法布里-珀罗干涉型光纤麦克风PGC解调技术研究

摘要

光纤空气声波传感器相对于传统的电麦克风具有灵敏度高，测量动态范围广，抗干扰能力强的优点，满足在环境条件恶劣的情况下，对声波信号高质量检测，目前对光纤声波传感器的研究已成为光纤传感领域的研究热点之一。
　　本文针对基于法布里-珀罗干涉型结构的光纤麦克风，对其解调方法和解调性能等方面进行了研究，主要内容如下:
　　1.详细分析理想相位生成载波(Phase Generated Carrier，简称PGC)算法，利用Simulink仿真工具，验证算法的可行性。确定调制频率、采样率、滤波器过渡带宽与解调动态范围之间的关系，并通过大量数据仿真，验证关系的正确性。
　　2.针对工程应用中，采用DFB(Distributed Feed Back)激光器的光频内调制方案，利用理想的PGC解调方法，解调信号出现多次谐波问题。经过分析，提出利用载波二倍和三倍载波频率来解调信号的改进方案，消除多次谐波。另外，通过相位补偿，解决系统延时对解调信号的影响。在多频解调情况下，验证解调信号满足群延时特性。
　　3.制作光纤麦克风解调系统硬件电路，编写FPGA(Field Programmable Gate Array)底层驱动程序和DSP(Digital Signal Processing)算法。激光器驱动电路对激光器的工作电流和温度严格限制，保护激光器不受损坏。核心控制电路采集数据、进行算法处理、输出音频信号，严格控制时序，实时解调。
　　4.对光纤麦克风解调系统的各方面性能进行测试，测得音频输出信号系统线性响应度良好，线性响应误差为0.21％;在3 kHz-10kHz范围内，系统频率响应误差小于3dB;系统在1kHz处，能检测的最小声压为2mPa，即-54dB@1kHz。实验结果表明，此套麦克风信号解调系统能满足基本的声波信号测量要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 光纤传感技术

1．2 光纤麦克风概述

1．3 强度型光纤麦克风

1．4 干涉型光纤麦克风

1．4．1 Michelson干涉结构型

1．4．2 Mach-Zehnder干涉结构型

1．4．3 Sagnac干涉结构型

1．4．4 Fabry-Perot干涉结构型

1．5 光纤麦克风解调技术

1．5．1 主动零差解调

1．5．2 被动零差解调

1．5．3 相位生成载波解调

1．6 论文研究主要内容

2 PGC解调技术研究

2．1 调制方案

2．1．1 外调制方案

2．1．2 光源内调制

2．2 PGC解调算法研究

2．2．1 PGC解调算法的数学模型

2．2．2 PGC解调方法的动态范围分析

2．2．3 调制度的选择

2．3 PGC算法的仿真

2．3．1 算法功能仿真

2．3．2 解调上限的仿真验证

2．4 本章小结

3 工程中PGC算法研究

3．1 光源伴生调幅的影响

3．1．1 算法的问题与改进

3．1．2 改进后系统参数的选择

3．1．3 改进后算法的仿真

3．2 系统时延对解调的影响

3．3 解调信号群延时特性

3．4 本章小结

4 检测系统设计方案

4．1 设计思路

4．2 光源调制系统设计

4．2．1 光源恒温设计方案

4．2．2 光源电流调制设计方案

4．2．3 光源保护设计方案

4．3 光信号探测方案设计

4．4 音频接口设计

4．5 FPGA软硬件设计

4．6 DSP软硬件设计

4．7 系统PCB设计

4．8 本章小结

5 系统测试与实验应用

5．1 系统硬件电路测试

5．2 系统解调性能测试

5．2．1 解调信号输出测试

5．2．2 系统线性响应测试

5．2．3 系统频率响应测试

5．2．4 系统解调动态下限测试

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