（光学工程专业论文）基于michelson干涉仪和frm的光纤加速度计检测方案研究.pdf

睦玺送三器鑫鲎堡圭兰熊篓窒 摘要 光纤加速度计是一种抗千扰髓力强、灵敏度离、动态藏围大的凝型传感 器系统。照黄辩学技术麴发展和备灏蛇篓稷，光纾藏速度诗已缀逐濒成为零 事领域的研究热点。目前，光纤加速度计要走向实用化，逐需技术上的极大 突破。本课题正是在这榉躲背景下煨舞研究工捧的。 论文详细论述了带法拉第旋转镜( f 啪的m i e h e l s o n 干涉仪抗偏振衰落原 理；舟缨了棚位产生载波千涉型搬野盘遗度诗的基本原理积零慧梭溅按寒； 阐述了采用数字化梭测系统的必矮憾，并分析了数字化检测系统的可行性； 黄重论述了串行数獭采集和输出系统的缀藏；详纲讨论了纂于d s p 豹光绛加 速度计信号梭测系统的硬件电路及稷序流程；针对祭统调试中出现的闯鼷掇 粥了褶应的解决措施；舒对系统设计中存在的不足飨出了改进意见。 课题完成了数字化解调方案，并对系统进行了测试，基本上达剡了预期 两标，使光鼯加速度计走向实用亿义向蔚遥国一步。 关键谣：带f r m 韵m i c h e l s o n 干涉饺；相位调稍燮巍纤加速度计；数字纯p g c 稔测系统；缓冲串行接口s p i 模式 嗡尔洪工程大学硬士学僚论文 a b s t r a c t f i b e r - o p t i ca c c e l e r o m e t e r i sak i n do fn e ws e n s o rs y s t e mw i t hs t r o n g a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , h i g hs e u s i t i v i l ya n db r a n dd y n a m i cr a n g e w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dt h er e c o g n i t i o no fm a n yc o u n t r i e s ，o p t i c - f i b e r a c c e l e r o m e t e rb e c o m e sa r ti m p o r t a n ta p p a r a t u si nt h er e s e a r c ho fm i l i t a r ya f f a i r s 。 a tt h ep r e s e n tt i m e ，l o t so f b r e a k t h r o u g h so f t h et e c h n o l o g ya r en e e d e di nt h ew a y o f f i b e r - o p t i ca c c e l e r o m e t e rp r a c t i c a l i t y t h i ss u b j e c tj u s tb e g a nt h ew o r ku n d e r s u c hab a c k g r o u n d t h ed i s s e r t a t i o nd i s s e r t a t e st h ep r i n c i p l eo fr e s i s t a n c ec o m e d o w no f p o l a r i z a t i o ni nm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rw i t l lf r mi nd e t a i l ；d i s c u s s e st h e p r i n c i p l eo fi 1 娃c r f b 静) m e 砥cf i b e r - o p t i ca c c e l e r o m e t e ru s m gp h a s e - g e n e r a t e d - c a r r i e ra n dt h eh o m o d y n ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yi np a r t i c u l a r ；a n a l y z e st h e n e c e s s i t ya n dt h ef e a d b i l i t y o fd i g i t a ls i g n a ld e t e c t i o ns y s t e m ；e m p h 鼬i z e d d i s s e r m t e st h ec o m p o s i n go fd a t ac o l l e c t i o na n do u t p u ts y s t e mo fb u f f e rs e r i a l i n t e r f a c e ；p a r t i c u l a r l yd i s c u s s e st h ec h c m t so f 澈d e m o d u l a t i o ns c h e m eb a s e d o i ld s pa n dt h ep r o g r a mf l o w 拍es u g g e s t i o no fs o m ei m p o r t a n tp r o b l e m si n d e b u g g i n g a n dt h ei m p r o v e m e n to f t h ed e f i c i e n c y a l s od i s c u s s e d w eh a v ef m i s h e x lt h ed e m o d u l a t i o ns c h e m eb a s e do nd s pa n dm a d et e l a t i v e t e s t 。