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

本文介紹一個利用PCI9846H采集卡實現(xiàn)的時分復(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)字信號觸發(fā)功能和延時觸發(fā)模式實現(xiàn)對光電轉(zhuǎn)換后電脈沖信號的采集。完成采樣后，對各個傳感器信號按時延進(jìn)行分離、信號解調(diào)，并可對各個傳感器信號進(jìn)行存儲和分析。

光纖傳感器技術(shù)近年來得到了迅速發(fā)展，光纖傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、易于復(fù)用、傳感與信號傳輸集于一體等優(yōu)點，在安全監(jiān)測、導(dǎo)航系統(tǒng)、水聲探測、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域日益得到廣泛應(yīng)用。為了實現(xiàn)多點、多參數(shù)同時探測，滿足系統(tǒng)對探測范圍、距離、探測能力、降低成本等多方面的要求，多個光纖傳感器可通過時分復(fù)用、波分復(fù)用、頻分復(fù)用等方式，實現(xiàn)在單根傳輸光纖內(nèi)傳輸多路傳感器信號，并且共用激光器、光電探測器和其他電子設(shè)備。在多個光纖傳感器信號的接收端，采取解復(fù)用技術(shù)恢復(fù)多路傳感器信號，為后續(xù)信號處理和數(shù)據(jù)存儲提供基礎(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、振動傳感系統(tǒng)）中，通過多種復(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，時分復(fù)用技術(shù)具有復(fù)用度高、不需要額外的光器件實現(xiàn)解復(fù)用的特點，近年來一直受到廣泛關(guān)注，已成為光纖傳感器陣列的主要復(fù)用方式。一個采用時分復(fù)用的光纖傳感器陣列，只需要1個激光器為其提供信號；陣列信號回傳后，只需1路光電轉(zhuǎn)換電路和采樣電路，實現(xiàn)陣列各個傳感器的信號提取。因此，采用時分復(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。在時分復(fù)用技術(shù)中，主要采用時延對準(zhǔn)同步采樣技術(shù)實現(xiàn)各傳感器信號的分離，即解時分復(fù)用。

由于時分復(fù)用光纖傳感器陣列的訪問頻率、脈寬、延時、復(fù)用度等主要參數(shù)和具體需求直接相關(guān)，因此一般針對具體要求，設(shè)計解時分電路。以聲學(xué)傳感時分復(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)信號解調(diào)算法對各通道信號帶寬要求不周，使時分復(fù)用光纖傳感陣列的訪問頻率可以從數(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)傳感時分復(fù)用光纖傳感器陣列性能測試的系統(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，該采集卡具有512MB的緩存，在高速采樣時，能夠滿足緩存足夠的數(shù)據(jù)，以滿足后續(xù)信號解調(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分復(fù)用陣列數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)的技術(shù)需求。

1、光纖傳感器時分復(fù)用技術(shù)基本原理

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

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

光纖傳感器時分復(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，則對每個傳感器的訪問頻率為。訪問頻率的設(shè)計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。對于聲與振動等較大帶寬要求的光纖傳感系統(tǒng)，訪問頻率越高，傳感器信號帶寬越寬，高頻噪聲的混疊越小。同時，在光脈寬固定情況下，復(fù)用度越高，訪問頻率越低，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個時分復(fù)用光纖傳感器系統(tǒng)尋址

光纖傳感器時分復(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，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）。相鄰兩個傳感器的脈沖時延為：

其中是相鄰兩個傳感器之間延遲光纖的長度，是光纖纖芯折射率，是光在光纖中傳播的速度。假設(shè)為時分復(fù)用的復(fù)用度，系統(tǒng)中各個傳感器延遲光纖長度相同，在一個時分復(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，即可產(chǎn)生周期與調(diào)制信號相同、固定脈寬的光脈沖。

為了拾取傳感器陣列信號，光脈沖串首先經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖串。對電脈沖串的每個脈沖的幅度依次采樣，即可得到各個傳感器的光強(qiáng)度信息。為了保證能夠準(zhǔn)確依次采集到每個脈沖，需要將采樣時鐘與加在光調(diào)制器上的調(diào)制信號進(jìn)行同步。同時，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與觸發(fā)信號間存在一個時延差。因此，用于解時分復(fù)用的采集板，必須具有延遲觸發(fā)功能，將觸發(fā)時間根據(jù)返回光脈沖信號的時延差進(jìn)行調(diào)整。

2、時分復(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)計的時分復(fù)用光纖傳感器陣列數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)主要用來完成采用時分復(fù)用結(jié)構(gòu)的聲學(xué)光纖傳感器陣列的性能測試，包括分析光纖傳感器陣列的噪聲特性及測試陣列的靈敏度等。系統(tǒng)組成框圖見圖3。其中，光源和聲光調(diào)制器用來產(chǎn)生光脈沖信號，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；陣列回傳光信號經(jīng)光電探測器后由插在微機(jī)中的PCI9846H卡實現(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)信號解調(diào)和分析；信號發(fā)生器產(chǎn)生兩路脈沖信號及一路調(diào)制載波信號，其中一路脈沖信號作為聲光調(diào)制器的光脈沖調(diào)制信號，另一路脈沖信號作為PCI9846卡的外觸發(fā)信號，調(diào)制載波信號為正弦信號，用于調(diào)制光源的激光頻率。

