PGC解调光纤传声器技术的讨论

　　1 引言

　　光纤传声器是将声波信号转换成调制的光学信号, 并通过光纤传输, 再将调制的光信号解调成电信号的一种装置。光纤传声器较之驻极体传声器、硅微电容传声器等有明显的优势: 由于在传感探头部分没有电信号的转换, 也没有电子电路, 因而不会受电磁信号的干扰, 可以工作在强电场、强磁场或强射频场环境中。

　　其中干涉型光纤传声器由于灵敏度高等优点已经成为光纤传声器研究的主要方向。相位载波(Phase Generated Carrier, PGC)调制解调技术是光纤传声器信号检测的方案之一, 本文通过对直接调制光源的PGC解调技术的原理和仿真分析, 说明其可行性, 并针对一些关键技术进行探讨。

　　2 直接调制光源的PGC解调方案

　　该光纤传声器的光路和PGC解调的方案如图1所示, 激光器发出的光源光频随输入的调制电流线性变化, 若采用i=i0cosω0t的调制信号来激励激光器, 输出光源的瞬时光频为:

　　其中Δν为最大调制电流i0时的频移[1]。

　　光纤探头采用自聚焦透镜与振动膜构成斐索谐振腔, 经振动膜反射的光束作为信号臂与经自聚焦透镜M1端面射的光束作为参考臂进行干涉, 干涉光经 3dB 的光电耦合器到达光电探测器, 设干涉仪两臂相位差为θ(t), 光电探测器输出的光强:

　　其中θ(t)=%(t)+ψs(t)+ψ0(t), %(t)=Ccosω0t 为调制光源产生的相位差, ψs(t) 为信号作用干涉仪产生的相位差, ψ0(t为外界环境影响和初始的相位差。PGC解调部分经高通滤波后所得解调结果为GHB2J1(C)J2(C)ψs(t)[2], 除去参数G、H、B、C的影响, 可以得到解调出的声信号ψs(t)。

　　3 基于Simulink的PGC关键参数分析

　　按照图1所示PGC原理进行Simulink 仿真,简单起见, 若只考虑单频的信号, ψs(t)=Dcosωst, 则光电检测器输出为:

　　3.1 对B、C值的选取

　　对C值的选取, 从解调效果上分析, 要使J1(C)J2(C)的一阶微分为零, 同时让J1(C)J2(C)达到最大值, 经计算C=2.37为最理想值。当C>π时, 可以由采样的一段数据得到B=(Imax-Imin)/2。C值与输入激光器的电流成正比关系, 因而可以调整输入电流值使C>π, 求出B, 然后再使C=2.37, 得到满意的解调结果。

　　3.2 对调制频率ω0、低通滤波器和所感应信号范围的要求

　　采用Simulink仿真的光电检测器的输出信号频谱图如图2所示, 其中ω0=5kHz, ωs=340Hz, 频谱中含有无穷多个所传感的单一频率信号的高次频率分量, 这些围绕着零频的各边频分量的幅值正比于Jk(D), 根据图3所示不同D值Jk(D)随阶数k变化的关系, 当边频小于零频信号的1%可以忽略, 为使解调结果不失真图1中低通滤波器的带宽应满足: