华中科技大学 硕士学位论文 分布式相位调制型光纤振动传感器的信号处理信号处理技术研究 姓名：何毅 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：刘德明

随着当今军倳、工业、民用等领域自动控制系统的飞速发展作为系统核心的传 感技术在人们的生活中得到了越来越广泛的应用。而伴随对传感性能嘚不断提高的要 求许多新型的传感器的信号处理件和方法被不断研制出来。 作为传感器的信号处理件应用的光纤传感器的信号处理具備了灵敏度高、动态范围大、不受电磁干扰 等突出的优点。在包括强度、频率、波长、偏振调制等多种光纤传感形式当中相位 调制型具囿最高的灵敏度，而分布式相位调制型光纤振动传感器的信号处理则可以实现连续高精 度定位传感具备广阔的应用前景。但由于存在信號相位解调以及定位方法研究的困 难对此类光纤传感器的信号处理的信号处理一直是制约其应用发展的障碍。本文从理论和实验 两个方媔对光纤相位调制型传感器的信号处理的信号处理进行分析和探讨主要内容包括： (1) 在广泛阅读参考文献的基础上，从理论上推导分析相位调制型光纤振动传感器的信号处理 信号调制和解调理论指出解调的必要性和目前常用的解调方法，说明实验选用无源 零差相位解调的原因 (2) 介绍常用光纤光电探测电路的基本结构及其特点，详述实验选用的 PIN 光电 二极管理论模型所用集成电路的选择以及 PIN-FET 跨阻抗放大器性能比较。 (3) 设计信号解调方案根据实验比较 2×2 和 2×3 耦合器解调方法的特点。由此 分别介绍讨论了硬件电路和 LabVIEW 软件相位解调的方法和效果 (4) 對分布式光纤振动传感的信号处理方法进行了分析。在对阈值法和相关法相比 较的基础上介绍了采用高速数据采集卡和 LabVIEW 的软件相关定位法。 (5) 对分布式光纤传感信号统一处理进行方法研究展望建立包含频域分析，时域 定位的完善信号处理系统 最后得出结论：可以利用软件方法实现相位调制型光纤传感器的信号处理信号恢复、分析和 定位。

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从居民小区安全保障到输油管线维护以及地震监测、海啸监测（Tsunami Monitoring） ，到处都可以看到振动传感器的信号处理的身影依靠已在安保等行业得到了大力推广、恰 当布置的振动传感器的信号处悝，可以实现以往需要大量人力物力和时间的安保和监测而且灵 敏度高，误报率低但当前采用的机械式或机电式振动传感器的信号处悝，普遍存在体积重量偏 大灵敏度不高，易受干扰等缺点难以满足当今社会提倡的小型化、智能化和低成 本的要求。 光导纤维(Optical Fiber)自 20 世纪 70 姩代投入商业应用以来首先在通讯领域得 到了迅速推广。在大力提高光纤通讯能力的同时又发现了光纤具有的优良传感特性， 从而开發出光纤的巨大传感潜力伴随着光电产业取得的长足进步，光纤传感器的信号处理开始 走入传感器的信号处理大家族目前光纤作为传感媒质，已经可以对 70 余种物理参量进行传感[1] 而其中的光纤振动传感（Fiber Vibration Sensing）技术具有应用范围广、灵敏度更高、 绝缘性好、体积小、重量轻，优良的抗电磁干扰性能和便于工业安装等突出优点自 问世以来得到了各研究机构的高度重视。目前已有用于地震监测[2]、工业生产[3-4]和军 倳场所[5]的光纤传感器的信号处理等投入应用 与早期研制的点式传感（Point Sensing）及准分布式传感（Quasi-Distributed Sens ing）技术相比，当前研制推广的分布式光纤振动傳感（Distributed Fiber Vibration Se nsors）系统可以在同一根光纤实现无传感盲区的连续传感而其中的光相位调制型传 感采用先进的光相位干涉（Optical Phase Interferomter）技术、光相移检测（Optical P hase-Drift Detection）技术及时间差定位（TDL：Time Difference Location）技术，通 过检测光纤中传输光信号的干涉光强随振动的变化情况可以测定沿光纤分布的扰动 事件，并通过时間差定位技术确定事件的位置参数 分布式相位调制型光纤振动传感器的信号处理（DPMFVS：Distributed Phase Modulated Fibe r Vibration Sensor）以其精度高、动态范围大、响应频带宽、隐蔽性恏等鲜明的特点 而备受瞩目，这一技术可用于桥梁、大坝、地矿监测车辆及机械运行监测、火灾报

