Sagnac干涉型光纤传感器的一种开环信号处理方法和电路

摘要

Sagnac干涉型光纤传感器的开环信号处理方法，利用模拟驱动信号驱动光纤传感器中的相位调制器进而使光纤传感器输出调制信号，首先对光纤传感器输出信号进行隔直，然后低通滤波；并经耦合到低通滤波器的负峰值探测电路获得光纤传感器输出信号在调制驱动信号的1个至n个周期内2～2n个相邻的负峰值，由这2～2n个负峰值可以获取被测相位差的信息；本发明是一种处理光纤传感器输出信号的信号处理方法和电路技术，提出一种与传统的闭环和开环信号处理方法和电路相比成本更低廉、结构更简单、更容易实现、更适合生产制造的准确的信号处理方法和电路。

说明书

                           技术领域

本发明涉及Sagnac干涉型光纤传感器输出的信号处理方法和电路，包括光纤陀螺、光纤电流互感器等使用Sagnac干涉型光纤传感器的。特别本发明关系到Sagnac干涉型光纤传感器的一种准确开环信号处理方法和电路。

                           背景技术

目前正在研究开发和商业化生产的光纤传感器大部分基于采用正弦调制的光纤干涉仪，包括光纤陀螺、电流传感器、流量传感器、声传感器、水听器等。这里作为参考的由J.Blake在1997年出版的美国专利“Fiber OpticInterferometer Circuit and Magnetic Field Sensor”光纤的磁场传感器输出，U.S.Pat.No.5664397)就是干涉型光纤传感器的一个例子。另一个例子是同样由J.Blake在1999年出版的美国专利“Open Loop Signal ProcessingCircuit and Method For Λ Fiber Optic Interferometric Sensor”光纤传感器的开环信号处理方法和电路U.S.Pat.No.5978084)。作为光纤传感器的一个例子，光纤陀螺可以探测旋转引起的Sagnac效应而导致的的两束光的相位差。目前中低精度的光纤陀螺已经开始在军方和民品中大规模使用，高精度的光纤陀螺也在积极研发。Sagnac效应是指在一闭合回路中，当环形干涉仪旋转时，沿顺时针(CW，Clockwise)方向和逆时针(CCW，Counterclockwise)方向传播的两束光之间产生一个正比于旋转速率Ω的相位差Δφ.相位差Δφ的表达式为 $>>\Delta \phi >=>>>4>\omega A>{}^{}$

从Saganac光纤传感器的输出获取有用信息(一般是两束光的相位差)通常采用开环信号处理技术。虽然闭环信号处理技术比开环信号处理技术能够获得更高的精度，但是开环信号处理技术采用单频率调制，而不是象闭环信号处理技术那样采用宽带调制，这使得开环信号处理技术成本大大降低。因此，开环信号处理技术在很多情况下得到广泛应用。

理想情况下经过正弦调制的Sagnac光纤干涉仪的输出为：

$>>>I>out>>=>>>I>0>>2>>\{>1>+>cos>[>>\phi >s>>+>>\phi >m>>cos>>(>\omega t>+>\theta >)>>]>\}>->->->>(>2>)>>>>$

(2)式中，φ_s是被测相位差，φ_m是调制深度，ω是调制频率，θ是调制驱动信号与光纤干涉仪输出的调制信号之间的不确定的相位差。最为广泛应用的信号处理方法是利用同步解调技术，即用和调制驱动信号同频同相的标准正弦信号与光纤干涉仪的输出I_out进行混频然后滤波来提取光纤干涉仪输出I_out中的一阶谐波分量：I_1st＝I₀J₁(φ_m)cosθsinφ_s。由于上式中含有4个未知量，因此，一般的开环信号处理方案包括4个基本电路。其中三个基本电路作为同步解调器(混频器加低通滤波器)用来提取I_out中的3个不同阶的谐波分量，第四个电路用来确定θ。同步解调器需要稳定的高Q值的滤波器和高精度的比例电路来比较不同阶谐波分量。实际应用中这样的信号处理电路系统非常复杂，通常需要上百个电路元件，降低了系统的可靠性，并且造价昂贵。因此，有必要减少电路元件的数量从而降低信号处理电路系统的复杂性且容易实现，提高信号处理电路的可靠性，并且降低成本。