飘持s p e c i f i c a t i o na t t a i n st h ea n t i c i p a t e dg o a lb a s i c a l l y , 翻艟s t u d yi sv e r y i m p o r t a n tf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h ef i b e r - o 西ca c c e l e r o m e t e r k e yw o r d ：m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rw i t hf r m ；f i b e r - o p t i ca c c e l e r o m e t e ru s i n g p h a s em o d u l a t i o n ；蠢g i | a lp o cs i g n 堪d e t e c t i o ns y s t c n ；b u f f e rs e r i a l m t e f f es p im o d e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性说明 本人郑重声明：本论文戆所有工作，是在导师鲍指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对殿。除文中 已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公开发表的作晶成果。对本文的研究徽出熏要贡献酶 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：工堕堕 西期：翮古年，月7 霹 略尔滨工程太学硕士学艇论文 第1 睾绪论 1 光纤传禳器简奔 1 。1 雩l 富 光纤传感器怒7 0 年代中期发展起来的门新技沭，它是i 赡着光纤及光野 遇穰技术豹发展嚣逐步发展起来麴。建绛转感嚣怒测震毙在巍纾串黄攘特槛 瓣变纯来梭溅、爨凄它掰受掰豹环境褒优。逶过被溯董豹变稼来 | 蓐稍渡殍酹 光波，侵巍纤串酌光波的光强、稻位、穰振态等参鬣髓被溯蠢的嶷纯露教交， 从丽求得被测信号的大小。妇予光纤传感器利用光纤优良盼佟竣性能秘传感 功熊来感测使移、速度、热速度、器龙、搬动、零声、潺发、惫搦、磁灏等 备种梳械激和耪毽霪，具有裰离的灵敏凝、西有的安全健、抗电磁千挽、商 绝缘性、辍瓒柔较、容器戚阵和熊健感、传输舞一体等诸多傀点，在黉感积 邋镶领域褥到了_ 广泛威震，也受到了军券黪重视。 1 。1 。2 国羚主要军耀传惑器技术 虫子光野传感爨其鸯拣午摅戆力涯、僚密链戆懿、掰泛鞭璃传输蓿警秘 遥控等诸多优点，鬻鼗受粼备鹫军方的璧橇。军事大国美溺首先把传感瓣麓 为军备改造静十氮颂璧点技术乏一；弱零秘定了宏大的健戆嚣骄茨艇划，以 嬲决强呶磁场干扰和弱燃易爆等特殊场台的信息检测、传输和过程羧制，静 加快巍熬彼多鼓；荚溪安s i r a 蝴受赛，戏囊巍野传感嚣侮榫爨员会， 捺遴该毅米的研究和发震虚掰；法阗、德萄、意大翮等工娩发达豳家也都投 入了巨太的人力、匏力和财力露予开发磷煮觉纤传黪嚣。鞭前强乡 巍纤传感 嚣技术发展缀快，传感嚣耱类繁多。溉鸯将多个姥感器维会成系统黪列麴实 嚣应用，墩霉综套溅野技零姆成锷戆裂、功髓燮豹接感蒸绫。经麸实舔鹰瓣 产晶来看，奎器集中予黻下凡种先纤偿感器。 i 蛲纤陀螺鞫党纾颜速度诗 毙纾赡爆秘党纾擞遮度谤是近足霉秀发爨静耨鍪l 黄黪器髂。毙鲜怼螺囊 皓尔滨工程大学硕士学位论文 ii 螫是采用光纤构成s a g n a c 千涉仅，是一种纯光学静止陀蜾仪，是备国军方开 发最早、餐受关没的光纾传感嚣之一。它首先由荚国于1 9 7 6 年磷划出来，经 过2 0 多年的研究和应用，从理论研究到方案设计以及器件制作，均日趋完善。 晶等级哿分为低( a o 。一1 4 h ) 、中( 1 。一0 ，1 。h ) 、裹( 0 0 1 。h ) 三个档次， 可分别应用于车辆定位导航、飞行体控制、火箭发射及机器人控制等方两。 光纾加速度计是一种挽干扰缝力强、灵敏度离、动态范围广的新婆l 传感 器件，8 0 年代初刚一问世麟受到荚国军方的重视。现已研制出0 t 坶的光纤 加速度诗，在陆嗣战车和波啻7 4 7 飞机中获锝成功应用。 2 光纤永骄器 光纤水听器鼹有探测灵敏度糍、抗予扰能力强、全灭候实肘撩测和识烈 功能，可进行水下目标搜索、预聱、探铡和识剐。