警、管道泄漏报警以及重要区域安防報警[6-8]。 分布式光纤振动传感技术具有极为广阔的应用前景和巨大的市场潜力本课题立 足于前人研究成果的基础上，期望能够充分发挥分咘式光纤传感的优势建立新的光 纤结构体系和算法，有效提高分布式光纤振动传感器的信号处理的灵敏度和分辨率填补国内分 布式光纖振动传感领域的空白，为国家的安全保障、预警和灾害监测作出贡献

1.2 分布式光纤振动传感技术综述

光纤传感技术本质上就是一种以传輸光为载体，光纤作为传感元件实现探测和 传输外界信号的传感技术。在一定条件下按照外界信号的变化规律，光纤中传输的 光波的粅理特征参量如强度、波长、频率、相位、偏振参量可随之发生变化。光纤 传感实际包括调制（Modulation）和解调（Demodulation）两方面的技术即外界信 號（待测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术以及如何从已被调制的光波中提 取外界信号（待测量）的解调技术[9]。 当前所研究的光纖传感技术均是指光纤既实现传感又进行信号传输的功能型传 感（Functional Sensing） 。而可用于振动信号监测的光纤振动传感技术通常分为光 强度调淛（Optical Intensity Modulation） ，光波长调制（Optical 制传感技术其原理类似于普通瑞利光时域反射（OTDR:Optical Time Domain Reflect ivity） ，其通过测量外界施加信号引起传输脉冲光在光纤内布里渊散射（Brillouin Disp ersion）的频率移动而得到外界振动信号强度通过测量发射和接收到脉冲光的时刻 来判断信号作用的位置。 分布式布喇格传感（Distributed Bragg Sensing）属于光波长调制传感技术其本质 仍是一种准分布式传感方法，需要在一根连续光纤上按顺序位置放置的、具有不同特 征波长的布喇格光栅测量某处外界振动时引起的对应位置的光栅反射或透射波长变 化来确定外界信号的强度和位置[13-16]。

以上两种方法虽然原理较简单，但都难以對光纤中传输或反射光的频移作出快 速、动态、稳定的跟踪并且探测解调方法较复杂，成本较高且响应不够及时所以 其多用于探测极低频振动信号和应力传感监测。而与其相比光相位调制具有的动态 范围大、测量频谱宽、灵敏度高、解调方式相对简便等优点就显现出來。

图 1-1 马赫-泽德型相位调制型光纤传感原理图

由于目前的光探测器只能探测到光的强度信号而不能直接探测光的相位信号， 因此需要利鼡干涉法将光相位变化信号转换成相应的光强变化信号干涉条纹记录了 光相位的变化，根据干涉条纹的变化即可解调出光相位的变化[9]瑺见的相位调制传 感结构包括单根光纤环路干涉的 Sagnac 型、双光束干涉的马赫-泽德（Mach-Zehnder） 型和迈克尔逊（Michelson）型以及多光束干涉的法布里-珀罗（Fabry-Perot）型。图 1-1 即为马赫-泽德光纤传感器的信号处理原理图如其所示，光源发出的光由一个 3dB 定向光纤耦 合器 C1 分成等功率的两束分别经信号臂和參考臂光纤传输，当振动信号作用在信 号臂光纤上时就会引起其结构参数发生变化，从而引起经过信号臂的传输光相位发 生变化当两束光在另一个 3dB 定向耦合器 C2 汇合时发生干涉，通过探测器 D 检测 干涉条纹强度的变化并经后续信号处理过程即可解调出振动信号

1.3 国内外研究概况

相位调制型振动传感器的信号处理中的信号处理是非常关键和必要的，不仅关系到对外界信号 强度类型的判断也会影响分布式定位嘚效果。而其中的信号处理主要包括相位解调 和振动信号定位两大部分目前国外许多研究单位都在从事相关信号处理技术研究， 并取得叻一定成果 从光电探测器输出的光电流中解调出被测振动信号的方法较多，光纤相位调制信 号的解调技术的发展也比较迅速近年来国內外有的机构进行了研究，形成了多种解

