【期刊名称】《激光技术》
【年(卷),期】我形我速52016(040)001
【总页数】4页(P64-67)
【关键词】传感器技术;3×3耦合器;相位差;解调;光纤;声音传感器
【作 者】吴锋;吴柏昆;余文志;钱银博;何岩爱的旅程全文阅读
【作者单位】华中科技大学光学与电子信息学院,武汉430074;华中科技大学光学与电子信息学院,武汉430074;华中科技大学光学与电子信息学院,武汉430074;华中科技大学光学与电子信息学院,武汉430074;烽火通信科技股份有限公司,武汉430074
【正文语种】中 文
【中图分类】TP212.4+4
*通讯联系人。E-mail:******************
浦东国际机场航站楼光纤传感是20世纪70年代中期随着光纤技术不断发展进步而应运而生的一门技术，光纤传感器在电流、电磁、气体、温度、加速度、光纤陀螺等测量场合有着广泛的应用[1-2]。光纤声音传感器与其它声音传感器相比，具有抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、可利用信号远距离传输等独特优势，可以运用到某些特定需求的场合。干涉型光纤传感器以高灵敏度、结构简单等引起了人们的重视, 但是在实际工程应用中, 如何快速准确地提取出相位信息成为一个制约其快速发展的重要因素，本文中设计并制作了一种基于3×3耦合器相位解调方法[3]与迈克尔逊干涉仪原理结合的光纤声音传感器系统，它结合收音盘片换能结构，实现对声音信号的高准确度测量还原，该方法系统结构简单、原理方便易行、可操作性强，经过实验室的测试，可以有效还原出初始声音信号。
光纤耦合器是一种常见的无源光器件，在光通信与光纤传感中有着广泛的应用，其作用是
将光信号在耦合区内进行耦合并功率分配。利用3×3光纤耦合器相位解调方法可以实现干涉型光纤传感器的无源零差相位解调，其原理如下：在光纤干涉解调系统中，3×3耦合器相位解调方法可以构建3路相位差为120°的待解调光信号，利用硬件电路处理运算可以解调出需要的待测信号[4]。3×3耦合器相位解调方法相对于其它的相位解调技术的优点有：不需要任何调制器件;解调信号动态范围大;可实现全光纤传感;在多路复用光纤传感系统中有良好的应用前景。3×3光纤耦合器相位解调系统中光纤光声音传感器(fiber optical sound sensor,FOSS)部分如图1所示。
由图1可知,光电二极管PIN1接收的光信号相比PIN2和PIN3多经过一个2×2的耦合器，其光功率应该是PIN2和PIN3的一半，在实际试验中，光电接收电路采用合适的放大倍数的跨阻放大电路，通过光电接收电路的“光-电流-电压”转换后，可以得到近乎幅值相等的3路待解调电压信号，3路待解调电压信号可为：
式中，I为3路输出信号强度,A和B为光强系数，其中n=1,2,3，φ(t)=φ(t)-ψ(t)，φ(t)为传感的声音信号，ψ(t)为环境变化等产生的相位误差。将3路信号之和乘以-1/3，再与每一路I分别相加去掉信号直流分量，可得：
将3路去直流信号的每一路都与另外两路微分后的差值相乘，可以得到：
把d，e，f 3路信号相加可得:
由于(4)式中依然有不确定因子B，可以构建3路去直流信号的平方和:长春理工大学bbs
从而去掉B值的影响,最后对P进行积分就可以得到待解调信号。环境变化等产生的相位误差一般为缓慢变化量，通过设定好相关参量的高通滤波器可以将其滤除[5]，从而最终得到完整解调的声音信号。
光纤空气声传收音装置是利用声源通过空气传播声波到收音弹性膜片上，弹性膜片在声压的作用下发生弹性形变，进而在膜片表面上形成相应的应力应变。将Michelson干涉仪信号臂S的光纤(见图2a)绕圈粘结缠绕于收音弹性膜片上，同时对参考臂R进行消敏处理。由激光器光源发出的光分别经过两个干涉臂，膜片的应力变化使得光纤干涉仪信号臂的长度和折射率发生变化，从而导致干涉光的相位发生变化，最终表现为干涉光强度发生变化[6-7]。
收音装置如图2b所示，光纤粘结缠绕在用于专用于音响设备上的聚丙烯盆构造的整个收音
弹性膜片上，利用隔音棉包裹参考臂光纤减小声音信号对参考臂的影响，采用金属材料作为传感器机箱使传感器能够适应较为恶劣电磁的工作环境。
光纤传感器中偏振状态对系统的影响非常大，在实际工程运用中，作者使用法拉第旋光镜(Faraday rotator mirror,FRM)法来抑制偏振诱导信号衰落[8-9]，FRM法消除偏振衰落效果技术是在普通单模迈克尔逊干涉仪两臂各加一个FRM，当其旋转角度为45°时，使得反射光的偏振状态变化正好抵消入射光的偏振态变化，干涉仪的可见度保持为1。这种方法结构相对简单、成本也较低，且可以得到良好的抗偏振衰落效果[10]。