实际情况当中，由于光纤传感器中的元件不理想，因此必然带来误差。这种情况下光纤传感器输出信号用下式表达：

$>>>I>out>>=>>>I>0>>2>>\{>1>+>>(>1>->\delta >)>>cos>[>>\phi >s>>+>>\phi >m>>cos>>(>\omega t>+>\theta >)>>]>->\delta >cos>[>>\phi >m>>cos>>(>\omega t>+>\theta >)>>]>\}>->->->>(>3>)>>>>$

如果不考虑(3)式中的误差项δ则对光纤传感器中的元件(例如光纤电流传感器中的偏振态转换器)的性能指标要求很高，势必增大了实现的难度并且降低信号处理的准确度。另外，这种误差项一般随温度变化，这会导致比例因子随温度发生漂移。因此消除此误差项的信号处理方法和电路可以降低对光纤传感器中的元件的性能指标的要求并且可以提高信号处理的准确度，更重要的的是，这同时保证了比例因子不随温度漂移。

                           发明内容

本发明目的是：提出一种与传统的闭环和开环信号处理方法和电路相比成本更低廉、结构更简单、更容易实现、更适合生产制造的准确的信号处理方法和电路；本发明的目的还在于：这种信号处理方法和电路降低对光纤传感器中的元件的性能指标的要求并且可以提高信号处理的准确度。与以前的发明相比，本发明的信号处理方法和电路消除了或者说在很大程度上降低了他们的不足。

本发明目的是这样实现的：Sagnac干涉型光纤传感器的一种开环信号处理方法，利用模拟调制驱动信号驱动光纤传感器中的相位调制器进而使光纤传感器输出调制信号，首先对光纤传感器输出的调制信号进行隔直，然后低通滤波；并经耦合到低通滤波器的负峰值探测电路获取光纤传感器输出的调制信号在调制驱动信号的1个至n(这里n是正整数)个周期内2～2n个相邻的负峰值，由这2～2n个相邻的负峰值可以获取被测相位差的信息，n≥1，尤其是n＝1。以下以n＝1为例进行说明。注意本发明中的“负峰值”并非在数值上一定是负(正)的，而是相对于正(负)峰值而言的，其真正物理意义是调制信号的两个相邻的正(负)峰值之间的极小(大)值，这取决于被测相位差的区间。当被测相位差处于[-90°，90°]区间内时为负峰值，其真正物理意义是调制信号的两个相邻的正峰值之间的极小值；当被测相位差处于[90°，270°]区间内时为正峰值，其真正物理意义是调制信号的两个相邻的负峰值之间的极大值。以下以负峰值探测为例进行说明。同时对光纤传感器输出信号直接进行峰值检测并和负峰值探测电路的输出做除法；负峰值探测的方法是利用调制驱动信号过零产生的方波信号对隔直低通滤波后的光纤传感器输出的调制信号进行负峰值检测；除法输出是信号处理系统的输出。

调节模拟驱动信号的幅值可以调节调制深度，由反馈控制电路给出的反馈信号调整调制深度。

本发明的信号处理方法利用调制驱动信号过零对光纤传感器输出信号进行负峰值探测的同时对光纤传感器的输出直接进行峰值探测，并且使二者相除以消除光强和光路元件(例如光纤电流互感器中的偏振态转换器)带来的误差项对信号处理的影响。

对隔直低通滤波后的负峰值探测和直接峰值探测的输出做除法消除光强和光路元件(例如光纤电流传感器中的偏振态转换器)不完善带来的误差。

负峰值探测器给出的信号包含了调制深度的信息，反馈控制电路给出的反馈信号由负峰值探测器给出的信号控制。

n＝1时，仅仅对光纤传感器输出信号的1个周期内的2个相邻负峰值探测，消除了调制驱动信号和光纤传感器输出调制信号之间的不确定的相位差的影响，这个相位差一般随温度和时间变化。

