基於3×3對稱耦合器的Labview軟體解調方案

基於3×3對稱耦合器的Labview軟體解調方案

何毅,劉德明,孫琪 發表於 2020-11-17 10:35:59

隨著對光纖性質研究的逐步深入，發現外界信號可對光纖中傳播的光波進行調製，由此誕生了光纖傳感技術1目前光纖傳感器已經廣泛應用於許多領域， 在地震檢測、溫度報警等方面廣泛應用。各種類型的光纖傳感器各有其顯著的特點。光相位調製型傳感器因其靈敏度高、便於實現全光纖傳感等優點而在近年來得到了深入的研究。

1　相位調製型傳感器調製基本原理與幹涉解調結構

相位調製是指當傳感光纖受到外界機械或溫度場的作用時，外界信號通過光纖的力應變效應、熱應變效應、彈光效應及熱光效應使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數發生變化，從而導致光纖中的光相位變化，以實現對光相位的調製。在光纖中傳播常數為的光波通過長度為l的光纖， 會產生相位延遲：

則

式（2）中Δl為纖長l的變化;Δα為纖芯半徑α的變化;Δn為纖芯折射率n的變化;所得即為光相位的變化。

圖1　基於2 ×2和3 ×3耦合器的馬赫—澤德（Mach - Zehnder）幹涉儀

圖1為基於2 ×2和3 ×3耦合器的馬赫—澤德（Mach - Zehnder）幹涉儀。其中雷射器發出的相干光經3dB耦合器C1分成光強比1∶1的兩束光分別進入信號臂和參考臂光纖，再經3×3對稱耦合器C2匯合相干形成調製的幹涉條紋，在終端採用光電探測器D檢測幹涉光強的變化，在光纖參量基本恆定的條件下，信號臂與參考臂之間的位相差變化正比於外界信號。

由於目前的光探測器不能直接探測或讀出光的相位差值，故通常採用幹涉法將光的相位差信號轉換成為相應的幹涉條紋光強變化1由光束幹涉原理可知，幹涉儀產生的幹涉光強I可記為：

式（3）中I0 為幹涉場的固定直流分量， K0 為幹涉引起的變化峰值（幅度） ， p （ t）為外界信號的作用規律，而Φ則為光纖幹涉臂不等長引起的固定相位差（通常計入p（ t）中） 。

幹涉過程是一種非線性調諧作用，因此隨著信號峰值及頻率的不同幹涉波形會產生很大的變化。圖2給出了信號p（ t） = p0 ×sin （wt） （其中p0 為信號振幅， w為信號頻率）時幹涉波形隨信號振幅的變化情況。

圖2　原始信號與不同幅度調製信號比較圖

由圖2可見，和原信號（曲線a）相比，原信號幅度較小（曲線b和c）時，波形失真不大;而原信號幅度較大（曲線d）時，波形失真非常明顯1因此在大信號情況下必須對輸出的幹涉信號進行解調才能恢復原始信號的頻率和振幅。

2　當前使用的軟硬體解調技術

解調不僅是將相位差變化轉化為幹涉條紋變化，其最終目的是從式（3）中解出原信號p（ t） 。解調技術是實現信號恢復的惟一方法，也是相位調製型傳感應用的關鍵和難點目前國內外的解調提取信號方法主要分為硬體和軟體兩大類。

2. 1　硬體解調提取信號方法特點

硬體解調提取信號方法主要是指完全依靠對電路和光路的設置或調製來實現相位解調的方法1按照信號光和參考光頻率差是否為零，將解調分為零差解調和外差解調方法。為了實現全光纖化檢測以及解決相移和振幅失配可能導致檢測閾值降低的問題，目前通常採用零差解調方法。當前比較成熟的解調技術，除無源零差解調法之外，還廣泛採用交流相位跟蹤零差法（ PTAC）和相位載波零差法（ PGC）等有源零差解調法。比較而言，硬體解調的結構比較複雜，系統製造周期長，成本較高。

2. 2　軟體解調提取信號方法特點

軟體解調提取信號方法是指部分依靠PC機和軟體實現解調的方法，其基本原理與硬體解調相同。除去光電探測轉換部分採用的電路和光路之外，信號的處理由微機實現1軟體方法省去了一般電路分析、製作、調試等步驟，不含有微分、相乘等易於引入噪聲的相關電路。目前已有採用Turbo C成功開發軟體解調系統的先例。和硬體相比，軟體解調更加靈活，成本較低，開發周期短，易於調試。

2. 3　Labview軟體的特點

Labview是美國NI公司開發的一種專門用於數據採集、分析與儀器控制的圖形化軟體1基於該軟體開發的虛擬儀器可通過軟體將計算機硬體資源與儀器硬體有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬體的測量，控制能力結合在一起1Labview具有革命性的圖形化開發環境，摒棄了傳統開發工具的複雜性，為用戶提供強大功能的同時還充分保證了系統靈活性。

3　實驗研究

3. 1　實驗系統原理

本系統使用3×3耦合器對稱無源零差方法對相位差進行解調。系統前端採用如圖1所示的3 ×3對稱無源零差解調結構。根據幹涉儀3×3耦合器3個相位輸出的互補對稱特性可知，從C2輸出的3路信號在理想分光比（ 1∶1∶1）的情況下，相位分別相差2π/3，即三端探測器（D0，D1，D2）組件輸出探測電壓：

