摘要：多個(gè)光纖傳感器采用時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)構(gòu)成一個(gè)傳感器陣列，陣列采用光脈沖尋址方式實(shí)現(xiàn)每個(gè)光纖傳感器信號(hào)的分離。攜帶每個(gè)傳感器測(cè)量信號(hào)的光脈沖串經(jīng)由光電探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào)脈沖串。

本文介紹一個(gè)利用PCI9846H采集卡實(shí)現(xiàn)的時(shí)分復(fù)用光纖傳感器陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，利用PCI9846H采集卡的外部數(shù)字信號(hào)觸發(fā)功能和延時(shí)觸發(fā)模式實(shí)現(xiàn)對(duì)光電轉(zhuǎn)換后電脈沖信號(hào)的采集。完成采樣后，對(duì)各個(gè)傳感器信號(hào)按時(shí)延進(jìn)行分離、信號(hào)解調(diào)，并可對(duì)各個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

光纖傳感器技術(shù)近年來(lái)得到了迅速發(fā)展，光纖傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、易于復(fù)用、傳感與信號(hào)傳輸集于一體等優(yōu)點(diǎn)，在安全監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)、水聲探測(cè)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域日益得到廣泛應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多參數(shù)同時(shí)探測(cè)，滿足系統(tǒng)對(duì)探測(cè)范圍、距離、探測(cè)能力、降低成本等多方面的要求，多個(gè)光纖傳感器可通過(guò)時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用、頻分復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)在單根傳輸光纖內(nèi)傳輸多路傳感器信號(hào)，并且共用激光器、光電探測(cè)器和其他電子設(shè)備。在多個(gè)光纖傳感器信號(hào)的接收端，采取解復(fù)用技術(shù)恢復(fù)多路傳感器信號(hào)，為后續(xù)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供基礎(chǔ)。當(dāng)前，在高數(shù)據(jù)速率要求的光纖傳感器系統(tǒng)（如聲、振動(dòng)傳感系統(tǒng)）中，通過(guò)多種復(fù)用方式相結(jié)合，傳感器陣列復(fù)用度可以達(dá)到數(shù)十至數(shù)百；在低數(shù)據(jù)速率要求的光纖傳感器系統(tǒng)（如溫度、壓力傳感系統(tǒng)中），傳感器陣列復(fù)用度可以達(dá)到數(shù)百至數(shù)千。

在各種復(fù)用技術(shù)中，時(shí)分復(fù)用技術(shù)具有復(fù)用度高、不需要額外的光器件實(shí)現(xiàn)解復(fù)用的特點(diǎn)，近年來(lái)一直受到廣泛關(guān)注，已成為光纖傳感器陣列的主要復(fù)用方式。一個(gè)采用時(shí)分復(fù)用的光纖傳感器陣列，只需要1個(gè)激光器為其提供信號(hào)；陣列信號(hào)回傳后，只需1路光電轉(zhuǎn)換電路和采樣電路，實(shí)現(xiàn)陣列各個(gè)傳感器的信號(hào)提取。因此，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)可以大大減小光纖傳感器陣列的解調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜度、降低成本。在時(shí)分復(fù)用技術(shù)中，主要采用時(shí)延對(duì)準(zhǔn)同步采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)各傳感器信號(hào)的分離，即解時(shí)分復(fù)用。

由于時(shí)分復(fù)用光纖傳感器陣列的訪問(wèn)頻率、脈寬、延時(shí)、復(fù)用度等主要參數(shù)和具體需求直接相關(guān)，因此一般針對(duì)具體要求，設(shè)計(jì)解時(shí)分電路。以聲學(xué)傳感時(shí)分復(fù)用光纖傳感器陣列為例，工作頻率和空間采樣率需求的不同，以及后續(xù)信號(hào)解調(diào)算法對(duì)各通道信號(hào)帶寬要求不周，使時(shí)分復(fù)用光纖傳感陣列的訪問(wèn)頻率可以從數(shù)千赫茲到數(shù)兆赫茲，構(gòu)建一套能較廣泛適用于聲學(xué)傳感時(shí)分復(fù)用光纖傳感器陣列性能測(cè)試的系統(tǒng)，其最大難題在于需要采樣率調(diào)節(jié)范圍大、可以與光脈沖產(chǎn)生同步、采樣延遲時(shí)間可以靈活調(diào)整的采樣電路。除以上要求以外，還需要足夠的量化位數(shù)，以避免量化噪聲惡化解調(diào)信號(hào)的信噪比。