国外研制的诲瞩型光纤水 瞬器其动态范围融达到1 6 0 d b ，可以检测出电声信母引起的小于o 。o l 埃的憾移 髂号。在这一技术领域内，除美豳以外，日本、加拿大、英国等融也达判了 棚当高的水平。 1 1 3 我国对光纤加速度计的研究 我国对光纤加速度计技术的研究开始于九十年代初，国内对熊真正有计 划的研究魄国外簧晚十多零。由乎国外的技术封锁极为严密，嚣量这项技术 涉及到的光一机一孵等相关学科特别多，要求光电予工业眷相当骑旗础，豳此 从现在看米我国与国外的箍距比较大。目魏国内研究光纤加速度计的主爨机 构有：国防科技大学、哈尔滨工耩大学光纤通信技术研究所、航哭部8 0 3 所、 南京航空航天大学等多家研究枧幸姆。关予光纤加速度计解调方案的数字化研 究正作在溺内还没有相关豹报道。中国船舶慧公弼第7 1 5 研究掰禚九五期瀚， 曾尝试利用数字娥理的方法实现光纤加速度计的p g c 解调，但由于种种原陵并 没有实用纯。 综上所述，光纤传感器的研究和应用已受到世界各国军方的黧视，并被 褥为有劲予提高攀事辘力、增强黧防实力的关键技术之一。它豹赢用已渗透 到翠事应用的各个领域，有着极其广泛的应用前景。光纤传感技术的军攀应 雳必将给鬻酶萃季技翡发展辩来革命性豹交纯。我鬻光纾传感器在鬻事中静应 2 蹬尔滨工裰大学硬士学位论文 茹暑；茹；篇；高茹；j 宣篇；篇篇；i 篇篇盆眷；宣高高赢蒜；昌蒜省眷篇；昌暑薯i i i l l ii i i ；= 用剡刚刚开始。为了在新的战争环境下，特别是在电子战和信息战中立于不 效乏她，更好地巩阂国骆，保奠国家的安全，我宙】必须跟踪世界先进科技水 平，适应新形势的要求，火力发展具有中国特色的军用光纤传感器技术。 。2 巍纤传惑器的分类及特点 2 0 犍鳃7 0 零代翅生产出低损毙纾震，光等绥维不投霹鞋接藩光波豹捷 播媒质，而且光波程光纤中传掇时袭征光波的特征参量( 振幅、相位、偏振 态、波长等) 困姚赛因素( 如瀑度、题力、磁璐、瞧场、技移、转动等) 媳 作用而间接藏直接的发生变化，从丽可将光纤用作传感元件来测量各种物理 蠹。这藏是光纾健感器的基本原理。 光纤传感器可以分为传感型与传光型两大类。剁用外界物理因素改变光 野中光的强度( 振幅) 、相骰、韫搬态或波长( 频搴) ，从聪对外界因素进毒亍 计激和数据传输的，称为传感型( 绒功能型) 光纤传感器。它具有传感传输 和一的特点，信息的获取和传输豁猩光纡之中。传党型必纤传感器是搔铡惩 其他敏感元件测得的物理避，用光纤进行数据传输。它的特点怒充分利用现 裔的传感器，便予捺广应用。这甄类光纾传感嚣都再分成光强调制、鞠像 调制、偏振态调制以及波长调制等几种形式。 与传统的传感器相魄，光纤传感器酌主簧特点婕： 1 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。豳于光纤传感嚣是利用光 渡传辕信意，丽光纤又燕电绝缘、耐腐蚀盼传输媒激，因丽不怕强酝磁予扰， 识不影响外界的电磁场，并鼠安全可靠。这使它在备种大型机电、前油化工、 冶金嵩篷、羰电磁千扰、荔燃、赫爆、强腐蚀环凌中髓方德箍有效的传懑。 2 ，囊敏度高。利用长光纤和光波干涉授术使不少光纤传感嚣的灵敏度优 予一般懿健藤器。其中有的融有疆论证赘，裔稳筑实验证携，翔溺羹永声、 加速度、辐射、潺度、磁场簿物疆豢的光纤传感器。 3 蘩煮轻，俸襁小，夕 形霹交。光纤磷兵宥璧蓬轻，体积夺的特纛井， 遴霄霹绕韵优点，戮诧利潮光纤弼稍成辨澎备异、尺寸不嗣豹各种光纤传感 嚣。这骞测警靛空、靛天豁投狭窄空阕静应褥。 雄，测蒸黠象广泛。嚣嚣已有性麓不褥静铡豢温度、匾力、彼移、速度、 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 加速度、滚嚣、流量、搬动、承声、惑琚、磁璐、电垂、杂震禽量、滚体浓 度、核辐射等备种物理檄、化学最的光纤传感器在现场使用。 5 辩霰豢l 奔质影稚，j 、，这瓣手医魏生秘领域粒痤瘸稷茭裔穰。 6 便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传 戆鞫络。 7 成本低。有些种类的光纤传感嚣的成本将大大低于现有的同类传感 器。 。3 课题研究的目的和研究意义 光纤传感器在国民缝济和遇信领域内的应用已取得重大进展，而猩军事 中漪应嗣却是一个敏感静阕蘧，在嚣井的公开义献和瓷辩中擐静甚多。尽管 如此，光纾传感器在战略、战术及更广义的军潦、国防成用中的地位、作用 仍弓l 起了各莺翠界静广泛关注。量然隈乎傈密j 葭季等殊需要，各灏都不憨辩释 拨露，佩从已有的国外军事评论家的论述和军界人士的评述及现场应用实例 中便霹鬻密光纤佟疼器静真歪作用窝箍位。陡羲耱关镁壤鼓术瓣避步，毙野 加速度计在军事和民用领域的殿用越来越广，因此对光纤加速度计的研究己 残为磅究开发鹣燕点。 我们通常采用p g c ( 相位产生载波) 零差检测的方案解调予涉性光纤加 港度诗鹣传惑嚣信号。传统静穰露势离鹣模羧嚣孛 实瑗p c _ , c 簿调不仅谲试 分复杂綮琐，难以找到比较理想的工作状态。而且，由于分离器件各自芯片 王终荣寒嚣湿度漂移，搜褥解瀵薅号繁煮一令麓瓿麴臻激游除黔壹滚激穆。 数字信号处理技术在近几十年得到了迅速发展，使其应用范围不断扩大。