基于LabVIW的光纖水聽器閉環工作點控制系統

　　1 引 言

　　干涉型光纖水聽器由于輸出的相位調制信號與外界聲信號成非線性關系，而且受溫度變化、壓力波動和機械抖動等因素的影響，兩臂相位差會隨機漂移，從而引起信號幅度的隨機漲落，即相位衰落現象。因此，其信號檢測比其它類型的光纖水聽器要困難得多。伴隨著光纖水聽器技術近30年的發展，出現了許多抗相位衰落的信號檢測方法[1～9]，其中閉環工作點控制屬于主動相位補償的一種，具有簡單、線性度好和抗光源相位噪聲等優點[1，6]，但是干涉儀中壓電陶瓷(PZT)的引入，大大降低了系統的穩定性與可靠性，且操作不方便。

　　為了克服傳統閉環工作點控制的缺點，本文通過調節光源頻率，利用非平衡干涉儀兩臂光程差產生補償相位實現了無源零差檢測，利用LabVIEW平臺實現了閉環工作點控制檢測系統，并對傳統的信號解調算法進行了改進，從而提高了檢測精度、擴大了動態范圍。將該系統應用到干涉型光纖水聽器的聲壓相位靈敏度測量中，取得了滿意的結果。該閉環工作點控制系統具有友好、美觀的人機界面，能廣泛應用到各種干涉型光纖傳感器的動態相移檢測當中。

　　2 閉環工作點控制的基本原理[6,7]

　　圖1是無源零差的Michelson干涉型光纖水聽器閉環工作點控制系統示意圖。光電探測器輸出的信號經A/D采集到計算機，通過求解工作點得到補償電壓，經D/A輸出到光源調節光頻，從而利用干涉儀兩臂的光程差產生相位的補償相位。因此，干涉儀輸出的光強信號經光電探測器轉換成電壓信號后都可以寫成

　　式中，A、B是輸入光功率以及光電探測器的轉換效率成正比的常量，B還與干涉儀的相干系數有關;φ0是干涉儀兩臂的初始光程差引入的相位差;φn是各種環境噪聲(主要是溫度的變化)引起的相位變化;φc是光源頻率變化引入的相移;φs是檢測的聲信號引入的相移，若光纖水聽器受到角頻率為ωs的正弦聲信號的作用，則有φs=Cssinωst，其中Cs是聲信號引起的最大相移。

　　若定義系統的工作點為

　　則式(1)可以寫成

　　將式(3)用Bessel函數展開可得

　　式中，Jk(Cs)是第一類k階Bessel函數。式(4)經低通濾波去掉所有倍頻項，得到

　　一般，環境溫度變化非常緩慢，由式(2)可知，φp是一個頻率很低的信號，φs頻率相對較高。因此，在足夠短的一段數據上可以將φp看成常數，則由式(5)可知，濾波后的信號是一個含直流量的正弦信號，頻率是ωs，其直流幅度和交流幅度分別記為VD和VA，則有

　　傳統算法認為工作點正好被控制在π/2，即φP=π/2，且取近似J0(Cs)≈1，J1(Cs)≈Cs/2，則由式(7)可得聲信號引起的動態相移幅度Cs。這要求工作點控制精度很高，而且信號幅度很小，否則解調誤差會急劇增加。

　　為了克服傳統算法的缺點，對其進行了改進。假設J0(Cs)≈1(當φP和CS滿足一定條件時，這種假設是合理的[8])，則由式(6)和關系式sin2φP+COS2φP=1可得

　　由式(8)求得工作點φP后，計算偏離量△φP=π/2-φP，若大于設定的閾值△φP，則調節加在光源上的電壓使之改變Δυ，相應的工作點變化△φP，讓光纖水聽器工作在靈敏區;若小于設定的閾值，即△φP<△φP，則將式(8)帶入式(7)，保留一階Bessel函數的前3項可得

　　式中

　　求解方程式(9)即可得到信號幅度CS。算法改進后，系統不再受CS《1的限制，擴大了檢測的動態范圍;對于一般的小信號檢測，工作點控制的閾值不必設得很小，大大縮短了控制的時間，從而加快了檢測的速度;另外，南于對Bessel函數取了更高階的近似，信號解調的精度也提高了[8]。

　　由上面的分析，要實現工作點控制，必須知道參數A、B以及△υ與△φP間的關系，即相位調制系數cφ/υ=△φP/Δυ。用高頻大幅度線性電壓信號對光源進行調制，則有φc=kt，k為最大調制電壓對應的相移，若此時不加聲信號，由式(1)可得

　　式中，φcon=φ0+φn，相對調制信號變化非常緩慢，近似為常數。從式(11)不難看出，此時輸出信號為一個含直流量、初始相位不為零的余弦信號。采集足夠長的一段數據，找到一組相鄰的極大、極小值，分別記為Vmax、Vmin，并找出它們對應的調制電壓，分別記為υmax、υmin。而余弦信號相鄰的極大、極小值問的相位變化為π，因此可得

　　3 閉環工作點控制的LabVIEW實現

　　LabVIEW是美國National Instnlments(NI)公司于20世紀80年代中期推出的基于虛擬儀器(VI)概念的工作平臺。它采用圖形化的G語言進行編程，程序清晰，調試方便。LabVIEW功能強大，且具有開發簡單、實時性強和界面友好等優點，非常適合實時的檢測與控制。

　　根據閉環工作點控制的基本原理，用LabVIEW實現了編程，程序主要包括A/D和D/A驅動程序、工作點控制參數計算、工作點及其偏移量計算模塊、調制電壓偏移量計算和時域及頻域信號顯示。由于使用的是N1公司的數據采集卡，LabVIEW子程序庫中有通用的A/D、D/A驅動程序，只要進行簡單的參數設置即可使用。借助LabVIEW豐富的算術(numeric)和邏輯運算(bulean)功能，利用FOR循環結構、A/D和D/A驅動程序可以實現信號的離散化采集以及計算得到工作點控制所需的3個參數A、B和cφ/υ，從而計算出偏置電壓△V，通過采集卡的D/A通道輸出至光源，進行工作點控制，再結合LabVIEW的While循環，可以實現對干涉儀工作點的長期閉環跟蹤和控制，獲得穩定的輸出信號。

　　4 實驗及結果

　　應用該系統對某一干涉型光纖水聽器聲壓靈敏度進行了測量，實驗設計如圖2所示。光纖水聽器聲壓相位靈敏度通過與標準壓電水聽器比較的方法獲得。信號源輸出的信號經功率放大后驅動聲壓罐，產生準平面聲波。標準壓電水聽器和光纖水聽器輸出的信號，分別進行放大濾波和光電轉換，然后經A/D同時采集到計算機進行處理。計算得到干涉儀的工作點，若偏離π/2的值大于設置的域值，則經D/A輸出直流電壓信號至光源調節光頻，從而進行相位補償，將工作點拉回到π/2附近，讓系統一直工作在最靈敏的檢測區域。圖3是工作點控制前、后光纖水聽器輸出信號的對比。可以看到，進行控制前輸出信號的幅度不穩定，控制后可以獲得穩定的輸出信號。圖4是實驗中工作點控制的情況。可以看到，進行控制前工作 點在O～π問緩慢變化，控制后工作點基本穩定在π/2附近。

　　光纖水聽器兩臂的光纖長度差為15 m，光源波長為1550nm，經測試系統的相位調制系數約為cφ/υ=0.24 rad/V。光纖水聽器聲壓相位靈敏度頻響如圖5所示。可以看到，在測量頻帶102～2