抗干擾的光纖光柵邊緣濾波解調(diào)技術(shù)研究

唐 軒，張東生

(武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070)

隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)越來(lái)越引起人們的興趣。其中，光纖光柵邊緣濾波解調(diào)法能夠解決高頻率下波長(zhǎng)解調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，但邊緣濾波解調(diào)法受外界干擾非常嚴(yán)重［1］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)消除外界噪聲干擾展開(kāi)了廣泛的研究。SERGE等使用將測(cè)量光柵信號(hào)與參考信號(hào)相除的方法來(lái)解決光源與光纖傳輸線的干擾問(wèn)題［2］。CHUANG等提出增加幾路邊緣濾波的光路取平均的方法來(lái)消除干擾［3］。胡勇勤在水聲信號(hào)檢測(cè)中，將邊緣濾波后的數(shù)據(jù)與未經(jīng)濾波的數(shù)據(jù)相除，相除后的數(shù)據(jù)分為兩路，一路經(jīng)過(guò)低通濾波反饋控制邊緣濾波器實(shí)現(xiàn)濾波功能，另一路經(jīng)過(guò)高通濾波后輸出作為最終數(shù)據(jù)，同樣可以達(dá)到消除噪聲干擾的目的［4］。此外該實(shí)驗(yàn)室也在稱重傳感器中運(yùn)用啁啾光纖光柵邊緣濾波法提高測(cè)量精度［5］。但這些方法都存在各自的缺陷。由于相除法在光電接收處仍然使用雙光功率計(jì)，而每個(gè)光功率計(jì)的噪聲有其隨機(jī)性，因此光功率計(jì)帶來(lái)的噪聲干擾無(wú)法消除。平均法系統(tǒng)構(gòu)造比較復(fù)雜，每條光路引入了較多的儀器，考慮到每個(gè)儀器會(huì)帶來(lái)未知的干擾影響，也無(wú)法滿足有效消除干擾的需要。

筆者提出了一個(gè)基于光開(kāi)關(guān)的光纖光柵邊緣濾波解調(diào)技術(shù)。該方法利用光開(kāi)關(guān)將未經(jīng)濾波的光波與經(jīng)過(guò)濾波后的光波耦合為一路，在光電轉(zhuǎn)換處只用到單個(gè)光功率計(jì)，則光功率計(jì)的噪聲干擾可以被消除。

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1為光纖光柵邊緣濾波解調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。光通過(guò)耦合器1照在傳感啁啾光纖光柵CFBG1上，滿足反射要求的光被反射，再由耦合器1傳輸至耦合器2上，并由耦合器2分為兩路，一路光直接傳輸至光開(kāi)關(guān)，一路光照在匹配光柵CFBG2上，經(jīng)由匹配光柵CFBG2透射濾波后傳輸至光開(kāi)關(guān)。此時(shí)，光開(kāi)關(guān)起到時(shí)分復(fù)用的作用。光開(kāi)關(guān)按照驅(qū)動(dòng)提供的一定頻率工作，在一個(gè)周期內(nèi)前半周期一光路導(dǎo)通，后半周期另一光路導(dǎo)通。光開(kāi)關(guān)再將整合后的光傳輸出去，最后由光功率計(jì)采集卡接收，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，按照驅(qū)動(dòng)頻率分離信號(hào)，并相除，得到結(jié)果為V=V1/V2。這里，雖然光開(kāi)關(guān)采集到的數(shù)據(jù)來(lái)自不同時(shí)段，但是考慮到噪聲影響為漸變漂移噪聲和其他高頻隨機(jī)噪聲，前者為低頻噪聲，幅度較大，對(duì)數(shù)據(jù)影響極為嚴(yán)重;后者為高頻噪聲，幅度較小，對(duì)數(shù)據(jù)影響不大。因此，當(dāng)光開(kāi)關(guān)選擇時(shí)間極短時(shí)，將相鄰兩個(gè)時(shí)間段的光波相除，可以有效地消除對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)影響較大的低頻噪聲。

