摘要：多個光纖傳感器采用時分復用（TDM）技術構成一個傳感器陣列，陣列采用光脈沖尋址方式實現(xiàn)每個光纖傳感器信號的分離。攜帶每個傳感器測量信號的光脈沖串經由光電探測器完成光電轉換，輸出電信號脈沖串。

本文介紹一個利用PCI9846H采集卡實現(xiàn)的時分復用光纖傳感器陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，利用PCI9846H采集卡的外部數(shù)字信號觸發(fā)功能和延時觸發(fā)模式實現(xiàn)對光電轉換后電脈沖信號的采集。完成采樣后，對各個傳感器信號按時延進行分離、信號解調，并可對各個傳感器信號進行存儲和分析。

光纖傳感器技術近年來得到了迅速發(fā)展，光纖傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、易于復用、傳感與信號傳輸集于一體等優(yōu)點，在安全監(jiān)測、導航系統(tǒng)、水聲探測、電力系統(tǒng)等領域日益得到廣泛應用。為了實現(xiàn)多點、多參數(shù)同時探測，滿足系統(tǒng)對探測范圍、距離、探測能力、降低成本等多方面的要求，多個光纖傳感器可通過時分復用、波分復用、頻分復用等方式，實現(xiàn)在單根傳輸光纖內傳輸多路傳感器信號，并且共用激光器、光電探測器和其他電子設備。在多個光纖傳感器信號的接收端，采取解復用技術恢復多路傳感器信號，為后續(xù)信號處理和數(shù)據(jù)存儲提供基礎。當前，在高數(shù)據(jù)速率要求的光纖傳感器系統(tǒng)（如聲、振動傳感系統(tǒng)）中，通過多種復用方式相結合，傳感器陣列復用度可以達到數(shù)十至數(shù)百；在低數(shù)據(jù)速率要求的光纖傳感器系統(tǒng)（如溫度、壓力傳感系統(tǒng)中），傳感器陣列復用度可以達到數(shù)百至數(shù)千。

在各種復用技術中，時分復用技術具有復用度高、不需要額外的光器件實現(xiàn)解復用的特點，近年來一直受到廣泛關注，已成為光纖傳感器陣列的主要復用方式。一個采用時分復用的光纖傳感器陣列，只需要1個激光器為其提供信號；陣列信號回傳后，只需1路光電轉換電路和采樣電路，實現(xiàn)陣列各個傳感器的信號提取。因此，采用時分復用技術可以大大減小光纖傳感器陣列的解調系統(tǒng)的復雜度、降低成本。在時分復用技術中，主要采用時延對準同步采樣技術實現(xiàn)各傳感器信號的分離，即解時分復用。

由于時分復用光纖傳感器陣列的訪問頻率、脈寬、延時、復用度等主要參數(shù)和具體需求直接相關，因此一般針對具體要求，設計解時分電路。以聲學傳感時分復用光纖傳感器陣列為例，工作頻率和空間采樣率需求的不同，以及后續(xù)信號解調算法對各通道信號帶寬要求不周，使時分復用光纖傳感陣列的訪問頻率可以從數(shù)千赫茲到數(shù)兆赫茲，構建一套能較廣泛適用于聲學傳感時分復用光纖傳感器陣列性能測試的系統(tǒng)，其最大難題在于需要采樣率調節(jié)范圍大、可以與光脈沖產生同步、采樣延遲時間可以靈活調整的采樣電路。除以上要求以外，還需要足夠的量化位數(shù)，以避免量化噪聲惡化解調信號的信噪比。

凌華科技的PCI9846H采集卡采樣率最高可達40MHz，量化位數(shù)達到16位，可以外同步預觸發(fā)或延遲觸發(fā)。同時，該采集卡具有512MB的緩存，在高速采樣時，能夠滿足緩存足夠的數(shù)據(jù)，以滿足后續(xù)信號解調和分析的需要。該采集板的以上特性，可以滿足光纖傳感器時分復用陣列數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)的技術需求。

