基于ARM和DSP的地震加速度信號處理系統(tǒng)

　　引言

　　ARM和DSP作為嵌入式技術(shù)應(yīng)用在地震信號處理系統(tǒng)中，能很好地滿足地震加速度計(jì)對實(shí)時(shí)性、高精度以及網(wǎng)絡(luò)化的要求，因此，利用光線傳感基于ARM 和DSP雙核微處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，一方面發(fā)揮DSP的快速信號處理能力，且能進(jìn)行小數(shù)運(yùn)算，提高運(yùn)算精度，完成地震加速度已調(diào)信號的解調(diào)和頻譜分析；另一方面充分利用ARM豐富的片上系統(tǒng)資源，能實(shí)現(xiàn)解調(diào)信號及其頻譜信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸和顯示，該方案僅通過改變軟件無需重構(gòu)電路就能方便快捷地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

　　地震加速度計(jì)由傳感探頭、光電轉(zhuǎn)換及信號處理系統(tǒng)構(gòu)成。傳感探頭由采用基于3x3耦合的光纖M—z干涉儀和相關(guān)機(jī)械部分組成。如圖1所示，干涉儀的輸入端是一只2x2耦合器，輸出端是一只3x3耦合器，被測信號加在干涉儀的傳感臂上。

　　干涉儀的兩臂光纖分別纏繞在傳感頭中的上下兩個(gè)力臂圓筒上，當(dāng)外部施加振動時(shí)，簡諧振子施加給信號臂光纖一個(gè)縱向的應(yīng)力，光纖的長度產(chǎn)生變化±△L （應(yīng)變效應(yīng)）、光纖芯的直徑d產(chǎn)生變化±△d（泊松效應(yīng)）、纖芯折射率n產(chǎn)生變化±△n（光彈效應(yīng)），這些變化將導(dǎo)致光纖中光波的相位發(fā)生變化。泊松效應(yīng)相對應(yīng)變效應(yīng)和光彈效應(yīng)造成的相位變化非常小，可以忽略不計(jì)，從而即完成加速度信號對光信號的相位調(diào)制。參考臂和信號臂在3x3耦合器內(nèi)發(fā)生十涉，將相位變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)變化，輸出的光強(qiáng)信號經(jīng)PIN轉(zhuǎn)換為電流信號，輸出給信號處理系統(tǒng)，能進(jìn)行地震加速度信號的解調(diào)、頻譜分析顯示及網(wǎng)絡(luò)傳輸控制等。

　　2 信號解調(diào)原理

　　對傳感系統(tǒng)中的簡諧振子進(jìn)行分析可以得出，光波相位變化 Φ（t）與簡諧振子感受的加速度a（t）有如下關(guān)系。

　　式中，E為光纖的楊氏模量；A為光纖的橫截面積；為彈簧片剛度系數(shù)：為有效光纖長度；m為簡諧振子質(zhì)量。從（1）式可以看出被測加速度與光相位變化呈線性關(guān)系。

　　在3x3耦合對稱情況下，從干涉儀輸出的3路電流信號，經(jīng)I，v變換電路和放大電路后的輸出為：

　　式中，C 、B （ i=1，2，3）分別為3路輸出的直流分量和交流增益；為被測信號引起的光相位差。從（2）中解出Φ（t），再結(jié)合（1）式就可以得到加速度信號。求解Φ（t）的算法框圖如圖2所示。

　　解調(diào)輸出信號：

　　結(jié)合式（1）和式（3）即可求出加速度a（t）。