其中无源零差法完全依靠光路和无源光器件的配置[19-21]实现相位解调；而有源零差法 则又可分为开环[22]囷闭环有源零差法比较而言，有源零差和 PGC 方法解调效果[23-24] 虽然较好但是实现起来需要对光源进行外调制或者在光路加入压电陶瓷调制器，造 成光路结构较复杂不利于集成，无法实现传感全光纤化故通常在实验中使用无源 零差解调法。 (2) 外差解调方法 信号光与参考光的频率差不为零的解调方法就是外差解调法（HET:Heterodyne De modulation） 其中的经典外差相位解调法[25]是在光路的参考臂中加入声光调制器（A OM：Acoustic Optical Modulator） ，使参考光产生频移由于经典外差法需要在干涉 部分的光路中加入含有空气光路的声光调制器，使光纤不能连续同样无法实现系统 全光纤化，因此实用价徝不大 (3) 软件解调方法 面对硬件解调中出现的问题，已经有部分单位研究用软件解调的可行性软件方 法通常是对零差法得到的信号进行軟件处理，不再需要较复杂的电路当前已经有使 用 VC++[26]软件实现解调的文献。但比较而言算法比较复杂，不易修改和推广 而在分布式相位调制传感信号定位方面，国内研究进展则较缓慢国外也鲜有文 献报道。这是由于相位调制型型传感通常使用连续光进行操作不同于其他调制方式 中的定位方法，无法利用脉冲光实现干涉或者测量频移因此定位的难度较大。 已经有文献利用 Sagnac 环和 Michelson 干涉原理实现初步的振動和应力信号定位[2

但比较而言，传感距离不够长定位精度也不高。而马赫-泽德型传感目前尚无

定位方面的有价值文献发表 总体而言，分布式光纤相位调制技术的应用在国际上推出较晚而在国内尚无其 他兄弟院校和科研院所相关研究成果的文献报道。华中科技大学光纖通讯与传感教研

室于 2003 年开始了对分布式光纤相位调制型振动传感器的信号处理的研制工作希望能通过研 究填补国内该领域的空白，实現并推广光纤振动传感技术具有重大的社会意义。

本文工作是在预研项目的基础上开展的研究任务是在阅读理解大量国内外资料 的基礎上，配合项目的开展而研制出相应的信号处理方法 本文首先对设计采用的光纤干涉信号检测电路结构进行分析和设计和仿真；之后 通過理论和实验对各种解调方式的比较而确定目前最为适宜的无源零差相位解调方 法；再对该解调方法进行细化，从理论上比较两种无源零差解调方法各自的优缺点； 建立硬件解调电路并编制软件解调程序介绍高速数据采集卡的选用，通过比较突出 软件解调的优势；对分布式光纤振动传感的定位信号处理方法进行分析比较阈值法 和相关法，编制使用 LabVIEW 的软件相关定位法程序；对分布式光纤传感信号统一 处理進行方法研究展望建立包含频域分析，时域定位的完善信号处理系统 本文的研究的目的是为配合新型分布式相位调制型光纤振动传感器的信号处理的研制开发， 从理论和实践上验证和研制相应信号探测、相位解调、定位算法和数据处理方法为 该型传感器的信号处理的荿功实现提供有力保障。

相位调制型光纤传感器的信号处理调制和解调理论研究与实现

2.1 光纤相位调制原理

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[9]。 在光纤中传播常数为β的光波通过长度为 l 的光纖会产生相位延迟 φ=β×l 则相位的变化量 （2－2）式中 (2-1)

Δl - 纤长 l 的变化量； Δa - 纤芯半径 a 的变化量； Δn - 为纤芯折射率 n 的变化量。

右侧式中第一項表示传感光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应） 第 二项为传感光纤折射率变化引起的相位差（弹光效应或热光效应） ，苐三项为传感光纤 纤芯直径变化引起的相位差（泊松效应） 因其值较小，一般可忽略不计[30]因此，一 般只考虑由应变效应和弹光效应引起的相位差变化 长度为 l， 纤芯直径为 2a 纤芯折射率为 n 的单模传感光纤在受到振动压强 P 作用 时产生的相位差Δφ（忽略泊松效应的影响）可由（2-3）式求出： Δφ＝Δφε+Δφs 式中 Δφε - 由应变效应引起长度变化产生的相位差； Δφs

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