本发明提供的方法通过适当的选取调制深度工作点使得采用此方法的信号处理电路对调制深度的变化不敏感，因而室温情况下不需要进行调制器反馈控制。

隔直和低通滤波将信号中的直流成分去掉，高频噪声也去掉，既避免了系统信号随温度等环境因素发生漂移，又提高了信噪比。

本发明提供的信号处理方法使被测相位差的动态范围不限于[-90°，270°]，通过设置计数器可以将动态范围扩大到1个周期，即被测相位差可以小于-90°也可以大于270°。这种设计特别针对光纤陀螺等大动态范围要求的Sagnac干涉仪情况。

Sagnac干涉型光纤传感器开环信号处理电路：利用模拟调制驱动信号发生器驱动光纤传感器中的相位调制器进而使光纤传感器输出调制信号，光纤传感器的输出连接一个耦合到光纤传感器的输出的隔直电容用于消除光纤传感器输出中的直流成分和一个耦合到这个隔直电容用来消除高频噪声的低通滤波器，耦合到低通滤波器的负峰值探测电路在调制驱动信号的n个周期内探测光纤传感器输出的调制信号的2个相邻的负峰值，由这2n个相邻的负峰值可以获取被测相位差的信息，并且可以用来反馈控制相位调制器以稳定调制深度工作点。所述模拟驱动信号发生器设有输出的另外一路信号同样为标准正弦信号，耦合到比较器，每当驱动调制信号过零比较器输出方波信号电平极性翻转，并且这个电平一直保持到下一次驱动调制信号过零，这个逻辑电平用来控制数字负峰值探测器。比较器的输出接数字负峰值探测器，数字负峰值探测器输出连接除法器电路，同时直接耦合到光纤传感器输出的模拟峰值探测电路经模数转换电路输入除法器，并与数字负峰值探测器的输出进行除法运算。除法器电路的输出是信号处理系统的输出。

模拟峰值探测器直接耦合到光纤传感器用来获取光纤传感器输出的峰值，这个峰值用来和数字负峰值探测电路的输出做除法以消除光强和光路元件不完善带来的误差。

比较器电路的构成：每当调制驱动信号过零比较器的逻辑电平就翻转，并保持这个电平直至下一次调制驱动信号过零，这样产生的方波信号的周期就对应驱动调制信号的周期，前半个周期和后半个周期分别对应相反的电平极性，例如，前半个周期负电平，后半个周期正电平，或者相反。正负电平分别对应不同的逻辑值，这个逻辑值用来输入负峰值探测器，以获得在调制驱动信号的一个周期内光纤传感器输出的调制信号中的2个相邻负峰值。

光纤传感器输出信号在调制驱动信号的每个周期内的2个相邻的负峰值相加得到的信号包含了调制深度的信息，作为数字负峰值探测器的一个输出耦合到反馈控制电路用来控制调制深度，稳定调制深度工作点。光纤传感器输出信号在调制驱动信号的1个周期内的2个相邻的负峰值相减包含了相位差的信息耦合到除法器作为除法器的一个输入。

低通滤波器用于滤除光纤传感器输出的高频噪声从而产生经过滤波后的光纤传感器输出的调制信号。经过滤波处理后的光纤传感器输出的调制信号由于隔直消除了其直流分量因而不受温度等因素的变化而导致直流分量的漂移；由于低通滤波消除了高频噪声，提高了信噪比。

本发明提供的信号处理电路使被测相位差的动态范围不限于[-90°，270°]，通过设置计数器可以将动态范围扩大到m(m≥1且是正整数)个周期，即被测相位差可以小于-90°也可以大于270°。这种设计特别针对光纤陀螺等大动态范围要求的Sagnac干涉仪情况。

以下说明本发明的原理。光纤传感器的输出经过隔直，得到：

$>>>I>>out>.>dc>>>=>>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>[>>\phi >s>>+>>\phi >m>>cos>>(>\omega t>+>\theta >)>>]>->>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>\phi >s>>>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>>> (4)$

$>>->>>I>0>>2>>\delta >cos>[>>\phi >m>>cos>>(>\omega t>+>\theta >)>>]>+>>>I>0>>2>>\delta >>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>>>$

