光纤干涉弱磁传感相位补偿

辛建光

摘 要：干涉型光纤传感器具有灵敏度高、体积小和抗电磁干扰等特点，但它易受环境影响发生随机相位漂移，导致信号衰落及探测灵敏度降低，因此必须解决相位漂移问题。由于相位载波法系统不稳定，该文在光纤低频弱磁传感器中使用了交流相位跟踪法（PTAC）进行相位补偿。并将实验结果与当前多被采用的直流相位跟踪法进行了对比，证明PTAC相位补偿具有更好的性能，PTAC的采用提高了传感器的稳定性和精确度。

关键词：光纤 磁场传感器 PTAC PTDC

中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0040-02

干涉型光纤传感器具有灵敏度高、体积小和抗电磁干扰等特点，但它易受环境影响发生随机相位漂移，导致信号衰落及探测灵敏度降低，因此必须解决相位漂移问题。在实际应用中，已经提出了相位载波、光纤耦合器等被动零差解调技术以及利用压电陶瓷（PZT）作为反馈元件的主动零差技术、外差技术等方法。要想获得外界被测物理量，就需要将与之对应的相位信息从干涉仪的输出信号中解调出来，目前常用于干涉型光纤传感器的相位检测解调技术可以分为如下两类：零差检测和外差检测。零差检测包括主动零差检测和被动零差检测等。外差检测则包括普通外差检测，合成外差检测以及伪外差检测等。零差检测方法是一种利用解调电路直接将光纤干涉仪输出信号中所包含的与外界被测物理量相关的相位信息提取出来的方法。这种方法的优点主要包括：灵敏度较高，不容易产生谐波失真现象，具有良好的线性，体积较小以及功耗较低等；缺点则是需要用到一些特殊的器件，或者采取复杂的反馈控制电路。与零差检测方法不同，外差检测方法并不直接提取相位信息，而是利用与外界被测物理量有关的相位信息，对光纤干涉仪参考臂中产生的拍频信号进行调制之后，再使用解调电路解调出相位信号。与零差检测方法相比，尽管外差检测方法所能够解调的相位范围较大，也不需要使用复杂的反馈电路，但拍频信号的产生却在一定程度上增加了光路的复杂性，这是因为要产生拍频信号必须在干涉仪参考臂中使用移频器，另外外差检测方法在电路的实现上也有较高的复杂性。综上，由于相位载波法系统不稳定，该文在光纤低频弱磁传感器中使用了交流相位跟踪法（PTAC）进行相位补偿。并将实验结果与当前多被采用的直流相位跟踪法进行了对比，证明PTAC相位补偿具有更好的性能，PTAC的采用提高了传感器的稳定性和精确度。

1 传感器结构与原理

光纤弱磁干涉传感器结构图，如图1所示。换能器是在跑道型骨架上的直线部分的两侧分别粘贴金属玻璃薄膜，将传感臂光纤缠绕在该骨架上，采用环氧树脂胶与金属玻璃薄膜做点连接，相位补偿单元在实验中采用交流相位跟踪法。

设被测直流磁场为，交流调制磁场为，则换能器上总磁场为：

（1）

由磁致伸缩相干旋转模型，光波相位变化与磁场的关系近似为：

（2）

其中，C是与泊松比、波长等有关的系数。经光电探测放大后输出电压信号为

（3）

式中：A、B是正比于输入光功率的常数；a是由外界环境变化所带来的随机漂移相位，相位变化由直流相位和交流相位组成。直流相位包括随机相位漂移a、待测磁场信号和交流调制磁场信号幅度引起的相移，有

（4）

交流相位包含2项，分别为：

（5）

（6）

2 交流相位跟踪法（PTAC）

实验中使用PTAC法作为相位补偿，PTAC利用干涉仪的输出信号产生反馈控制信号，将其作用在干涉仪中的相位调制器上进行相位补偿，以抵消外界温度变化、偏振态变化等引起的相位随机起伏，从而使传感器工作在最佳工作点上。信号反馈提取流程如图2所示。

信号经差分放大，再AGC后，输出电压信号表示为：

（7）

其中为光电探测器电流，K为比例放大倍数，为振荡器驱动PZT在光纤中产生的相位差，，由于被测磁场远小于换能器上的调制磁场，项可以忽略不计，则式（7）可写作：

（8）

当PTAC系统锁定在π（N为整数）时，系统处于最佳工作状态，因此式（8）只取第一项，并将其展开成傅立叶-贝塞尔函数得：

（9）

式（9）中：为n阶贝赛尔函数。

为实现信号解调，将与PZT调制信号同频率的振荡信号和V相乘，待测信号具有相同频率的项（n=0）为：

（10）

从式（10）可以看到，乘法器输出的信号中仍有调制信号，因此信号还要经锁定放大器，信号处理系统最后输出信号为：

（11）

同时，从对干涉型光纤磁场传感器系统固有噪声所作的分析来看，要测量更低的最小可探测磁场，提高系统分辨率，就必须减小噪声对信号的影响。但噪声是每个系统与生俱来的，没有任何系统能做到完全无噪声，所以必须采取一定的措施来减少噪声的影响，尤其是在对传感信号进行解调的时候，使用尽可能有效的抑制或降低噪声的方法就显得极其重要。