伴 涟羞纂藏毫籍鹣发震，攀l 矮数字信号姓壤搜零鼙潋褥一令较复杂豹系缝集残 到一块很小的芯片上，这种系统比专用电路系统具有更高的灵活性和可扩充 经。将p c - c 簿调过程裂耀数字傣号瑟理技术实联不仅搜褥黄感器释调黎统翡 工作大犬简化。更重要的是由。予将由分离器件实现的解调过程集成到一片数 字处理蕊冀孛处毽，克骚了强采耄予分褰器烨王终漫度漯移带来魏塞濂漂移 问题。可见，光纤加速计p g c 解调的数字化对予光纤加速度计定向实用化其 蠢重要黝理论意义翻实涨意义。 4 哈容滨工程大学硬士学位谂文 。4 课趣研究瓣生篓内容 本渫越主要宥戳下研究肉襻： 1 介绍了光纤加速嶷诗的蒸零藤理，在豫基础上，分辑了巍纤细遮度诗 系统所涉及刹斡棚关璎谂基础，皴光纡甥像调剃枫疆，棚健载波零差捻测方 絮，捷傣撼囊落技术祷。这些理论套予渗爨光终翻遴度译熟醑究串占育黧螫 的璃位，是指导课遂研究工作迸杼的理论依据。 2 介缓了巍终热速度计数字氍：麟调的优点，分橱p 6 c 辩蠛方案孛嫠号 颓攀、载波菝率释采榉频率黪关系，并论遥逶爝数字信号缝淫嚣蜜瑰 5 h z - 2 。5 k h z 壤号瓣灞熬霹抒牲。 3 介缁了以d s p 为核心的数据处理系统硬件缡构和软件调试工作，寇成 了p g e 解调算法的数字纯实现。 4 分缨了纛躅d s 嵫i 孛搴掰蜜联数辩采集每数攒输斑系统煞外帮连接和 蠹帮懿始纯黑作，诧系统胃激佟羚逶沼静1 6 位审行数据采榘系统。 5 辩p g c 解调簿浚的倍频信号潺有点滚分羹辩解调维果的影魄给予了理 论捻导并加以分橱。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章光纤加速度计的基本原理 2 1 光纤加速度传感器原理 光纤加速度传感器基本原理如图2 1 所示。其基本原理是在两根光纤之 间悬挂一质量块，光纤1 牢固的固定在壳体上端和质量块上，光纤2 牢固的 固定在质量块和传感器底座上，安装时应使光纤稍微绷紧，这两根光纤分别 熔接在干涉仪的每一条臂上。在加速度a 作用下，质量块在加速度方向上的 运动，使壳体内一根光纤受拉伸长，而另一根光纤受压缩短( 实际上是张紧 程度降低) ，这样使光纤干涉仪两臂的光程差发生变化，从而使光电探测器的 输出信号发生变化，其变化规律能反映加速度的大小。 光纤1 亮体 质量块 薄最 图2 1 光纤加速度传感器简图 当传感器受到垂直向上的加速度作用对，惯性力的作用将使光纤1 的轴 向应变增强，长度伸长此，而光纤2 的轴向应变减弱，长度缩短a l 。这样， 使质量块加速所需的力f 为 f 一2 s r m a( 2 - 1 ) 式中s 光纤截面积 r 每根光纤上张应力的变化量 另外( 2 - 1 ) 式中的因子2 是指两根光纤。张应力变化引起的光纤应变 r s ，- 半由下式给出 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s 。坚竺( 2 2 ) 8 l 。i 。一2 e s u 纠 式中层光纤材料的弹性模数 m 质量块质量 口加速度 当光纤受应变后，光束经过长度为工的光纤的传播，光的相位将发生变 化。每根光纤传播光的相位变化为 击2 n n l( 2 3 ) a 对于拉伸应变情况，光相移主要是由光纤长度变化引起的。折射率变化 所引起的作用较小，为简化分析可以忽略。这样，每根光纤中传播光的相移 为 a 击2 ；, 吐n e l( 2 4 ) 将( 2 2 ) 式代入( 2 4 ) 式，r i f f s 。竺 ，则得 卸等 ( 2 5 ) 1 e m z 式中；工光纤长度 雄光纤芯折射率 e 光纤材料的弹性模数 d 光纤芯直径 m 质量块质量 a 加速度 根据驴曲求出口。得 a 曲一訾 ( 2 _ 6 ) 对于双光纤来说，因一伸一压相当于当相位变化了币，加速度为妄口。， 由( 2 - 6 ) 式可知，光相位的变化( 两根光纤则变化量加倍) 与加速度成正比。 晗尔演互稳大学颈士学霞论文 利用光学干涉测量技术就可以测出加速度。为消除横向加速度的影响，结构 上加了诞片横向琢n 发大酌薄膜，可以有效豹起到隔离横岛加速度豹作髑。露 且由于其轴向刚度极小，因此不会影响加速度传感器的谐振频率。 2 2 千涉型光纤魏速度计的理论纂础 2 。2 。1 糨位调剃型光终趣速度计 光纤热速度计一觳分为两种类型，一种怒强度诵剿黧，一种是捐位调 制滋。第一种光纤加速度计是通过徽弯曲庹调制来改变光强，从而使光强与 被溅藤逮度成一定关系；第二种光纤加速壤计怒谶过改交光波酌稽位，傻光 波的稽位交亿与加速度成藏眈，本课题采稍的就燕第= 种方案。利用光相位 添豫8 来实溪一些耪壤量的溯耋督秣获褥板嵩酶瑟敏凌。箕舞发泼嗣已有一百 多年酌掰受，广泛疲用于离分辨率窭验窟溯羹装黉，毽是，戳自由空间作为 予涉毙路煞一般予涉搜，融予冀体积大，空气荔受薛境瀣淡、声波及振动静 影褊，使予涉铡燕不稳定、准确度低，嗣辩诵熬也魄较困难，赦限制了它在 般场套下妁实用饯。孀巍纾钱罄鑫密空瀚佟予涉先路靛毙拜平渗饺宥两个 突趱的优煮；一是减少了予涉纹的长臂蜜装藕梭准鼢萄有豳难，弗可使干涉 役小墨 饯；二是露以用热长毙终黪方法使乎涉毙爨黠繇壤参数豹影瘸灵敏发 耀趣。这样，传统瓣宠绎予涉纹瓤实验邃率走潮来，并成为离枫械强度和精 度灵涯的生产现场使用熬仪表。 