凌華科技的PCI9846H采集卡采樣率最高可達(dá)40MHz，量化位數(shù)達(dá)到16位，可以外同步預(yù)觸發(fā)或延遲觸發(fā)。同時(shí)，該采集卡具有512MB的緩存，在高速采樣時(shí)，能夠滿足緩存足夠的數(shù)據(jù)，以滿足后續(xù)信號(hào)解調(diào)和分析的需要。該采集板的以上特性，可以滿足光纖傳感器時(shí)分復(fù)用陣列數(shù)據(jù)采集和測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)需求。

1、光纖傳感器時(shí)分復(fù)用技術(shù)基本原理

光纖傳感器時(shí)分復(fù)用技術(shù)采用光脈沖來(lái)區(qū)分各個(gè)傳感器的信號(hào)。脈沖光輸入到傳感器陣列后，依次通過(guò)時(shí)延和分光后送到各傳感器，各傳感器輸出光信號(hào)通過(guò)合光合并為一束。由于各個(gè)復(fù)用的傳感器之間存在一定的時(shí)延差，因此在接收端可獲得一串存在固定時(shí)延差的光脈沖。在脈沖串中，每一個(gè)光脈沖對(duì)應(yīng)復(fù)用系統(tǒng)中的一個(gè)光纖傳感器，每個(gè)光纖傳感器測(cè)量的信息包含在光脈沖的幅度（或相位、波長(zhǎng)）變化中，因此可以通過(guò)光脈沖的順序采樣分離各個(gè)光纖傳感器信號(hào)。

圖1 4個(gè)光纖傳感器的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)（d表示延遲光纖，s1~s4代表4個(gè)光纖傳感器）

光纖傳感器時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)典型的陣列光路結(jié)構(gòu)見圖1。設(shè)輸入寬度為、周期為的脈沖光，陣列輸出周期為的脈沖串，則對(duì)每個(gè)傳感器的訪問(wèn)頻率為。訪問(wèn)頻率的設(shè)計(jì)需要考慮傳感器的工作帶寬和噪聲特性，光脈沖寬度常取決于脈沖調(diào)制器及接收電路的帶寬。對(duì)于聲與振動(dòng)等較大帶寬要求的光纖傳感系統(tǒng)，訪問(wèn)頻率越高，傳感器信號(hào)帶寬越寬，高頻噪聲的混疊越小。同時(shí)，在光脈寬固定情況下，復(fù)用度越高，訪問(wèn)頻率越低，并且光插入損耗越大。因此，選擇復(fù)用度的關(guān)鍵是在復(fù)用規(guī)模和性能上取得最佳的平衡。

圖2 4個(gè)時(shí)分復(fù)用光纖傳感器系統(tǒng)尋址

光纖傳感器時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中，由于色散等造成的脈沖展寬與脈沖寬度相比可以忽略不計(jì)，傳感器返回脈沖寬度與輸入脈沖光基本相同（采用非平衡干涉儀原理的光纖傳感器返回脈沖寬度將有所擴(kuò)展，但一般也需保證擴(kuò)展寬度遠(yuǎn)小于輸入光脈沖寬度，以保證良好的光脈沖波形）。相鄰兩個(gè)傳感器的脈沖時(shí)延為：

其中是相鄰兩個(gè)傳感器之間延遲光纖的長(zhǎng)度，是光纖纖芯折射率，是光在光纖中傳播的速度。假設(shè)為時(shí)分復(fù)用的復(fù)用度，系統(tǒng)中各個(gè)傳感器延遲光纖長(zhǎng)度相同，在一個(gè)時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中，必須滿足

輸入脈沖光經(jīng)常由連續(xù)光源和光調(diào)制器產(chǎn)生，在光調(diào)制器上輸入電脈沖調(diào)制信號(hào)，即可產(chǎn)生周期與調(diào)制信號(hào)相同、固定脈寬的光脈沖。

