光纤干涉仪数字相位生成载波解调系统数据采集单元设计

　　1　引　言

　　基于光纤干涉仪的传感器件和测量系统具有极高的灵敏度和良好的动态响应特性,可以实现高精度大动态范围的信号检测[1],从20世纪80年代开始被广泛应用于国防、地质勘探等方面。美国海军实验室已经成功地实现了光纤干涉仪声传感阵列,并用于海上目标探测,Weatherford公司应用光纤干涉仪研发了井下垂直剖面解析(VSP)地震波采集系统,实现了地震数据采集。我国从20世纪90年代开始了这方面的研究,也取得了很大的进展[2~4],但是和国外相比,还存在相当大的差距,这种差距主要集中在解调系统的性能和光纤器件的性能上。光纤干涉仪的解调方法有很多种,包括外差法和零差法。外差法解调精度高,但是通常需要复杂的干涉仪系统结构,并且不利于复用;而零差法对应的干涉仪的探头相对简单,复用方便,其中基于相位生成载波(PGC)的方法,是零差法中研究最多,使用最广泛的方法之一。

　　传统的相位生成载波方法采用模拟电路实现,它的缺点是不能充分利用该方法在复用中的优势,系统性能受电阻电容特性参数的漂移的影响大,稳定性差,同时电路体积比较庞大,参数改动不方便,随着高速数字处理芯片(DSP)的应用,人们试图引入该数字信号处理技术来解决模拟电路的固有问题。

　　数字处理芯片技术具有稳定性好、体积小、改动灵活的特点,已经在很多领域逐步取代传统的模拟技术,将之用于光纤干涉仪的相位生成载波解调系统,是实现光纤干涉仪高精度大动态范围信号检测的最佳手段之一。用数字技术代替模拟技术,会引入很多新的问题,本文就是给出相位生成载波系统数据采集单元和光纤干涉仪参数之间的关系,为系统的最优化设计提供依据。

　　2　光纤干涉仪和相位生成载波解调原理

　　光纤干涉仪是应用光纤作为光传输媒介的一种干涉仪结构,由于光纤具有可绕性、易于耦合的特点,相比于传统的分离型干涉仪结构,可以大大减轻光学系统的调节难度,提高光学系统的稳定性,实现传感器件的小型化。图1给出一个迈克尔逊型光纤干涉仪的示意图。

　　基于图1所示的干涉仪的原理可以表述为[5]

　　式中I为干涉仪输出信号,I1,I2为干涉仪两臂单独存在时的信号,为干涉仪两臂光波光程差,λ,n,l分别为光波波长、光学介质折射率、干涉仪两臂长度差,S为待测信号,N为相位噪声。

　　用这种干涉仪结构构成的光纤传感器,当被测信号作用于光纤干涉仪信号臂时,由于信号臂和参考臂对待测信号敏感程度差异很大,两臂光程差变化不一致,因此形成光程差Δ(nl),进而形成相位差的变化为Δ=2πΔ(nl)/λ,由于光波波长为微米量级,所以非常小的Δ(nl)就可以产生非常大的Δ。