1、光纖傳感器時分復用技術基本原理

光纖傳感器時分復用技術采用光脈沖來區(qū)分各個傳感器的信號。脈沖光輸入到傳感器陣列后，依次通過時延和分光后送到各傳感器，各傳感器輸出光信號通過合光合并為一束。由于各個復用的傳感器之間存在一定的時延差，因此在接收端可獲得一串存在固定時延差的光脈沖。在脈沖串中，每一個光脈沖對應復用系統(tǒng)中的一個光纖傳感器，每個光纖傳感器測量的信息包含在光脈沖的幅度（或相位、波長）變化中，因此可以通過光脈沖的順序采樣分離各個光纖傳感器信號。

圖1 4個光纖傳感器的時分復用系統(tǒng)（d表示延遲光纖，s1~s4代表4個光纖傳感器）

光纖傳感器時分復用系統(tǒng)典型的陣列光路結構見圖1。設輸入寬度為、周期為的脈沖光，陣列輸出周期為的脈沖串，則對每個傳感器的訪問頻率為。訪問頻率的設計需要考慮傳感器的工作帶寬和噪聲特性，光脈沖寬度常取決于脈沖調制器及接收電路的帶寬。對于聲與振動等較大帶寬要求的光纖傳感系統(tǒng)，訪問頻率越高，傳感器信號帶寬越寬，高頻噪聲的混疊越小。同時，在光脈寬固定情況下，復用度越高，訪問頻率越低，并且光插入損耗越大。因此，選擇復用度的關鍵是在復用規(guī)模和性能上取得最佳的平衡。

圖2 4個時分復用光纖傳感器系統(tǒng)尋址

光纖傳感器時分復用系統(tǒng)中，由于色散等造成的脈沖展寬與脈沖寬度相比可以忽略不計，傳感器返回脈沖寬度與輸入脈沖光基本相同（采用非平衡干涉儀原理的光纖傳感器返回脈沖寬度將有所擴展，但一般也需保證擴展寬度遠小于輸入光脈沖寬度，以保證良好的光脈沖波形）。相鄰兩個傳感器的脈沖時延為：

其中是相鄰兩個傳感器之間延遲光纖的長度，是光纖纖芯折射率，是光在光纖中傳播的速度。假設為時分復用的復用度，系統(tǒng)中各個傳感器延遲光纖長度相同，在一個時分復用系統(tǒng)中，必須滿足

輸入脈沖光經常由連續(xù)光源和光調制器產生，在光調制器上輸入電脈沖調制信號，即可產生周期與調制信號相同、固定脈寬的光脈沖。

為了拾取傳感器陣列信號，光脈沖串首先經光電轉換后轉變?yōu)殡娒}沖串。對電脈沖串的每個脈沖的幅度依次采樣，即可得到各個傳感器的光強度信息。為了保證能夠準確依次采集到每個脈沖，需要將采樣時鐘與加在光調制器上的調制信號進行同步。同時，由于電路、傳輸光纜和陣列光路的延遲，使返回的光脈沖信號與觸發(fā)信號間存在一個時延差。因此，用于解時分復用的采集板，必須具有延遲觸發(fā)功能，將觸發(fā)時間根據(jù)返回光脈沖信號的時延差進行調整。

2、時分復用光纖傳感器陣列數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)組成

設計的時分復用光纖傳感器陣列數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)主要用來完成采用時分復用結構的聲學光纖傳感器陣列的性能測試，包括分析光纖傳感器陣列的噪聲特性及測試陣列的靈敏度等。系統(tǒng)組成框圖見圖3。其中，光源和聲光調制器用來產生光脈沖信號，光源后置一隔離器用以阻止后端光路反射光干擾光源工作；陣列回傳光信號經光電探測器后由插在微機中的PCI9846H卡實現(xiàn)解復用和數(shù)據(jù)采集，完成后由微機進行后續(xù)信號解調和分析；信號發(fā)生器產生兩路脈沖信號及一路調制載波信號，其中一路脈沖信號作為聲光調制器的光脈沖調制信號，另一路脈沖信號作為PCI9846卡的外觸發(fā)信號，調制載波信號為正弦信號，用于調制光源的激光頻率。