圖1 光纖光柵邊緣濾波解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 實(shí)驗(yàn)研究

懸臂梁重力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由光源、耦合器、光纖光柵、懸臂梁、光功率計(jì)、光開(kāi)關(guān)、NI數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)組成。其中，所用光源為L(zhǎng)ED光源，光纖光柵為一對(duì)匹配的啁啾光纖光柵，傳感光柵CFBG1用于測(cè)量，用膠粘劑將其固定在懸臂梁上，匹配光柵CFBG2用于濾波，并使這對(duì)CFBG工作在相同環(huán)境下，光電轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)室自行研制，響應(yīng)度為8.5 A/W，光開(kāi)關(guān)為機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)換速度小于10 ms，NI數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為USB-6251，采集頻率為1 kHz。主要工作流程為:當(dāng)懸臂梁右端懸掛重物時(shí)，懸臂梁發(fā)生彎曲形變，傳感光柵CFBG1將感測(cè)到的光信號(hào)傳輸至匹配光柵CFBG2，反射光經(jīng)過(guò)濾波后再傳輸至光功率計(jì)，以電壓形式傳輸至采集卡。NI數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集，并將采集到的電壓信號(hào)通過(guò)USB接口接入PC機(jī)，在PC中用Labview編寫(xiě)懸臂梁重力測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

圖2 懸臂梁重力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

圖3為啁啾光纖光柵反射透射譜，其橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)λ，縱坐標(biāo)為反射光譜峰值Im。在懸臂梁右端加載不同質(zhì)量的重物，會(huì)導(dǎo)致傳感光柵CFBG1反射譜發(fā)生變化，如圖3實(shí)線所示，陰影部分為初始狀態(tài)下(F=0)傳感光柵CFBG1反射光經(jīng)過(guò)匹配光柵CFBG2透射濾波后的光譜。當(dāng)?shù)葟?qiáng)度梁受到應(yīng)力F，其上表面受到拉應(yīng)力的作用，傳感光柵CFBG1反射譜向長(zhǎng)波方向漂移Δλ，匹配光柵CFBG2的透射譜位置不變，如圖3虛線所示。陰影部分和右邊虛線的部分皆為傳感光柵CFBG1反射光經(jīng)過(guò)匹配光柵CFBG2透射濾波后的光譜。這樣光電轉(zhuǎn)換器中接收到的光強(qiáng)則增大。

圖3 啁啾光纖光柵反射透射譜

實(shí)驗(yàn)中采用3種方法測(cè)量光強(qiáng)變化:①光纖光柵邊緣濾波法的最基本形式。LED發(fā)射出的光由傳感光柵CFBG1反射后，傳輸至匹配光柵CFBG2透射濾波，不加任何參考光路，濾波后的光直接傳輸至光功率計(jì)，NI數(shù)據(jù)采集卡采集光功率計(jì)輸出的電壓值U，經(jīng)USB接口將數(shù)據(jù)傳輸并保存在計(jì)算機(jī)內(nèi);②雙光功率計(jì)接收相除法。參照DAVIS等利用波分耦合器測(cè)量光纖光柵的波長(zhǎng)變化的方法［6］，將傳感光柵CFBG1反射后的光由耦合器分為兩路，令其中傳感光柵CFBG1反射后的光路為參考光路，以另一路即傳感光柵CFBG1反射光經(jīng)匹配光柵CFBG2透射濾波后的光路為匹配濾波光路，兩路信號(hào)分別使用一個(gè)光功率計(jì)接收。通過(guò)Labview編寫(xiě)的雙通道采集程序，驅(qū)動(dòng)NI數(shù)據(jù)采集卡采集兩路光功率計(jì)輸出的電壓值U1，U2，將采集到的兩路數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)中并計(jì)算U=U1/U2，最后得到的U即為波長(zhǎng)變化量對(duì)應(yīng)電壓值;③單光功率計(jì)接收法。同樣，將傳感光柵CFBG1反射后的光由耦合器分為兩路，令其中傳感光柵CFBG1反射后的光路為參考光路，令另一路即傳感光柵CFBG1反射光經(jīng)匹配光柵CFBG2透射濾波后的光路為匹配濾波光路，將這兩路光傳輸至光開(kāi)關(guān)，并按一定頻率耦合為一路光輸出，如圖1所示。耦合頻率f由計(jì)算機(jī)設(shè)定，通過(guò)控制繼電器的開(kāi)關(guān)頻率從而控制光開(kāi)關(guān)的工作頻率。輸出光由單光功率計(jì)接收并由NI數(shù)據(jù)采集卡采集得到電壓值U0。數(shù)據(jù)由USB接口傳輸給計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中經(jīng)由Labview編程處理數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)U0按照耦合頻率f分離為兩路，一路為傳感光柵CFBG1反射光經(jīng)匹配光柵CFBG2濾波后對(duì)應(yīng)電壓值U1，一路為傳感光柵CFBG1反射光對(duì)應(yīng)電壓值U2。再計(jì)算U=U1/U2，即為波長(zhǎng)變化量對(duì)應(yīng)電壓值。