负峰值探测器探测到光纤传感器在驱动调制信号1个周期内的2个相邻的负峰值：

$>>\omega t>+>\theta >=>\pi >\Rightarrow >>I>>out>.>dc>2>>>=>>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>(>>\phi >s>>->>\phi >m>>)>>->>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>\phi >s>>>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>->>>I>0>>2>>\delta >cos>>\phi >m>>+>>>I>0>>2>>>\delta J>0>>>(>>\phi >m>>)>>->->->>(>5>)>>>>$

$>>\omega t>+>\theta >=>2>\pi >\Rightarrow >>I>>out>.>dc>4>>>=>>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>(>>\phi >s>>+>>\phi >m>>)>>->>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>\phi >s>>>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>->>>I>0>>2>>\delta >cos>>\phi >m>>+>>>I>0>>2>>>\delta J>0>>>(>>\phi >m>>)>>->->->>(>6>)>>>>$

这2个相邻的负峰值的差为：

$>>M>=>>I>>out>.>dc>2>>>->>I>>out>.>dc>4>>>=>>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>(>>\phi >s>>->>\phi >m>>)>>->>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>\phi >s>>>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>->>>I>0>>2>>\delta >cos>>\phi >m>>+>>>I>0>>2>>>\delta J>0>>>(>>\phi >m>>)>>>>$

$>>->>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>(>>\phi >s>>+>>\phi >m>>)>>+>>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>\phi >s>>>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>+>>>I>0>>2>>\delta >cos>>\phi >m>>->>>I>0>>2>>\delta >>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>>>$

$>>=>>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>[>cos>>(>>\phi >s>>->>\phi >m>>)>>->cos>>(>>\phi >s>>+>>\phi >m>>)>>]>=>>I>0>>>(>1>->\delta >)>>sin>>\phi >s>>sin>>\phi >m>>->->->>(>7>)>>>>$

在信号较小情况下，峰值探测器输出：

             I_out.peak＝I₀(1-δ)    (8)

做除法：

$>>>M>>I>>out>.>peak>>>>=>>>>I>0>>>(>1>->\delta >)>>sin>>\phi >s>>sin>>\phi >m>>>>>I>0>>>(>1>->\delta >)>>>>=>sin>>\phi >s>>sin>>\phi >m>>->->->>(>9>)>>>>$

调制深度取为 $>>>\phi >m>>=>>\pi >2>>\Rightarrow >sin>>\phi >m>>=>1>->->->>(>10>)>>>>$

这个调制深度工作在变化不敏感的区间，保证了工作点在一定范围内不会对信号解调形成较大危害。对于要求比较高的情况，需要对调制器进行反馈，以稳定调制深度，在小信号和光路元件(如光纤电流互感器中的偏振态转换器)不完善不严重的情况，2个相邻的负峰值的和为：

$>>N>=>>I>>out>.>dc>2>>>+>>I>>out>.>dc>4>>>=>>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>(>>\phi >s>>->>\phi >m>>)>>->>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>\phi >s>>>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>->>>I>0>>2>>\delta >cos>>\phi >m>>+>>>I>0>>2>>>\delta J>0>>>(>>\phi >m>>)>>>>$

$>>+>>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>(>>\phi >s>>+>>\phi >m>>)>>->>>I>0>>2>>>(>1>->\delta >)>>cos>>\phi >s>>>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>->>>I>0>>2>>\delta >cos>>\phi >m>>+>>>I>0>>2>>>\delta J>0>>>(>>\phi >m>>)>>>>$

$>>\approx >->>I>0>>>(>1>->\delta >)>>>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>->>I>0>>\delta >cos>>\phi >m>>+>>I>0>>\delta >>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>\approx >->>J>0>>>(>>\phi >m>>)>>>I>0>>>>$

(11)，这个量可以用来稳定调制深度。

本发明也可以用于Sagnac效应而导致的的两束光的相位差的信号，尤其是对其信号处理技术采用单频率调制后可用本发明处理。

本发明特点是：一方面，本发明是一种处理光纤传感器输出信号的信号处理方法和电路技术，提出一种与传统的闭环和开环信号处理方法和电路相比成本更低廉、结构更简单、更容易实现、更适合生产制造的准确的信号处理方法和电路；本发明的信号处理方法和电路降低对光纤传感器中的元件的性能指标的要求并且可以提高信号处理的准确度，同时保证了比例因子不随温度漂移。与以前的发明相比，本发明的信号处理方法和电路消除了或者说在很大程度上降低了他们的不足。