圖3 光纖傳感器時分復用陣列數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)組成框圖

2.2 時分復用光纖傳感器陣列工作原理

系統(tǒng)測試的時分復用光纖傳感器陣列由多個基于Mach–Zehnder干涉儀原理的光纖傳感器組成。輸入的光脈沖信號經不等分光比耦合器下載部分光給每個光纖傳感器。光纖傳感器的光路原理見圖4。輸入到光纖傳感器的光信號首先由一個等分光比耦合器分成兩束，分別進入干涉儀參考臂和傳感器。其中，參考臂用以傳輸參考光，與外界測量信號場隔離；傳感臂用以接收外界聲信號。在外界被測量信號的作用下，傳感臂的光纖隨外界信號的作用被壓縮或拉伸，引起傳輸光的相位改變。兩束光最后通過一個光纖耦合器合成一束，并通過光信號干涉，將傳感臂的相位變化調制為可以被光電探測器檢測的光強度變化。

設干涉儀的兩臂臂長差為。為了使通過干涉儀兩臂的光信號能夠有效干涉，輸入光信號的相干長度必須遠大于；同時，導致的兩束光傳輸?shù)臅r延必須小于輸入光脈沖的脈寬，保證傳感臂和參考臂輸出的光信號有足夠的時間重疊，實現(xiàn)兩束光的干涉。

圖4 基于Mach–Zehnder光纖干涉儀原理的光纖傳感器的光路原理圖

兩束光干涉以后的光強可由下式表示：

式(3)中，為傳感臂輸出光強，為參考臂輸出光強，為參考臂的光相位，為傳感臂的光相位。式(3)中，兩臂輸出光信號相位差通常由固定相差和交變相差兩部分組成，即：

式(4)中，是由兩臂臂長差引起的相差，在理論上應是恒定的，但由于環(huán)境溫度變化及壓力變化等擾動使兩臂長度和折射率發(fā)生變化，因此，常存在一個較慢的漂移；是傳感臂在外界聲場作用下引起的光相位變化，獲得的信息即可獲得被測量信號的信息。

2．3 解時分復用的技術實現(xiàn)

為了對光纖傳感器時分復用陣列各個光纖傳感器性能進行分析，首先要從光電轉換后的陣列信號中提取式(3)表示的各個光纖傳感器信號。在系統(tǒng)中，該項工作由PCI9846H采集卡完成。其實現(xiàn)原理如圖5所示。采集卡采樣率按陣列輸出光脈沖串中的脈沖間隔設置，采集卡工作模式設為外觸發(fā)狀態(tài)。在與聲光調制器驅動信號同步的脈沖信號觸發(fā)下，啟動采樣，提取光脈沖信號的幅度。由于光脈沖到達時間與觸發(fā)脈沖間存在一個時延，因此，需要將采集卡設置成延遲觸發(fā)模式，延遲時間可以通過根據(jù)時延測量結果手動設置，也可以通過自動搜索實現(xiàn)采樣的自動對準。在延遲觸發(fā)時間設置正確的情況下，可以保證采集中各個脈沖的平坦區(qū)。

圖5 數(shù)據(jù)采集與解時分復用

采集后的數(shù)據(jù)按照各個傳感器順序進行抽取，即可完成光纖傳感器信號的解時分復用。為了保證聲學光纖傳感器信號有較大帶寬和動態(tài)范圍，并盡可能減少高頻噪聲的混迭，通常對單個傳感器信號的采樣頻率需達到數(shù)百kHz，因此，要求時分復用后的信號采樣頻率設置達到1MHz左右。采集后的信號先保存在采集卡的緩存中，以保證單批采樣信號的連續(xù)性。單批信號采集完成后，將采集卡緩存中的數(shù)據(jù)讀至微機中，即可進行各個傳感器的信號解調及后續(xù)分析。

2．3 信號解調工作原理

光纖傳感器時分復用陣列信號經PCI9846H采集卡實現(xiàn)信號采集和解時分復用后，需要通過信號解調，從干涉光強度變化信息中提取反映外界聲信號的光相位信息。