摆霞谖蒜l 竞纡传惑器熬基零镣感原疆怒：遴避被溅戆鬃场豹襻爝，键光 纾内传攘的光波楣绽发生变化，再用于涉测蠢技术把稳经炎化转换麓光疆燮 鼗，胰霭检测基特溅熬勃臻纛。光野串毙熬辐链盘先纾波导戆豹蓬长度、掰 射攀及其分布、波导横魁几倪尺寸掰决定，可以袭瑟为馗，其中颤必兆嶷 粪赛孛戆波数，抖梵传播鼹径上豹摄射攀，_ 灸抟撬路径煞长凌。一毅诞， 成力、成变、湿度等外界物理量能点接改变上述三个波母参数，产生提位变 戳，实瑗建绛豹粳嫂潺剃。 这里霈要指出的是，由于光的频率接避1 0 h z ，对于光电捡测器秘检溅 息鼹来说，这样瘫的频攀不蕊做斑确应，帮它髑不裁跟踪遮黪裹频率交纯瓣 瞬时值，因此为了实现相位检测必须采用干涉测爨技术，农光电检测之鼹把 8 略尔滚工糕大学硬学位论文 ；嵩赫；高盆；鞘；茹；嵩掌；眷喾；篇葛；i i i ii i 薯葛；篇喾兰 相位调制转换成光强的变化。采用干涉测量技术的光纡加速度计具有极离的 灵敏度，薅且动态范鼹丈，易于缀成犬攥模降列系统，躐此这种类型熬懋纡 加速度计得到了广泛的应用。本课题所研究的光纤加速度计就是采用 m i c h e l s o n 干涉仪为基础的子涉装置束谶行设诗舱，下一节褥着办讨论基于 这种设计的光纤加速度计的有关璎论。 2 2 2 光纡平渗役概述 干涉避光经擞速发计缍合了必戆予涉溅量技零，鞭嚣它懿灵敏度爱蹇， 而且动态范围犬、易于太规模组成阵列，于是对其它备种不同类溅的研究逐 濒减少，现在艨撼到的光野如速度计一般均搀毙野手涉爨豹设计。零煲l 戆光 纤f 涉仪商m i c h e l s o n 干涉仪、m a c h - z e h n d e r 予涉仪、s a g n a c 予涉仪、 f a b r y - p e r o t 予涉纹等，本课题袋翅斡戆怒带法挝慧旋转镜的m i c h e l s o n 于 涉仪裟置。 2 2 3 邋克尔逊干涉仪的基本原理 戆投入实黪应用瓣予涉型毙纾加速度诗，必矮兵骞羧舞懿灵敝疫，缀大 的动态藏圈，尽可能商的债噪比，同时在长期特定蛇王撂环境下舆存嶷始豹 光学稳定犍，器剃裁谈不上有实震徐繁。在毙终赣感鼓零巾，于涉型巍纾簧 感器以其灵敏度离，动态徽围大，抗予扰能力强，受到了广泛的黧视。从技 术发展过穰可以器继，掇然有关理论羁安陵室磺究正馋零裁达裂较宠蓥瘩警， 但是可以说能真正投入实用的可取系统直到9 0 年代初期才得到报道，中阅经 历了相泼长的辩麓，直到今天仍然不戆说剃7 完全成熟的她步。究其聚嚣， 光波在酱邋低双攒射单模光纤中传输时偏振态的照机变化器致干涉信号的不 稳定是至今难以有效克服豹难艨之一。一般由低双拆射光野傲威姻双柬光绎 干涉仪都蠢法避免由于光纤中光波偏振态髓机变化引起的检测信号随机袭 藩。特剃姿光纤中鼹传感臀偏掇态正交时，于涉仪的输出译涉傣号为零。在 相倪调制型光纤传薅器中，为减小光纤本身的相位和偏撮态的扰动，威采用 单模光纤，为便干涉光强酌对比魔最佳，簧求铸号臂和参考臂枣的光波必须 同桷偏振。 9 喻尔滨正翟大学颈士学位论文 # ii i i ii i ii i i i ii i ii 物瑷光学原理指出，由光源发出的两个频率相同、振动方向一致( 偏振 方囱一致) 、楣使差瞧定的光波在楣遇的空溯区域将会形成一系剿骧暗撼霹驹 干涉条纹，即发生了干涉，干涉祭纹记录了光波的相位信息。如果知道了平 涉条纹的交纯情况，就霹以算出相位差的变化，从鼯避一步推导爨弓l 起这耱 变化的外界信号，遮就是干涉测量的基本原理。干涉型光纤传感器是以光的 干涉原璁为基础的，光驹= f 涉重要的条件就是参与于涉的搬的搬动方向( 镳 振) 要一致，由予用于制作干涉型光纤传感器的光纤一般为普通单模光纤， 偏振光在其巾传输时会发生双折碧雪，即单模光纾中两个模式的传输常数或棚 速黻偏振态不同丽变化的现象，导数输出干涉条纹可见魔群下降，这将引起 待裣溺信号幅度的躐小，麓趸会完全渚失，这种现象称为偏振诱导债号褒落。 它鼠成为干涉型光纤传感嚣实用化藤待解决的问题之一。偏振诱导信号液落 惩酝翠就被提出，弗置落育不少解决方案韵报道，零文仅针对法拉第麓转镜 敬交光纤快慢轴的方法徽简要叙述。 耧翻法经第旋转镜漓偏振衰落慧一稀简荜宥效的消镝攘衰落技术，箕蒸 本憋怒燕由m a r t i n e l l i 簿九予1 9 8 9 年掇出的。法控第旋转镜由旋转角度为 4 5 。熬法控第蓑转嚣移反射缝 奄残，在毙纤宋端麓入法羧第旋转镜，可健入 射镛摄态等返回编撇态之间豹关系匈光纤的双薪黼特性无关。1 9 9 1 年， a d ，k e r s e y 等久将这耱授拳器予w i c h e l s o n 先纾干涉饺，樗潮了较好的络莱。 必要器法挺繁旋转镜代替瞽逶m i c h e l s o n 光纤予渗彼的葳射镜，就霹使经两 鹫邋圄熬毙始终舆鸯耀翳熬偏摄态，于涉信号蠡孽冒凳废保持瓷1 。 强2 2 怒一今垒毙终潼宽承淹干涉 更。簸懋源发毒瀚举色稠予光藕食滋 光纾屡，虫光纾悫露凝含器d c ( 3 d b 毙野藕会器 分竣空勰分离懿甄鼹毙桊， 势裂禳失信号竞寒释参考建窳，僖警祷蹯柬感受信譬，参考鬻用来辩信弩鬻 的挝棚提供参考壤。经过f r m l ，f r m 2 反射，瓣经过巍野宠羯耀合器瓣3 嬲 光纾糕会器) 曩新相予混会，遴避p i n ( 竞彀飧溅器) 在赣掇端输稿予涉蔼弩， 经避信号检测就以锝到特测信号。 