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

2.2 時分復(fù)用光纖傳感器陣列工作原理

系統(tǒng)測試的時分復(fù)用光纖傳感器陣列由多個基于Mach–Zehnder干涉儀原理的光纖傳感器組成。輸入的光脈沖信號經(jīng)不等分光比耦合器下載部分光給每個光纖傳感器。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首先由一個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，與外界測量信號場隔離；傳感臂用以接收外界聲信號。在外界被測量信號的作用下，傳感臂的光纖隨外界信號的作用被壓縮或拉伸，引起傳輸光的相位改變。兩束光最后通過一個光纖耦合器合成一束，并通過光信號干涉，將傳感臂的相位變化調(diào)制為可以被光電探測器檢測的光強(qiáng)度變化。

設(shè)干涉儀的兩臂臂長差為。為了使通過干涉儀兩臂的光信號能夠有效干涉，輸入光信號的相干長度必須遠(yuǎn)大于；同時，導(dǎo)致的兩束光傳輸?shù)臅r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有足夠的時間重疊，實現(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使兩臂長度和折射率發(fā)生變化，因此，常存在一個較慢的漂移；是傳感臂在外界聲場作用下引起的光相位變化，獲得的信息即可獲得被測量信號的信息。

2．3 解時分復(fù)用的技術(shù)實現(xiàn)

為了對光纖傳感器時分復(fù)用陣列各個光纖傳感器性能進(jìn)行分析，首先要從光電轉(zhuǎn)換后的陣列信號中提取式(3)表示的各個光纖傳感器信號。在系統(tǒng)中，該項工作由PCI9846H采集卡完成。其實現(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)動信號同步的脈沖信號觸發(fā)下，啟動采樣，提取光脈沖信號的幅度。由于光脈沖到達(dá)時間與觸發(fā)脈沖間存在一個時延，因此，需要將采集卡設(shè)置成延遲觸發(fā)模式，延遲時間可以通過根據(jù)時延測量結(jié)果手動設(shè)置，也可以通過自動搜索實現(xiàn)采樣的自動對準(zhǔn)。在延遲觸發(fā)時間設(shè)置正確的情況下，可以保證采集中各個脈沖的平坦區(qū)。

圖5 數(shù)據(jù)采集與解時分復(fù)用

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

2．3 信號解調(diào)工作原理

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

光纖傳感器的信號經(jīng)光電探測轉(zhuǎn)換為電壓信號后，可由下式表示：

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

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，在同樣的作用下，的輸出起伏。由圖6可看出，在時，傳感器的探測性能急劇下降，在時，傳感器處在工作線性區(qū)范圍內(nèi)。這個現(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性能不穩(wěn)定，嚴(yán)重時還可能導(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   取不同值時輸出V

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

式中，為載波引起的最大相位幅度，為載波頻率。

載波的實現(xiàn)有幾種方法，一是采用正弦信號調(diào)制光源的輸出波長，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差，同時光源的功率在調(diào)諧的情況下穩(wěn)定。二是采用正弦信號調(diào)制干涉儀一臂的光纖長度，引入隨正弦信號變化的相位。直接調(diào)制光源可簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有助于系統(tǒng)的全光化。在本文所描述的測試系統(tǒng)中，采用正弦信號直接對光源的輸出光信號的頻率進(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，通過微分、交叉相乘和相減等運算，可以得到光纖傳感器相位信息的微分，積分后即提取。相對于快速變化的來講，屬于慢變信號，兩者在頻率上可分離，高通濾波后即可獲得反映被測量信號的傳感臂光相位變化。

3、試驗結(jié)果

建立如圖4所示試驗系統(tǒng)，光源中心波長為1550.12nm，線寬5kHz。信號發(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差約為5米，相鄰光纖傳感器之間的延遲約為400ns。在試驗系統(tǒng)中，傳感器外加500Hz信號。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，延遲時間約為100ns，以與光脈沖調(diào)制信號同頻的TTL脈沖信號作為采集卡觸發(fā)信號。解時分復(fù)用和解調(diào)算法基于Matlab實現(xiàn)。

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

圖8 試驗系統(tǒng)輸出時分復(fù)用脈沖

圖9 1#傳感器解時分復(fù)用后信號

圖10 1#傳感器解調(diào)后波形及頻譜

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

4、結(jié)束語

光纖傳感器的時分復(fù)用技術(shù)可以降低系統(tǒng)因光源等其他部件帶來的系統(tǒng)高成本問題，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。