為了拾取傳感器陣列信號(hào)，光脈沖串首先經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖串。對(duì)電脈沖串的每個(gè)脈沖的幅度依次采樣，即可得到各個(gè)傳感器的光強(qiáng)度信息。為了保證能夠準(zhǔn)確依次采集到每個(gè)脈沖，需要將采樣時(shí)鐘與加在光調(diào)制器上的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行同步。同時(shí)，由于電路、傳輸光纜和陣列光路的延遲，使返回的光脈沖信號(hào)與觸發(fā)信號(hào)間存在一個(gè)時(shí)延差。因此，用于解時(shí)分復(fù)用的采集板，必須具有延遲觸發(fā)功能，將觸發(fā)時(shí)間根據(jù)返回光脈沖信號(hào)的時(shí)延差進(jìn)行調(diào)整。

2、時(shí)分復(fù)用光纖傳感器陣列數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)的時(shí)分復(fù)用光纖傳感器陣列數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)主要用來(lái)完成采用時(shí)分復(fù)用結(jié)構(gòu)的聲學(xué)光纖傳感器陣列的性能測(cè)試，包括分析光纖傳感器陣列的噪聲特性及測(cè)試陣列的靈敏度等。系統(tǒng)組成框圖見圖3。其中，光源和聲光調(diào)制器用來(lái)產(chǎn)生光脈沖信號(hào)，光源后置一隔離器用以阻止后端光路反射光干擾光源工作；陣列回傳光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器后由插在微機(jī)中的PCI9846H卡實(shí)現(xiàn)解復(fù)用和數(shù)據(jù)采集，完成后由微機(jī)進(jìn)行后續(xù)信號(hào)解調(diào)和分析；信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路脈沖信號(hào)及一路調(diào)制載波信號(hào)，其中一路脈沖信號(hào)作為聲光調(diào)制器的光脈沖調(diào)制信號(hào)，另一路脈沖信號(hào)作為PCI9846卡的外觸發(fā)信號(hào)，調(diào)制載波信號(hào)為正弦信號(hào)，用于調(diào)制光源的激光頻率。

圖3 光纖傳感器時(shí)分復(fù)用陣列數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)組成框圖

2.2 時(shí)分復(fù)用光纖傳感器陣列工作原理

系統(tǒng)測(cè)試的時(shí)分復(fù)用光纖傳感器陣列由多個(gè)基于Mach–Zehnder干涉儀原理的光纖傳感器組成。輸入的光脈沖信號(hào)經(jīng)不等分光比耦合器下載部分光給每個(gè)光纖傳感器。光纖傳感器的光路原理見圖4。輸入到光纖傳感器的光信號(hào)首先由一個(gè)等分光比耦合器分成兩束，分別進(jìn)入干涉儀參考臂和傳感器。其中，參考臂用以傳輸參考光，與外界測(cè)量信號(hào)場(chǎng)隔離；傳感臂用以接收外界聲信號(hào)。在外界被測(cè)量信號(hào)的作用下，傳感臂的光纖隨外界信號(hào)的作用被壓縮或拉伸，引起傳輸光的相位改變。兩束光最后通過(guò)一個(gè)光纖耦合器合成一束，并通過(guò)光信號(hào)干涉，將傳感臂的相位變化調(diào)制為可以被光電探測(cè)器檢測(cè)的光強(qiáng)度變化。

設(shè)干涉儀的兩臂臂長(zhǎng)差為。為了使通過(guò)干涉儀兩臂的光信號(hào)能夠有效干涉，輸入光信號(hào)的相干長(zhǎng)度必須遠(yuǎn)大于；同時(shí)，導(dǎo)致的兩束光傳輸?shù)臅r(shí)延必須小于輸入光脈沖的脈寬，保證傳感臂和參考臂輸出的光信號(hào)有足夠的時(shí)間重疊，實(shí)現(xiàn)兩束光的干涉。

圖4 基于Mach–Zehnder光纖干涉儀原理的光纖傳感器的光路原理圖

兩束光干涉以后的光強(qiáng)可由下式表示：

式(3)中，為傳感臂輸出光強(qiáng)，為參考臂輸出光強(qiáng)，為參考臂的光相位，為傳感臂的光相位。式(3)中，兩臂輸出光信號(hào)相位差通常由固定相差和交變相差兩部分組成，即：