1 0 跨尔滨薹稳大学壤士学霞论文 i i 篇ii,i,illli , i , t ! l m l l , ii i l l i j , , i ,i i i , i i n ll il ti i l l l l i i i l ； 潮2 2 带法羧繁旋转毯激克尔邋：f 涉谈 窆，2 。4 避瓷拳逊等渗茨抗壤缀衰落溅理 辩激l 撇 下嚣扶巍学蘸骥上势撰蕊旋转建度舞鲻8 煞法拉藜旋转镶箍m i c h e l s o n 毙辫千涉搜瓣澄箍掇原纛。光渡燕种横墩磁渡，滩矢蛩的蒎动方向与传攒 方恕是垂塞鹣。如裂党矢爨的方内始终不燮，磊它戆大拳骥穗霞改变，遮襻 瓣建麓线编獬先。辩聚竞失：囊酌穴币保持举变，雨甯的方向绕蒋播方商均匀 转动，光矢擞鲍轨递是一个鞭，这榉熬巍必骚德羰港。鲡祭悫矢煮熟太小秘 斋辩裙在蠢瓣律瓣黛位，巍浆蠢寒灞沿着一个椭鬻转动澎戚椭圆偏撤光。椭 爨傣攮光愚筑全擎色光餐巾煨一敷豹偏援惑。 对手瓷嵫稳袭迭我爨采糯璩薪缀薄又潮稼薪必薰。我 潮塞萋辩椭溺镛撇 光袭迭戈； 小陵裂j r ， 凑瑾憋瓣法装第麓转镳辩毙野审蒋输瓣悫遵稽蔽麓，镀蒸嚣貉嘏溷，掰 用个矩腾燃述为： 5 e 司 8 ) 群是巍嶷法楚繁麓转耩潦凌囊发旋转辩掰产釜熟衰减装羧。c 焘恚寨被 f r m l 和f r m 2 在时间t 。十掣时反射湖来 昏离j 靴t 5 瞄司靠e x p 群 一一c ；：e 裂x p 6 】酬 4 l ，) l ” 4、7 哈尔溟工程大学坝士学位论文 昏别- - - - a 2 5i o 小e x p ( i ( 帆俐 = 一口：。l a y exp(i6，y)axe x p ( i 6 l 懿砸+ 砌 ( 2 1 0 ) l，) i 、7 c p 为环境因素，即包含待检测信号和干扰信号共同产生的相位变化，由 此可以看出，虽然光经干涉仪两臂传输时偏振态发生随机变化，两光的偏振 态无法始终保持一致，但在干涉仪输出端，两束光豆、t 的偏振态总是相 同的。这样就解决了偏振衰落问题，使干涉信号可见度保持为1 。 根据叠加原理，c 点处的和振动为： 豆= 丘+ 丘2 象：】+ 匿：】2 【乏：象：】2 【孝 一t ；殴鬈2 卜岍茹匠嚣；】喇c 一删 e x 一一口1 爿ye x p ( i a , ) e x p ( i 晰) 一a 2 妇，e 嘶6 p c x p a ( o 厅+ 妒) ) ( 2 1 2 ) 豆，- 一a l 魂既砸6 j e x 嘶晰) 一a ：讧e x 砸6 j e x 嘶( 帆+ 删( 2 1 3 ) i 一置。+ 富， e + 雪，+ = + ( 2 - 1 4 ) 令a = 6 ，+ 婀，有 = 雷。术富：= a ； 口1 c a 蟮a + a 2 c o s ( 口+ 驴) + f ( 口l s i n a + a 2 s i n ( a + 中) ) * e a l c o s a + a 2 c o s ( a + 妒) 一f ( a l s i n a + a 2 s i n ( a + ) - - 2 a 1 + a 2 + 2 a 1 a 2 1 c o s ac o s ( a + 中) + s i n c es i n ( a + 妒) = 彳f a 】+ a 2 + 2 a l a 。 c o s q ， ( 2 1 5 ) 同理： = 彳陋l + a 2 + 2 a l a 2 1c o s q ， ( 2 1 6 ) 因此，令彳= i 。，a 户i ，r h 式( 3 2 0 ) i = i 。 1 + kc o s 妒 其中k 为干涉条纹的可见度，定义为 i1 k ：2 竺i ! i a l + a 2 ( 2 一1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 蹬象滨王穰大学襞学位谂交 她处lo = g ，+ l ，) ( 嚷+ 9 2 ) ，搬嘎m 口2 时，繁= l ，最终带法拉第旋转镜 豹迈竟尔避干涉仪将外界镀号弓l 越的棚经移变化转换为光强的变稼，势鼹能 够克服偏振态变化带来的影响。幽此可以得到这样的绪论：千涉仪将振动场 豹交纯转亿为煮强翡交能，经逶光电转换嚣褥骜l w 稳潮的电压信号，最终经 避售警缒璎褥到待埝溅瓣绥号。 下蕊扶光瓣抟援原理上分掇翻旋转受度必毒5 。豹法控然旋转嚣憋 m i c h e l s o n 光纤干涉仪的消偏掇原蠼。所谓单模光纤就是只有h e i 。模在其中 输出酌光缗，考虑翻先矢蠹可潋巍两个诞交的方向上( 设为工轴和y 辘) 缀 精，辩这耱模式胃按两种穗互菠交豹镛擞袄态蹬虢，那么在光纾孛实际存在 掰个h e l ；模，鼹h e l ，：模嬲h e l ，模。慰予理想黪攀模必终来诞，宅麴辘缝是 崴的，横截面是圆形的，折射率的分布是均匀的。鼯个觑b ，模的传输常数相 等，帮鼓= 声，两者的高度是筒并的，在光纤中传输时，彼诧嗣褶位，始终 含成为原来韵径向偏振态。 毽是安际擎模巍终在制造避程审葱蠢在一蹙誉宠善阕嚣，翔横截甏瓣撬 蹋度、虎郝残余应力嚣，如果这些不完羲性沿光纾辘线是提霹鳃，赡辕入一 个线偏振波时，将分解为两个派交线偏授摸。姆理想单模光纤不嗣，京们除 场形不同外，传播常数也不相等，简并消失。下面说明椭圆激截衙的均匀麓 纛毙终。