对噪声进行消除的工作可以从环境噪声以及系统本底噪声两方面展开。有比较多的消除环境噪声的方法。可以采用噪声屏蔽设备，如声音隔离和适当的减震台的应用，减少外界对系统的影响。由于反馈控制回路的正常工作，将光纤干涉仪的偏置相位始终稳定在共模补偿工作点，有效避免了缓慢变化的环境噪声对干涉仪光相位的干扰。对于系统本底噪声，可以通过对系统的分析，选择质量和性能指标更加优异和可靠的元器件来从根本上减小本底噪声。比如尽可能选用强度与频率抖动均很小的窄线宽的半导体激光器作为干涉型光纤传感器的光源，目前很多商用的半导体激光器都能满足这方面的要求。另外还可以通过合理的系统设计和工艺制作流程来尽量减少可能产生噪声的因素。比如使用光学精密反射仪严格控制光纤干涉仪的臂长差，来减小相位噪声。

除了从以上几种从噪声的产生与引入角度入手，通过对硬件进行必要的改善来降低系统本底噪声的方法之外，随着计算机技术的发展，现在越来越多的采用数字信号处理技术来降低噪声，并提取出淹没在噪声背景下的微弱信号。现有光纤传感信号解调是基于硬件电路实现的，尽管这是目前主要采用的方法，但需要设计较为复杂的电路。在干涉型光纤传感器中，包含有待检测信息的有用光信号十分微弱并受到系统光路光噪声的影响。该信号在被光电检测器转换为电信号之后，利用解调电路实施传感信号解调和提取的过程中，更是会受到电噪声的影响，使得解调电路的噪声特性成为限制系统传感性能提升的重要因素。而且使用硬件电路来进行信号解调的传统方法有其不灵活性和局限性。比如在相位检测法中，利用锁定放大器来检测包含有微弱直流磁场信息的传感信号，如果交流激励磁场过大，有出现输出饱和现象的可能，那么就要求锁定放大器应具备一定的动态范围。与此同时，从当前传感器研究的发展趋势来看，传感器的阵列化和远距离测量监控将是今后很长一段时间的重要研究方向。如果能够在原有干涉型光纤微弱磁场传感器的基础上，将系统的控制与解调模块剥离出来，放置于远程监控端，将有可能对干涉型光纤微弱磁场传感器的实用化产生积极的推动作用。因此就可以借助嵌入式处理器DSP的高性能处理能力，运用数字信号处理技术对干涉型光纤传感系统差分放大器的输出进行处理，利用软件解调的办法实现对传感信号的提取。在算法实现理想的情况下，软件解调是不会引入计算噪声的。相比硬件电路解调而言，软件解调具有十分灵活的特点，它只需要通过修改相应的代码就能轻松实现对各种参数的调节。更重要的一点在于，在软件解调的过程中，可以通过添加各种信号处理单元方便地对有待解调的信号进行降噪处理。

3 实验分析与比较

为验证PTAC法系统的性能，在相同的实验条件下，本实验与通常使用的PTDC法实验结果进行比较。并对实验结果进行比较。PTDC法具有结构简单、电学复杂性低、信号畸变小、系统处于线性状态的优点，在干涉型光纤传感器中被广泛使用。其信号反馈提取流程如图3所示。

两路光信号通过差分放大后，经低通滤波器，滤出直流和低频分量再积分，加载的PZT上，作为相位补偿。工作点在π/2。

激光器波长1550 nm，使用熊猫型保偏光纤，直径125 um，换能器中光纤有效的传感长度为2 m。调制磁场频率为13 kHz，调制磁场幅度4000 nT。PTAC法中PZT上的调制频率为800 Hz。

3.1 稳定性比较

调整锁定放大器的放大倍数，使分别采用两种方法的实验系统，在检测相同大小的被测信号时，输出电压值基本一致。锁定放大器输出被测信号波形如图4所示，PTDC法在系统稳定后被测信号波动范围为33 mV，相对误差为8%，而PTAC法在系统稳定后被测信号波动范围为8 mV，相对误差为2%，显然PTAC法具有更高的稳定性，可以推断PTAC法具有更稳定的工作点。

3.2 线性度比较

由于载波的引入，可以使用自动增益控制电路（AGC）消除光源功率波动和偏振态变化的影响，获得更稳定的输出。在同实验条件下，分别运用PTDC与PTAC两种补偿方法测量200 nT～800 nT的几组数据进行比较，PTAC法的线性度为0.7%，PTDC法的线性度为3%，磁场响应曲线如图5所示，PTAC法的线性度明显好于PTDC法。在实验中采用PTAC法进行相位补偿，系统的精度得到了提高。

4 结语

我们在低频弱磁传感器中使用了两种相位补偿方法，都实现了控制工作点的目的，而PTAC法较PTDC法，虽然系统更复杂，但它能更好地控制系统的增益带宽积，实现锁相，PTAC法使传感器具有更好的重复性和线性度，提高了系统的稳定性和精度。

参考文献

[1] Ira J Bush，ORLANDO Fla.Phase-lock fiber optic interferometer：USA，4486657[P].1984-12-04.

[2] Zhang Yan-jun， Chen Cai-he. Michelson Dual-Optic Routes Geophone[J].CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS，Sep，2005，18（3）：680-684.

[3] 倪明环，王杨，于彦明，等.消除干涉型光纤传感器信号衰弱的新方法[J].仪器仪表学报，2005，26（8）：197-198.

[4] 刘吉延，斯永敏，刘阳，等.巨磁致伸缩薄膜/光纤的制备及其磁探测性能[J].传感器技术，2004，23（10）：18-21.

[5] 李智忠，张学亮，孟洲，等.全保偏M-Z型光纤磁场传感系统实验研究[J].光电子激光，2004，15（10）：158-161.