光纖傳感器的信號經光電探測轉換為電壓信號后，可由下式表示：

被測量的信息包含在中，采用信號解調技術提取即可獲得被測量量的信息。

與的關系不是線性的，成余弦函數(shù)關系。當取不同值時，在同樣的作用下，的輸出起伏。由圖6可看出，在時，傳感器的探測性能急劇下降，在時，傳感器處在工作線性區(qū)范圍內。這個現(xiàn)象也被成為光纖傳感器的相位衰落現(xiàn)象。相位衰落導致光纖傳感器的檢測性能不穩(wěn)定，嚴重時還可能導致光纖傳感器失效。為了克服相位衰落現(xiàn)象，系統(tǒng)采用了PGC(Phase Generated Carrier)解調技術。

圖6   取不同值時輸出V

PGC解調技術在干涉項內部引入一個比測量信號頻率高的正弦波作為載波，被測量信號調制在載波成分上，作為載波成分的邊帶存在。引入載波后，可同時獲得和的正交分量，從而解決光纖傳感器的相位衰落問題。加入載波調制后的干涉信號如下式如示。

式中，為載波引起的最大相位幅度，為載波頻率。

載波的實現(xiàn)有幾種方法，一是采用正弦信號調制光源的輸出波長，要求光源具有可調諧功能，光纖傳感器的干涉儀具有的臂長差，同時光源的功率在調諧的情況下穩(wěn)定。二是采用正弦信號調制干涉儀一臂的光纖長度，引入隨正弦信號變化的相位。直接調制光源可簡化系統(tǒng)的結構，有助于系統(tǒng)的全光化。在本文所描述的測試系統(tǒng)中，采用正弦信號直接對光源的輸出光信號的頻率進行調制。

圖7 PGC解調算法原理框圖

圖7是PGC解調算法的原理框圖。與載波和二倍頻載波相乘，低通濾波后可獲得包含外界信息相位的正弦和余弦正交項，通過微分、交叉相乘和相減等運算，可以得到光纖傳感器相位信息的微分，積分后即提取。相對于快速變化的來講，屬于慢變信號，兩者在頻率上可分離，高通濾波后即可獲得反映被測量信號的傳感臂光相位變化。

3、試驗結果

建立如圖4所示試驗系統(tǒng)，光源中心波長為1550.12nm，線寬5kHz。信號發(fā)生器產生10kHz正弦波調制光源輸入電流，產生300nm脈寬、周期為的電壓信號輸出至聲光調制器和PCI9846H數(shù)據(jù)采集卡。組成光纖傳感器的干涉儀臂長差約為5米，相鄰光纖傳感器之間的延遲約為400ns。在試驗系統(tǒng)中，傳感器外加500Hz信號。采集卡輸入量程設置為-1~1V，量化位數(shù)為16bit，采樣率設置為1.25MHz，采用延遲觸發(fā)模式，延遲時間約為100ns，以與光脈沖調制信號同頻的TTL脈沖信號作為采集卡觸發(fā)信號。解時分復用和解調算法基于Matlab實現(xiàn)。

改變外部施加在光纖傳感器上的信號和頻率，記錄解時分復用后的信號，并完成光纖傳感器探測信號解調。

圖8 試驗系統(tǒng)輸出時分復用脈沖

圖9 1#傳感器解時分復用后信號

圖10 1#傳感器解調后波形及頻譜

從試驗結果可知，解調后的信號頻率與實際施加信號相同，幅度呈良好的線性關系，解時分復用系統(tǒng)的設計方案可行。同時，提高采集卡的采樣頻率，構建復用度更高的時分復用系統(tǒng)是可行的。該系統(tǒng)還可應用于對時分復用的光纖傳感器進行測試和測量。

4、結束語

光纖傳感器的時分復用技術可以降低系統(tǒng)因光源等其他部件帶來的系統(tǒng)高成本問題，為高性能的光纖傳感傳感器提供廣泛的應用空間。凌華科技的PCI9846H采集卡靈活的觸發(fā)方式、達到MHz量級高采樣率、16位的量化位數(shù)和方便的函數(shù)調用，為快速開發(fā)光纖傳感器時分復用陣列的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)提供了一種有效可靠的解決途徑。