3×3耦合器相位解调光纤声音传感器探测的3路信号可以通过基于数字信号处理器(digital signal processing,DSP)或现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)等硬件构成的电路解调出原始声音信号[11]，但是为了可以对整个系统更方便直观地分析，本系统中采用了数据采集卡和MATLAB的软硬件结合解调解决方法[12]。
语音信号的频率一般在300Hz～4000Hz范围内，测试时使用语音信号频率范围内的正弦波信号驱动音响，设定数据采集卡采样频率为150kHz，满足奈奎斯特定律，将探测到的3路待解调信号数据读入电脑通过MATLAB处理。为了说明系统工作原理，分析误差对系统的
影响等，对1000Hz频率信号情况进行了取例分析，根据3×3耦合器相位解调方式原理，3路探测光电信号V1,V2和V3中任意两组信号应该有标准120°的相位差，以这两组信号分别为x,y坐标轴可以构建椭圆图表，即两组信号的李萨如图形，如图3所示。
由于受激光器光源功率变化、环境噪声影响、光电转化电路增益起伏、电路噪声及光器件的偏振相关性的影响[13],(1)式中各项系数会在小范围内随时间变化，这导致了如图3所示的相互关系椭圆图形呈现出一定的厚度，而非表现为一个单一细曲线的椭圆。对用实验数据所做椭圆图形进行最小二乘法数学拟合，可以得到相关拟合后椭圆参量，对比由表达式推出的参量方程，可以求出3路输出信号之间的平均相位差[14]分别为：117.93°，120.21°，121.85°，由系统原理可知,3×3耦合器相位解调方法依赖于耦合器的特性在理想情况下输出3路光功率1∶1∶1, 相位相差120°，但事实上，由于耦合器制作工艺的问题以及光在传播过程中带来的偏振衰落和光强损耗等并不能保证耦合器3路输出的光信号分光比相等和相位差恒为120°，由参考文献可知，相位差误差在5%的小范围内并不影响解调信号波形的完整性与准确性，在较小的相位差误差范围情况下，整个3×3耦合器相位解调系统依然能够符合仿真结果正常工作。对于实际工程使用中3×3耦合器的光功率分配也并非完全相等，在小范围光功率分配不等情况下，可以使用合适的匹配跨阻放大，采用自动增益控
制系统(automatic gain control,AGC)、软件去直流后归一化等方法减小耦合器不理想等所造成的对解调声音信号的影响。
(1)式中3路信号因为实际工程应用中各种参量会出现不平衡的情况，为了模拟参量变化对解调结果的影响，由拟合算出的平均相位差和假设5%光功率误差设定仿真参量如下：
仿真时使用1000Hz正弦波作为声音信号对光纤声音传感器系统进行MATLAB仿真[15]，得到的仿真信号解调信号频谱和波形图如图4和图5所示。
仿真结果说明：环境噪声、器件干扰等造成的3路输出信号轻微不平衡并不影响3×3耦合器相位解调方法顺利解调出声音信号波形。
在实际系统测试中，采用器件型号参量如下：激光器的型号为TRDFB-1550-PIA-FCAPC,生产厂商为成都天润光电，输出波长为1550nm，PIN光电二极管型号为PDCS985-APH,生产商为武汉电信器件有限公司，其1550nm响应度为0.94A/W。选定较普通安静的工作测试环境，根据(1)式～(5)式编写解调软件程序，通过软件解调[12]，对于低频环境变化产生的相位误差可以通过设定合适的截止频率的高通滤波器滤除，最终可得到如图6和图7所示频率为1000Hz的解调信号频率谱及波形曲线。
比较仿真结果与实际测试结果可知，在3路探测信号两两相位差在120°左右较小范围内变化、直流项或者干涉条纹可见度在小范围波动情况下，3×3耦合器解调方法依然能够相对有效地解调出1000Hz声音信号波形，说明3×3耦合器解调方法对光电器件、电路等的性能要求相对不是很严苛，比较容易达到工程实用应用要求，可以适用于某些特定需求环境。
研究制作了一种基于结合3×3耦合器相位解调方法与Michelson干涉仪的光纤声音传感器，利用最小二乘法拟合算出耦合器3路输出信号相位差分别为117.93°，120.21°，121.85°，和理论相位差120°偏差在很小范围内，采用自动功率控制和软件数据去直流归一化等方法减小了耦合器实际输出光功率分光比不同的影响。在实际测试中,采用了300Hz～3000Hz正弦波声音信号驱动音响，通过一系列软硬件解调能够还原声音正弦波信号波形，对1000Hz频率信号情况进行了取例分析，并将实际实验数据和波形与MATLAB模型仿真进行了对照，环境实验信号的频谱与波形与仿真相匹配，通过实验数据分析证明，光纤声音传感系统能够完整还原设计带宽内的声音信号。该光纤声音传感器系统可以用于煤矿等电磁环境较为恶劣的场所。
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