行比較。PTDC法具有結構簡單、電學復雜性低、信號畸變小、系統處于線性狀態的優點，在干涉型光纖傳感器中被廣泛使用。其信號反饋提取流程如圖3所示。

兩路光信號通過差分放大后，經低通濾波器，濾出直流和低頻分量再積分，加載的PZT上，作為相位補償。工作點在π/2。

激光器波長1550 nm，使用熊貓型保偏光纖，直徑125 um，換能器中光纖有效的傳感長度為2 m。調制磁場頻率為13 kHz，調制磁場幅度4000 nT。PTAC法中PZT上的調制頻率為800 Hz。

3.1 穩定性比較

調整鎖定放大器的放大倍數，使分別采用兩種方法的實驗系統，在檢測相同大小的被測信號時，輸出電壓值基本一致。鎖定放大器輸出被測信號波形如圖4所示，PTDC法在系統穩定后被測信號波動范圍為33 mV，相對誤差為8%，而PTAC法在系統穩定后被測信號波動范圍為8 mV，相對誤差為2%，顯然PTAC法具有更高的穩定性，可以推斷PTAC法具有更穩定的工作點。

3.2 線性度比較

由于載波的引入，可以使用自動增益控制電路（AGC）消除光源功率波動和偏振態變化的影響，獲得更穩定的輸出。在同實驗條件下，分別運用PTDC與PTAC兩種補償方法測量200 nT～800 nT的幾組數據進行比較，PTAC法的線性度為0.7%，PTDC法的線性度為3%，磁場響應曲線如圖5所示，PTAC法的線性度明顯好于PTDC法。在實驗中采用PTAC法進行相位補償，系統的精度得到了提高。

4 結語

我們在低頻弱磁傳感器中使用了兩種相位補償方法，都實現了控制工作點的目的，而PTAC法較PTDC法，雖然系統更復雜，但它能更好地控制系統的增益帶寬積，實現鎖相，PTAC法使傳感器具有更好的重復性和線性度，提高了系統的穩定性和精度。

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