基于LabVIW的光纤水听器闭环工作点控制系统

　　1 引 言

　　干涉型光纤水听器由于输出的相位调制信号与外界声信号成非线性关系，而且受温度变化、压力波动和机械抖动等因素的影响，两臂相位差会随机漂移，从而引起信号幅度的随机涨落，即相位衰落现象。因此，其信号检测比其它类型的光纤水听器要困难得多。伴随着光纤水听器技术近30年的发展，出现了许多抗相位衰落的信号检测方法[1～9]，其中闭环工作点控制属于主动相位补偿的一种，具有简单、线性度好和抗光源相位噪声等优点[1，6]，但是干涉仪中压电陶瓷(PZT)的引入，大大降低了系统的稳定性与可靠性，且操作不方便。

　　为了克服传统闭环工作点控制的缺点，本文通过调节光源频率，利用非平衡干涉仪两臂光程差产生补偿相位实现了无源零差检测，利用LabVIEW平台实现了闭环工作点控制检测系统，并对传统的信号解调算法进行了改进，从而提高了检测精度、扩大了动态范围。将该系统应用到干涉型光纤水听器的声压相位灵敏度测量中，取得了满意的结果。该闭环工作点控制系统具有友好、美观的人机界面，能广泛应用到各种干涉型光纤传感器的动态相移检测当中。

　　2 闭环工作点控制的基本原理[6,7]

　　图1是无源零差的Michelson干涉型光纤水听器闭环工作点控制系统示意图。光电探测器输出的信号经A/D采集到计算机，通过求解工作点得到补偿电压，经D/A输出到光源调节光频，从而利用干涉仪两臂的光程差产生相位的补偿相位。因此，干涉仪输出的光强信号经光电探测器转换成电压信号后都可以写成

　　式中，A、B是输入光功率以及光电探测器的转换效率成正比的常量，B还与干涉仪的相干系数有关;φ0是干涉仪两臂的初始光程差引入的相位差;φn是各种环境噪声(主要是温度的变化)引起的相位变化;φc是光源频率变化引入的相移;φs是检测的声信号引入的相移，若光纤水听器受到角频率为ωs的正弦声信号的作用，则有φs=Cssinωst，其中Cs是声信号引起的最大相移。

　　若定义系统的工作点为

　　则式(1)可以写成

　　将式(3)用Bessel函数展开可得

　　式中，Jk(Cs)是第一类k阶Bessel函数。式(4)经低通滤波去掉所有倍频项，得到

　　一般，环境温度变化非常缓慢，由式(2)可知，φp是一个频率很低的信号，φs频率相对较高。因此，在足够短的一段数据上可以将φp看成常数，则由式(5)可知，滤波后的信号是一个含直流量的正弦信号，频率是ωs，其直流幅度和交流幅度分别记为VD和VA，则有

　　传统算法认为工作点正好被控制在π/2，即φP=π/2，且取近似J0(Cs)≈1，J1(Cs)≈Cs/2，则由式(7)可得声信号引起的动态相移幅度Cs。这要求工作点控制精度很高，而且信号幅度很小，否则解调误差会急剧增加。

　　为了克服传统算法的缺点，对其进行了改进。假设J0(Cs)≈1(当φP和CS满足一定条件时，这种假设是合理的[8])，则由式(6)和关系式sin2φP+COS2φP=1可得

　　由式(8)求得工作点φP后，计算偏离量△φP=π/2-φP，若大于设定的阈值△φP，则调节加在光源上的电压使之改变Δυ，相应的工作点变化△φP，让光纤水听器工作在灵敏区;若小于设定的阈值，即△φP<△φP，则将式(8)带入式(7)，保留一阶Bessel函数的前3项可得

　　式中

　　求解方程式(9)即可得到信号幅度CS。算法改进后，系统不再受CS《1的限制，扩大了检测的动态范围;对于一般的小信号检测，工作点控制的阈值不必设得很小，大大缩短了控制的时间，从而加快了检测的速度;另外，南于对Bessel函数取了更高阶的近似，信号解调的精度也提高了[8]。

　　由上面的分析，要实现工作点控制，必须知道参数A、B以及△υ与△φP间的关系，即相位调制系数cφ/υ=△φP/Δυ。用高频大幅度线性电压信号对光源进行调制，则有φc=kt，k为最大调制电压对应的相移，若此时不加声信号，由式(1)可得

　　式中，φcon=φ0+φn，相对调制信号变化非常缓慢，近似为常数。从式(11)不难看出，此时输出信号为一个含直流量、初始相位不为零的余弦信号。采集足够长的一段数据，找到一组相邻的极大、极小值，分别记为Vmax、Vmin，并找出它们对应的调制电压，分别记为υmax、υmin。而余弦信号相邻的极大、极小值问的相位变化为π，因此可得

　　3 闭环工作点控制的LabVIEW实现

　　LabVIEW是美国National Instnlments(NI)公司于20世纪80年代中期推出的基于虚拟仪器(VI)概念的工作平台。它采用图形化的G语言进行编程，程序清晰，调试方便。LabVIEW功能强大，且具有开发简单、实时性强和界面友好等优点，非常适合实时的检测与控制。

　　根据闭环工作点控制的基本原理，用LabVIEW实现了编程，程序主要包括A/D和D/A驱动程序、工作点控制参数计算、工作点及其偏移量计算模块、调制电压偏移量计算和时域及频域信号显示。由于使用的是N1公司的数据采集卡，LabVIEW子程序库中有通用的A/D、D/A驱动程序，只要进行简单的参数设置即可使用。借助LabVIEW丰富的算术(numeric)和逻辑运算(bulean)功能，利用FOR循环结构、A/D和D/A驱动程序可以实现信号的离散化采集以及计算得到工作点控制所需的3个参数A、B和cφ/υ，从而计算出偏置电压△V，通过采集卡的D/A通道输出至光源，进行工作点控制，再结合LabVIEW的While循环，可以实现对干涉仪工作点的长期闭环跟踪和控制，获得稳定的输出信号。

　　4 实验及结果

　　应用该系统对某一干涉型光纤水听器声压灵敏度进行了测量，实验设计如图2所示。光纤水听器声压相位灵敏度通过与标准压电水听器比较的方法获得。信号源输出的信号经功率放大后驱动声压罐，产生准平面声波。标准压电水听器和光纤水听器输出的信号，分别进行放大滤波和光电转换，然后经A/D同时采集到计算机进行处理。计算得到干涉仪的工作点，若偏离π/2的值大于设置的域值，则经D/A输出直流电压信号至光源调节光频，从而进行相位补偿，将工作点拉回到π/2附近，让系统一直工作在最灵敏的检测区域。图3是工作点控制前、后光纤水听器输出信号的对比。可以看到，进行控制前输出信号的幅度不稳定，控制后可以获得稳定的输出信号。图4是实验中工作点控制的情况。可以看到，进行控制前工作 点在O～π问缓慢变化，控制后工作点基本稳定在π/2附近。

　　光纤水听器两臂的光纤长度差为15 m，光源波长为1550nm，经测试系统的相位调制系数约为cφ/υ=0.24 rad/V。光纤水听器声压相位灵敏度频响如图5所示。可以看到，在测量频带102～2