在相同環(huán)境下，3種解調(diào)系統(tǒng)分別做了多次實(shí)驗(yàn)。比較3種系統(tǒng)多次實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)，分析其重復(fù)性。第1種方法LED發(fā)射出的光由傳感光柵CFBG1反射后，經(jīng)匹配光柵CFBG2透射濾波，記錄由光功率計(jì)直接接收的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)電壓值U，如圖4所示，可知實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2與實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4的數(shù)據(jù)相差比較大;第2種方法雙光功率計(jì)分別接收參考光路與匹配濾波光路，兩路光功率計(jì)輸出的電壓值分別為U1，U2，將采集到的兩路數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)中計(jì)算并記錄U=U1/U2，如圖5所示。由于雙光功率計(jì)的各自噪聲的隨機(jī)性，實(shí)驗(yàn)2與其他3個(gè)實(shí)驗(yàn)的差距較大;第3種方法單光功率計(jì)接收光開(kāi)關(guān)耦合后的光，并由NI數(shù)據(jù)采集卡采集得到電壓值U0，再由Labview編程處理，將接收到的數(shù)據(jù)U0按照耦合頻率f分離為兩路，一路為傳感光柵CFBG1反射光經(jīng)匹配光柵CFBG2濾波后對(duì)應(yīng)的電壓值U1，一路為傳感光柵CFBG1反射光對(duì)應(yīng)的電壓值U2。再計(jì)算并記錄U=U1/U2，如圖6所示。4個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。

圖4 第1種方法接收的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)電壓值

圖5 第2種方法接收的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)電壓值

圖6 第3種方法接收的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)電壓值

為了驗(yàn)證光開(kāi)關(guān)的光纖光柵邊緣濾波解調(diào)方法［7-8］的抗干擾能力，對(duì)傳感光柵CFBG1處的光纖傳輸線人為地進(jìn)行干擾，結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為受到光纖傳輸線噪聲干擾后，經(jīng)過(guò)濾波的數(shù)據(jù)，有5 mV的噪聲，圖7(b)為受到同樣光纖傳輸線噪聲干擾后，經(jīng)過(guò)濾波的數(shù)據(jù)與未經(jīng)過(guò)濾波的數(shù)據(jù)相除后的數(shù)據(jù)，基本是一條直線，波動(dòng)在2 mV以內(nèi)。證明系統(tǒng)能夠有效地消除外界干擾。

圖7 解調(diào)系統(tǒng)受到光纖傳輸線噪聲干擾后數(shù)據(jù)曲線比較界面圖

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，在光纖光柵邊緣濾波解調(diào)系統(tǒng)中，使用光開(kāi)關(guān)相除后，噪聲降低在2 mV以內(nèi)，能消除光纖傳輸線路帶來(lái)的噪聲干擾［9-10］。在等強(qiáng)度懸臂梁重力測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，第1種方法未使用光開(kāi)關(guān)與參考光路，反射光經(jīng)過(guò)濾波后直接由光功率計(jì)接收，幾次實(shí)驗(yàn)后得到數(shù)據(jù)均值擬合方程為y=0.2x+516.8，偏差最大值為2.85 mV。第2種方法未使用光開(kāi)關(guān)，使用雙光功率計(jì)接收匹配濾波信號(hào)與參考信號(hào)相除所得數(shù)據(jù)，幾次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均值擬合方程為y=0.2x+875.2，偏差最大值為32.10 mV。第3種方法使用光開(kāi)關(guān)將匹配濾波信號(hào)與參考信號(hào)耦合為一路，用單光功率計(jì)接收并相除所得數(shù)據(jù)，幾次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均值擬合方程為y=0.2x+542.4，偏差最大值為2.59 mV。因此，使用光開(kāi)關(guān)的第3種方法重復(fù)性最好，即抗干擾能力最好。

3 結(jié)論

根據(jù)光纖光柵邊緣濾波解調(diào)原理，針對(duì)外界對(duì)解調(diào)系統(tǒng)的噪聲干擾來(lái)源，將光開(kāi)關(guān)應(yīng)用于邊緣濾波解調(diào)系統(tǒng)中，消除了光源、光纖傳輸線，以及光功率計(jì)對(duì)解調(diào)系統(tǒng)的噪聲干擾。實(shí)驗(yàn)證明，該解調(diào)系統(tǒng)噪聲可控制在2 mV以內(nèi)，在懸臂梁重力測(cè)試中，擬合度為0.9999，且重復(fù)性較好。同時(shí)，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果顯著，有著較好的實(shí)用價(jià)值。

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