式(4)中，是由兩臂臂長(zhǎng)差引起的相差，在理論上應(yīng)是恒定的，但由于環(huán)境溫度變化及壓力變化等擾動(dòng)使兩臂長(zhǎng)度和折射率發(fā)生變化，因此，常存在一個(gè)較慢的漂移；是傳感臂在外界聲場(chǎng)作用下引起的光相位變化，獲得的信息即可獲得被測(cè)量信號(hào)的信息。

2．3 解時(shí)分復(fù)用的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

為了對(duì)光纖傳感器時(shí)分復(fù)用陣列各個(gè)光纖傳感器性能進(jìn)行分析，首先要從光電轉(zhuǎn)換后的陣列信號(hào)中提取式(3)表示的各個(gè)光纖傳感器信號(hào)。在系統(tǒng)中，該項(xiàng)工作由PCI9846H采集卡完成。其實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。采集卡采樣率按陣列輸出光脈沖串中的脈沖間隔設(shè)置，采集卡工作模式設(shè)為外觸發(fā)狀態(tài)。在與聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步的脈沖信號(hào)觸發(fā)下，啟動(dòng)采樣，提取光脈沖信號(hào)的幅度。由于光脈沖到達(dá)時(shí)間與觸發(fā)脈沖間存在一個(gè)時(shí)延，因此，需要將采集卡設(shè)置成延遲觸發(fā)模式，延遲時(shí)間可以通過(guò)根據(jù)時(shí)延測(cè)量結(jié)果手動(dòng)設(shè)置，也可以通過(guò)自動(dòng)搜索實(shí)現(xiàn)采樣的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。在延遲觸發(fā)時(shí)間設(shè)置正確的情況下，可以保證采集中各個(gè)脈沖的平坦區(qū)。

圖5 數(shù)據(jù)采集與解時(shí)分復(fù)用

采集后的數(shù)據(jù)按照各個(gè)傳感器順序進(jìn)行抽取，即可完成光纖傳感器信號(hào)的解時(shí)分復(fù)用。為了保證聲學(xué)光纖傳感器信號(hào)有較大帶寬和動(dòng)態(tài)范圍，并盡可能減少高頻噪聲的混迭，通常對(duì)單個(gè)傳感器信號(hào)的采樣頻率需達(dá)到數(shù)百kHz，因此，要求時(shí)分復(fù)用后的信號(hào)采樣頻率設(shè)置達(dá)到1MHz左右。采集后的信號(hào)先保存在采集卡的緩存中，以保證單批采樣信號(hào)的連續(xù)性。單批信號(hào)采集完成后，將采集卡緩存中的數(shù)據(jù)讀至微機(jī)中，即可進(jìn)行各個(gè)傳感器的信號(hào)解調(diào)及后續(xù)分析。

2．3 信號(hào)解調(diào)工作原理

光纖傳感器時(shí)分復(fù)用陣列信號(hào)經(jīng)PCI9846H采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和解時(shí)分復(fù)用后，需要通過(guò)信號(hào)解調(diào)，從干涉光強(qiáng)度變化信息中提取反映外界聲信號(hào)的光相位信息。

光纖傳感器的信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，可由下式表示：

被測(cè)量的信息包含在中，采用信號(hào)解調(diào)技術(shù)提取即可獲得被測(cè)量量的信息。

與的關(guān)系不是線性的，成余弦函數(shù)關(guān)系。當(dāng)取不同值時(shí)，在同樣的作用下，的輸出起伏。由圖6可看出，在時(shí)，傳感器的探測(cè)性能急劇下降，在時(shí)，傳感器處在工作線性區(qū)范圍內(nèi)。這個(gè)現(xiàn)象也被成為光纖傳感器的相位衰落現(xiàn)象。相位衰落導(dǎo)致光纖傳感器的檢測(cè)性能不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致光纖傳感器失效。為了克服相位衰落現(xiàn)象，系統(tǒng)采用了PGC(Phase Generated Carrier)解調(diào)技術(shù)。