                           附图说明

图1是本发明信号处理方法的逻辑框图，

图2是本发明信号处理电路的框图，

图3a是本发明负峰值探测示意图，

图3b是本发明正峰值探测示意图

图4是本发明信号处理电路的电路图。

                        具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本方案作进一步的说明：

参见图2，10是本发明所述信号处理方法和电路的一种简明描述。隔直滤波器12耦合到Sagnac干涉型光纤传感器11，用于消除光纤传感器输出的调制信号中的直流成分以消除温漂和零漂以及低频噪声。隔直滤波器12可以根据实际的光纤传感器的调制频率和实际需求选择有源或者无源滤波。通常这里选择为一个电容，电容值的大小根据对电路的实际需求而定。低通滤波器13耦合到隔直滤波器，用于消除光纤传感器输出的调制信号中的高频噪声，提高调制信号的信噪比。通滤波器的截止频率或者3dB频率一般为调制驱动信号的2倍，其范围一般为调制驱动信号的1到5倍。

经过隔直电容12和低通滤波器13后的光纤传感器输出信号被耦合到模数转换器14，以实现模数转换，供给后面的电路进行数字信号处理。模数转换器根据实际被测信号以及光纤传感器的输出选取芯片的参数主要是位数和速度以满足信号处理的精度和分辨率。

信号发生器17输出两路标准正弦信号，一路信号用来驱动Sagnac干涉型光纤传感器11中的相位调制器进而使光纤传感器11输出调制信号。信号发生器17给出的模拟信号的幅值应该可以调节进而调整调制深度，同时，这又可以由反馈控制电路18给出的反馈信号调整调制深度以稳定调制深度工作点。由前述分析可知，数字峰值探测器15给出的信号包含了调制深度的信息，因此，反馈控制电路18给出的反馈信号由数字负峰值探测器15给出的信号控制。

信号发生器17输出的另外一路标准正弦信号耦合到比较器16。经过隔直和低通滤波后的光纤传感器输出信号在调制驱动信号的1个周期内的2个相邻的负峰值的获得可以有多种方法，这里给出一种可能的实现方法。如图3所示，每当调制驱动信号过零比较器的逻辑电平就翻转，并保持这个电平直至下一次调制驱动信号过零，这样产生的方波信号的周期就对应驱动调制信号的周期，前半个周期和后半个周期分别对应相反的电平极性，这里，前半个周期负电平，后半个周期正电平。前半个周期的负电平对应逻辑值取为1，这个逻辑值用来输入负峰值探测器，用以获得在调制驱动信号的前半个周期内光纤传感器输出的调制信号中的第一个负峰值；同样道理可以获得第二个负峰值。

光纤传感器输出信号在调制驱动信号的1个周期内的2个相邻的负峰值相加得到的信号包含了调制深度的信息，作为数字负峰值探测器15的输出信号输入到反馈控制电路18用来控制调制深度，稳定调制深度工作点。光纤传感器输出信号在调制驱动信号的1个周期内2个相邻的负峰值相减作为除法器21的输入。

模拟峰值探测器19直接耦合到光纤传感器11并探测其峰值经模数转换器20输入除法器21，并与数字负峰值探测器15的输出进行除法运算。除法器21的输出耦合到处理器22，以获得信号处理系统的输出。

电路实例如图4所示，11是光纤传感器，23是隔直电容，24是低通滤波器采用AD8610；25是模数转换采用AD9260，根据实际情况，也可采用AD9240；27是比较器采用AD790；28是信号发生器采用DAC8580；29是峰值探测器采用PKD01；30是模数转换采用AD7656；26是数字信号处理芯片，采用ADSP-bf534，主要完成数字负峰值探测及其运算、除法器和处理器的功能。

一般而言，n取1至8，特殊情况可以取16。