式（4）中D為直流分量I0 轉換的電壓幅值， A 為K0 轉換的電壓幅值， m 為對應耦合器的探測器序號。

軟體解調流程如圖3所示：將3項Um 求和後除以3得到信號直流量D;從式（4）的3路Um中分別減去D，使其各自只餘下幹涉信號的變化量Xm;然後分別將Xm 對時間求導，得到dXm /dt;其後再將每一路信號Xm與另兩路信號求導差相乘;依此處理的3路信號乘積和即可消去式（ 4）餘弦，僅剩餘帶係數的導數dp（ t） /dt。考慮到此式係數中仍包含有條紋襯比度，故將Xm3路信號的平方和與其相除，再對結果求時間的積分，即可完整恢復原信號函數p（ t）。

圖3　軟體信號解調部分原理框圖

3. 2　實驗結果

根據上述軟體解調結構編寫Labview解調程序，實現幹涉信號的解調功能。實驗中對各種情況下原始信號的解調結果進行了模擬和對比。

3. 2. 1　普通正弦信號的解調

當原始信號為Pa （ t） = 3π ×sin （2πf t） ， f = 100 Hz時， p（ t）可視為理想的簡諧波1圖3中各節點a、b、c、d的波形如圖4所示。 由圖4各關鍵節點波形圖可見，軟體解調可探測到與硬體解調對應位置相同的波形，說明簡諧波Pa （ t）調製信號經過該程序後得到了正確恢復。

圖4a　單路經過微分處理信號波形

圖4b　單路平方波形

圖4c　一路信號與另兩路微分信號之差的乘積

圖4d　最終解調信號

圖4　信號為Pa（ t）=3π×sin（2πf t），f = 100 Hz時解調過程中各節點波形

3. 2. 2　疊加諧波時信號的解調

考慮到實際信號的複雜諧波構成，必須考慮解調程序在包含高次諧波時執行的情況1當原始信號為， Pc（t）=4π×sin （2πf t） +π×sin（12πf t） ， f=100 Hz時， 原始諧波信號與解調信號如圖5所示1由圖5可見，軟體解調可以恢復由諧波組成的原始波形。

圖5a　原始諧波信號

圖5b　解調諧波信號

圖5　原始信號為Pb （ t） = 4π×sin（2πf t） +π×sin （12πf t） ，f = 100Hz時解調圖

3. 2. 3　探測器響應不均衡時信號的解調

由於探測器的光電響應物理特性不盡相同，可能導致3個探測電壓（Um ）出現偏差。現假設3路探測電壓相差10%，當原始信號為Pc （ t） = 2π×sin （2πf t） ， f = 100 Hz時，解調信號波形如圖6所示。可見，當3路探測信號出現較小的不平衡時，解調軟體可以基本完整的恢復原始波形。

3. 2. 4　3 ×3耦合器各埠相位差偏離2π/3時信號的解調

實際光耦合器的光功率分配比不可能達到理想狀態，因此會導致相位差不準確1假設功率分配比不同導致相位差偏離2π/3達到10%即π/15，當原始信號為Pd（t） = 2π×sin （2πf t） ， f = 100Hz時，解調信號波形如圖7所示。從解調結果可知，較小的光功率分配不均衡對解調造成的影響可以忽略。

圖6　原信號為Pc（ t）且三路探測器響應度偏差10%時的解調波形

圖7　原信號為Pd（ t）且耦合器埠相位差偏離理想值10%時的解調波形

3. 2. 5　不同頻率信號的解調波形

考慮到信號頻率可能覆蓋較大的範圍，因此採用多種頻率的原始信號進行解調測試，結果如圖8所示。對於0～2KHz頻率範圍內的原始信號，這種軟體解調方法均能實現完整的解調恢復。

圖8a　f = 5Hz解調信號

圖8b　f = 100Hz解調信號

圖8c　f = 500Hz解調信號

圖8d　f = 2000Hz解調信號

圖8　不同頻率原始信號的解調波形

4　實驗結果分析

上試驗覆蓋了實際傳感系統中可能存在的非理想情況。從測試結果可以看出：在原始信號疊加有高次諧波、探測器響應度不均衡或耦合器相位差偏離標準值、原始信號頻率較高等各種條件下，採用這種軟體解調方法恢復的波形雖然出現了一定程度的噪聲和波形失真，但仍具有較高的信噪比和基本形狀，因此並不影響對原始信號的分析1總體而言，由Labview編制的基於3×3對稱耦合器的軟體解調方案可準確恢復中低頻的原始信號。

如果結合軟體的頻譜分析以及閾值報警等函數，還可以進行事件類型的判斷以及報警，從而具備一個監測系統的基本功能。利用Labview軟體解調，還能夠充分應用軟體的強大功能：可以靈活地實現量程自動匹配而實現波形的完整復現;可以根據需要加入濾波器濾除信號譜外和以及微分引起的高頻噪聲;可以將採集的數字波形任意處理而不必如電路一般考慮的阻抗匹配以及負載過多等多種因素，便於信號多次重複利用。

5　結論

與目前常用的軟體解調系統相比，使用Labview本身具有的多種信號數據處理模塊，使得開發專用的波形時域和頻域處理軟體更為準確，直觀，便捷。該系統不僅可以作為硬體解調系統的模擬仿真和有力補充，而且可以獨立有效的執行信號處理和解調的全部功能。

責任編輯：gt

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