圖6   取不同值時(shí)輸出V

PGC解調(diào)技術(shù)在干涉項(xiàng)內(nèi)部引入一個(gè)比測(cè)量信號(hào)頻率高的正弦波作為載波，被測(cè)量信號(hào)調(diào)制在載波成分上，作為載波成分的邊帶存在。引入載波后，可同時(shí)獲得和的正交分量，從而解決光纖傳感器的相位衰落問(wèn)題。加入載波調(diào)制后的干涉信號(hào)如下式如示。

式中，為載波引起的最大相位幅度，為載波頻率。

載波的實(shí)現(xiàn)有幾種方法，一是采用正弦信號(hào)調(diào)制光源的輸出波長(zhǎng)，要求光源具有可調(diào)諧功能，光纖傳感器的干涉儀具有的臂長(zhǎng)差，同時(shí)光源的功率在調(diào)諧的情況下穩(wěn)定。二是采用正弦信號(hào)調(diào)制干涉儀一臂的光纖長(zhǎng)度，引入隨正弦信號(hào)變化的相位。直接調(diào)制光源可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有助于系統(tǒng)的全光化。在本文所描述的測(cè)試系統(tǒng)中，采用正弦信號(hào)直接對(duì)光源的輸出光信號(hào)的頻率進(jìn)行調(diào)制。

圖7 PGC解調(diào)算法原理框圖

圖7是PGC解調(diào)算法的原理框圖。與載波和二倍頻載波相乘，低通濾波后可獲得包含外界信息相位的正弦和余弦正交項(xiàng)，通過(guò)微分、交叉相乘和相減等運(yùn)算，可以得到光纖傳感器相位信息的微分，積分后即提取。相對(duì)于快速變化的來(lái)講，屬于慢變信號(hào)，兩者在頻率上可分離，高通濾波后即可獲得反映被測(cè)量信號(hào)的傳感臂光相位變化。

3、試驗(yàn)結(jié)果

建立如圖4所示試驗(yàn)系統(tǒng)，光源中心波長(zhǎng)為1550.12nm，線寬5kHz。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生10kHz正弦波調(diào)制光源輸入電流，產(chǎn)生300nm脈寬、周期為的電壓信號(hào)輸出至聲光調(diào)制器和PCI9846H數(shù)據(jù)采集卡。組成光纖傳感器的干涉儀臂長(zhǎng)差約為5米，相鄰光纖傳感器之間的延遲約為400ns。在試驗(yàn)系統(tǒng)中，傳感器外加500Hz信號(hào)。采集卡輸入量程設(shè)置為-1~1V，量化位數(shù)為16bit，采樣率設(shè)置為1.25MHz，采用延遲觸發(fā)模式，延遲時(shí)間約為100ns，以與光脈沖調(diào)制信號(hào)同頻的TTL脈沖信號(hào)作為采集卡觸發(fā)信號(hào)。解時(shí)分復(fù)用和解調(diào)算法基于Matlab實(shí)現(xiàn)。

改變外部施加在光纖傳感器上的信號(hào)和頻率，記錄解時(shí)分復(fù)用后的信號(hào)，并完成光纖傳感器探測(cè)信號(hào)解調(diào)。

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)輸出時(shí)分復(fù)用脈沖

圖9 1#傳感器解時(shí)分復(fù)用后信號(hào)

圖10 1#傳感器解調(diào)后波形及頻譜

從試驗(yàn)結(jié)果可知，解調(diào)后的信號(hào)頻率與實(shí)際施加信號(hào)相同，幅度呈良好的線性關(guān)系，解時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可行。同時(shí)，提高采集卡的采樣頻率，構(gòu)建復(fù)用度更高的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)是可行的。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于對(duì)時(shí)分復(fù)用的光纖傳感器進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量。

4、結(jié)束語(yǔ)

光纖傳感器的時(shí)分復(fù)用技術(shù)可以降低系統(tǒng)因光源等其他部件帶來(lái)的系統(tǒng)高成本問(wèn)題，為高性能的光纖傳感傳感器提供廣泛的應(yīng)用空間。凌華科技的PCI9846H采集卡靈活的觸發(fā)方式、達(dá)到MHz量級(jí)高采樣率、16位的量化位數(shù)和方便的函數(shù)調(diào)用，為快速開發(fā)光纖傳感器時(shí)分復(fù)用陣列的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)提供了一種有效可靠的解決途徑。