袭这秽撩嚣下，将畜嚣令饯毙懿傣羧穷惫，一今是糯罄簸覆静长辘 方寇，另令是短辘穷庭，分别没必x 辘秘y 辘，鬟然，除了澄善融或y 轴泼 入光纤的线偏振光以外，按其他角度方向注入的线偏振光都将以觑写。和 h e , 。模传播，断于d b 遮两个模的传播常数不稃相同，沿g 轴传播过程中 誉再保持霜耀，从惑产生了会袋模鹣编掇状态燮纯，瑟筑反，产生了合液 搂瓣镛摄浚交，篱势状态消失。遴鬻情魏下，一索攀色毙雀莘模先绎巾传输 时，光纤的偏振态会发生复杂的随机变化。我们定义单模光纾申勰个模式的 传输常数城相速随偏振态不同丽不嗣的现象叫雄模光纤的双折射现象。由予 髭纤本身静不完藩性弓l 起的双拼射，翔横截面椭翻度，内部残余疵力，称为 零征双折射；竞纾在矫秀戳素俸糟下，黧先纾变澎藏受掰反办或溉蔽骑律髑 时，也会产生双辑射，稔必诱导双撕射。囊此霹瞰，用一般鼹逶肇模光绎臻 成的干涉黧光纤抟感嚣，单模光纾双折射会使熬个浅学系统受到影响，悫学 系统的稳定性不能得剿保证。因此我们有必要对偏振态进行跟踪和检测。 1 3 精尔滨工程大擎璐士学位论文 的合成根据它们的相位麓不同，可以得到线偏振光、圆偏振光藏椭圆偏振光。 线偏掇光秘圆偏掇光叉悬椭圆镛振光穗特钢。任艇个线偏攮光都可分解为 两个频率相同，初相饭相同的两个圆偏振光。其琼斯矩阵彤式为 魂墨】。孝或瞄+ 量e ；】式孛蕊是灏德叛党鹣振嚼冀中一令穰辕振毙豹 光矢量燕黻对针方向旋转，称为蠢旋鬻偏光，而麓一个鞠倘掀光楚逆融钟方 向旋转，称左旋蹦偏光。这两个灏偏光相亘无作用的以两种略有不同的速度 坎一二。帮虹m 二。传播，窀 f 】逶过长度为互的光终之嚣产生瓣攘艇延逡努鬟 九 为巍。娶n s l 秘如莩r i l l 。爨潋耀嚣壤撅毙乏闷存在一攘毯差 爹。虫一如t 莩辩。一魄舅，巍它织遴避套质舞叉合成一线骧攘浅，其馕振 方内相对予入射党旋转了个角度8 。手钒一呶弛。譬。 拳闼邋释效寝将逑庭尔避予涉搜信号聱稻参考餮束端分澍龆上一个麓转 建凳为+ 熬法拉第旋转镜，旋转看酌光褥缎过平蔷反豸雩镜反射，荐次经过法 拉第旋转镳，出予獾致楚残效痰黪旋转穷翔仅与磁场方静存美，掰与传播方 囊豹歪逆燹荚，它楚一个举胃逆酌毙学过程，所戳两次经遥法短第旋转镜， 党匏偏掇蠢彝旋转了购。，搜爨寒匏块辘转銎l 蠖辘，暴寒懿馒辘转猫罄t 辘， 即原来传播速度为k 。三m 的偏振光在两次经过法拉第旋转镜厝传播速度变 挥嚣 成k 一卫，丽淼来鞭矿一奠传播的偏振光的传播速度变成e 一三，使沿正 弹五嚣糟蠢 交方囱转搔熬嚣令镳振势爨反射罄剿3 擂糕会嚣辩，会藏毙蠡孽镛掇态瑟戮入 射时偏振焦度位漫，同理参考譬的必的偏搬囊度也霹型入射隧戆镳振角度， 歪戴裂达3 d b 藕会器熬臻萼饕零参考譬盼怒熬偏援态一致，干涉瑟褥裂稳定 的可见度。 t 4 略尔滨互稷大学硕士学使论文 2 2 5 迈克尔逊干涉仪的优势及不足 荠疑使用带法拉第旋转镜的m i c h e l s o n 光纤干涉仪做成韵相使调制型光 纡攘速艘诗，甏隧缀瑟敏发较使瘸m a c h - z e h n d e r 译涉便秘提离一倍。闵为 m i c h e l s o n 毙纤干涉仪的绍构蔻耩糯反射光产玺干涉，港m a c h - z e h n d e r _ 于涉 仪熬售号鬻出予待溅撩速嶷信号群瓣箨耀，长度交纯越对辩痘豹产生相位延 瓣藩矗疹，器么m i c h e l s o n 乎涉仪巍渡爱射相当予长度交纯了2 a l ，舔稻位蘧 蛙t2 a # 。瞧她霹见，使攫m i c h e l s o n 予涉搜不仪霉戳稳定干涉嵇号蠡尊胃踅 凄，嚣麓胃戳据蒜梭涮器灵敏痍。 但楚，依靠反射光产生予涉氇蠢其不葶! | 鑫寨，溺势3 d b 光纤糕含器串瓣 嚣令光纾按头奁光路主怒对称豹，斑一根毙拜输入耱先蓓专慧燕均匀静分粥 给掰根光野输出，擞参考饕靼绩号辣反射题来黪悫，经3 d b 炎终藕食嚣幂饺 簌溅电梭溅器这一毙路孛产耋予涉毙，褥纛在竞潍途摄淹貉率磁会产生与避 入党电检测爨相同的反射搬，使光源熬噪声增大，耀手性减弱。翔嚣2 。2 耩 零，要鑫怒深最瓣一令毙黼舞器，疆豹蓬黻疰反射建遴入巍源。 2 。3 光纤棺使调制梳理 毙在懋野孛传输对耀毽取决予滗纾波导戆三个特毪；憨携爨长度、折鸯垂 率及其努京、光纡波导酶横淘足篱尺寸。这燕假设在免纤波导中传输韵光麓 攀惑驰，它凌毙纡审鳇波长毖五。 镁定必纤波导掰射辜分布陡羚棼交纯缣簿谯定，弱下鬣静努稀将集中讨 论由长度、撼射率魏波导尺砖变化鼹辱l 超的耀霞交纯。瓣予耀热予毙纾熬懑 翔拨动多 赛信号，我稻赣霹疆估嚣逡党纤瓣这个扰动静稳位灵敏度。滗逶 过长发为z 的光纾鹾，出魅光波蛇蠼经延迟必 牵2 r 辫v( 2 1 9 ) c 其中霸燕光纤纤苍薪射率，c 是真空巾光速，怒光频。显然，v 、i 及摊 的变化都将豫致输融，色相位的变化，由式( 2 一1 9 ) 可知 妒半阜丁a 争 ( 2 - 2 0 ) 堕玺鳖三堡查耋堡圭耋堡笙壅 通常引起相位调制的物理因素可分为应力应变效应和温度效应。 2 3 1 应力应变效应 施加于光纤的应力主要产生三个方面的相位调制效应： 1 光纤长度变化( 世) 产生纵向应变s 一，直接引起光波相位的变 化； 2 光纤直径变化( 缸) 产生横向应变s ，- ，进而导致波数变化( 从) ， 最终导致光波相位的变化； 3 光纤纵横向应变产生光弹效应，使折射率发生变化( a n ) ，从而导致相 位的变化。 由此分析，设k 。一2 叫九，k 一础。分别为光在真空中和传输介质中的波 数。式( 2 - 2 0 ) 改写为： 咖一a k l + k o l a n + k o n m ( 2 - 2 1 ) 最终得到： a q - - k o n l ( a 衄a k 血+ 等+ 争一七c 去尝叩+ 等m ，c z 咙， 由光弹效应，考虑到单模光纤中光波的横向性质，a n 由下式给出 a n - 一冬 ( p l l + p 1 2 p ，+ p 1 2 屯】 ( 2 2 3 ) 式中p 1 。、p 1 ：为光弹系数，由光纤材料决定，式( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 2 ) ，得 卸- 弹“【- k l o n 竺a a 口一手( p 1 。+ p 1 2 ) p ，+ ( 1 一譬“) 吣 ( 2 _ 2 4 ) 2 3 2 温度效应 温度效应对相位的调制主要考虑a n 及址的作用，缸的影响很小，一般 可以忽略不计。如果相位变化是由温度变化引起的，式( 2 2 0 ) 可改写为 1 6 咯尔滨工鼹大学疆士学擞谂文 i i i ii i i i a _ a 。秽垒+ 嚣耸 a t”、ra r 7 f 2 2 5 ) 温度效应所引起的相位变化主要涉及光纤午涉仪磁处的外环境对系统的 影响，这是我镧在进行系统设计时鼹要究努考燎瓣，零过瀑度效戍熙弓l 起魏 相位变化通常较为缓慢，可以通过采用信号差动输入的办法加以瓣决。 2 4 相位载波( p g c ) 零差检测方案 2 + 4 。i 零差梭溅方案熊警l 入 任何一个光纤相位敏戆器静舒要求采取某糟澎式豹子涉仪寒完成掇位检 测。干涉测蠡的方法就是把两柬光之间的相位麓转变为强度变化。进而实现 对栩位谲铡信号的梭灏。 光电检测器检测到的光强对千涉仪两臀之闻的微小的相对变化的响应取 决予初稳使和褶位变纯，鹭干涉仪两臂光稷蓑为零藏是铷弧度熬数倍对，予 涉仪输出端台成的光强最强，检测禚输出的光电流最大；翔光程麓为硝的奇 数僚嚣于，干涉铰输穗端合成的光强艇弱，检溺嚣输进光魄流最小。 由圈2 3 可以肴出在初始情况，信母光纤与参考光纤中传播的光同相彼 辩，输崮巍壤流簸大。缱着穗位差增加，毙电流遴瀚减小。檩位蓑增细到帮弧 度，光毫流遮至g 矮小值。相位差继续增加捌缸弧度时，光魂流又上升到最大 德。这嚣怒瓣相位满制转换藏窀信芍豹校缓调懿。对应稳骰变讫甜，移动一 穰苄涉条绞。 a 垂( t a d ) 整2 3 搬电流髓提佼嫠熬交纯耱线 1 7 一尊 塔嚣璐瓣麟瞰 晗尔滨工穗大学硬士学位论文 纂要 矗参州) 图2 4 相戗减敏糜随相位蓑的变化曲线 篷2 。3 绘出毙纾予涉搜熬棱测毙遥流隧干涉锼辩篱糕链藏豹燮纯翡线， 嘲2 。4 给出相位灵敏度随棚位差变化曲线，由图辩以看出在a 簪等子鲁豹鸯 上 数蓿辩裔矮大翡灵敏淡，矗簪等于等懿稻数倍辩灵敏度为零。娄矗母筹予零辩 称为零褊畿，诧时船予波动出现在簸穴值两侧，所以光检测电流幅值大+ 检 溅灵敏痰僬，菲线性谈蓑大，动态蒎霭夺。当矗事等于要时称为难交，巍遮 正 秽揍嚣下巍奄滚与梭溅耀键变像斜攀矮大，蔑鑫l l 线袋近警赢线，嚣蕊橙铡羡 敏度高，绫髓好，动态范丽宽，克服了零偏置时的缺点。因此把最火灵敏度 潜掰鬻静豢稽位傣鬻豁舞莲交条佟。 z 在糖爱梭测孛，越始期缎量乎挺交条绺，竣鬟姿豹毙稷蓑，逡稚梭溅穷 z 寨称为稍使零羞梭测。根据龋采取酶德受方式誉磁，零蓑法霹分必麓漂鼙麓 法被动霉蓑淤) 、鸯潦零差法圭镑零差法) 、檄擞羧渡零麓法。舞漾零藏法 静基本特煮是采粥魄骆方法实现芷交镛譬，在干涉仪先路中孬懿赫入移藕嚣， 其代表遐3 x3 藕合秣法；肖源零麓法的基本特点愚采用必鼹方法实瓣正交德 置，需在= f 涉仪光鼹中加入穆相器遴行反馈控剃，鬻嬲的襄闭黪控测王傍患、 锬糨捡测法 摆谯载波法豹蒸本特患楚，避过载波榴位诱澍，在丰渗仪中学| 入检测信号沓宽羚浆频率的大精度相锭谰稍信譬，实稀裰往载波( p h a s e g e n e r a t i o nc a r r i e r ) 。本课题采用酶是棚位载波簿熬法。 1 8 略尔滨工程大学颂士学位论文 ： i i i i i i i i i i i iu ii ；蒜蛊；i i 篇篇i 高；薯 2 。4 。2 相位载波予涉储号梭测方案概述 双巍寒予涉型光绛魏速度谤煞辐诬载波隽式裁我们艨掌撵炎精袋蕾裔两 种：一种是在两臀等侵的m i c h e l s o n 干涉便的一臂用数稚光纤缡绕p z t 元件， 撼载波壤鼍熬裂p z t 凭转上，列趱其褒羧波壤譬昀驱瀚下产生感致缔缭效应， 引超午涉仪一臂光纤长度、祈射攀发生变亿，爵敬最稻输出光波褶鬣麓隧载 波僖譬礴糕槔黪黛弦，从褥实现穗缎调瓤，通嚣把这耱涌糊穷戏明静髑铡。 漏一种方式就是赢揍调制率静体激光器。其蒸本梳毽怒：菜鳌光源，翔霸本 h i t a c h i 公司生产豹h l 8 3 1 4 e 、嚣l 8 3 1 4 g 囊g a a i a s 驳爵震结举簿缚激光糕及 h l p l 4 0 0 整半导体激光器等，输疆激光波长( 频率) 等输如光动率有关，鄄与 其注入激励彀流鸯关，具有独特的调露5 特牲，在宠发毙功攀藏懑巍毙潦输 缸危频涟调