基于LabVIW的光纖水聽(tīng)器閉環(huán)工作點(diǎn)控制系統(tǒng)

　　1 引 言

　　干涉型光纖水聽(tīng)器由于輸出的相位調(diào)制信號(hào)與外界聲信號(hào)成非線(xiàn)性關(guān)系，而且受溫度變化、壓力波動(dòng)和機(jī)械抖動(dòng)等因素的影響，兩臂相位差會(huì)隨機(jī)漂移，從而引起信號(hào)幅度的隨機(jī)漲落，即相位衰落現(xiàn)象。因此，其信號(hào)檢測(cè)比其它類(lèi)型的光纖水聽(tīng)器要困難得多。伴隨著光纖水聽(tīng)器技術(shù)近30年的發(fā)展，出現(xiàn)了許多抗相位衰落的信號(hào)檢測(cè)方法[1～9]，其中閉環(huán)工作點(diǎn)控制屬于主動(dòng)相位補(bǔ)償?shù)囊环N，具有簡(jiǎn)單、線(xiàn)性度好和抗光源相位噪聲等優(yōu)點(diǎn)[1，6]，但是干涉儀中壓電陶瓷(PZT)的引入，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，且操作不方便。

　　為了克服傳統(tǒng)閉環(huán)工作點(diǎn)控制的缺點(diǎn)，本文通過(guò)調(diào)節(jié)光源頻率，利用非平衡干涉儀兩臂光程差產(chǎn)生補(bǔ)償相位實(shí)現(xiàn)了無(wú)源零差檢測(cè)，利用LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)工作點(diǎn)控制檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)傳統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)算法進(jìn)行了改進(jìn)，從而提高了檢測(cè)精度、擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍。將該系統(tǒng)應(yīng)用到干涉型光纖水聽(tīng)器的聲壓相位靈敏度測(cè)量中，取得了滿(mǎn)意的結(jié)果。該閉環(huán)工作點(diǎn)控制系統(tǒng)具有友好、美觀的人機(jī)界面，能廣泛應(yīng)用到各種干涉型光纖傳感器的動(dòng)態(tài)相移檢測(cè)當(dāng)中。

　　2 閉環(huán)工作點(diǎn)控制的基本原理[6,7]

　　圖1是無(wú)源零差的Michelson干涉型光纖水聽(tīng)器閉環(huán)工作點(diǎn)控制系統(tǒng)示意圖。光電探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)A/D采集到計(jì)算機(jī)，通過(guò)求解工作點(diǎn)得到補(bǔ)償電壓，經(jīng)D/A輸出到光源調(diào)節(jié)光頻，從而利用干涉儀兩臂的光程差產(chǎn)生相位的補(bǔ)償相位。因此，干涉儀輸出的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后都可以寫(xiě)成

　　式中，A、B是輸入光功率以及光電探測(cè)器的轉(zhuǎn)換效率成正比的常量，B還與干涉儀的相干系數(shù)有關(guān);φ0是干涉儀兩臂的初始光程差引入的相位差;φn是各種環(huán)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(cè)的聲信號(hào)引入的相移，若光纖水聽(tīng)器受到角頻率為ωs的正弦聲信號(hào)的作用，則有φs=Cssinωst，其中Cs是聲信號(hào)引起的最大相移。

　　若定義系統(tǒng)的工作點(diǎn)為

　　則式(1)可以寫(xiě)成

　　將式(3)用Bessel函數(shù)展開(kāi)可得

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

　　一般，環(huán)境溫度變化非常緩慢，由式(2)可知，φp是一個(gè)頻率很低的信號(hào)，φs頻率相對(duì)較高。因此，在足夠短的一段數(shù)據(jù)上可以將φp看成常數(shù)，則由式(5)可知，濾波后的信號(hào)是一個(gè)含直流量的正弦信號(hào)，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(tǒng)算法認(rèn)為工作點(diǎn)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(hào)引起的動(dòng)態(tài)相移幅度Cs。這要求工作點(diǎn)控制精度很高，而且信號(hào)幅度很小，否則解調(diào)誤差會(huì)急劇增加。

　　為了克服傳統(tǒng)算法的缺點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。假設(shè)J0(Cs)≈1(當(dāng)φP和CS滿(mǎn)足一定條件時(shí)，這種假設(shè)是合理的[8])，則由式(6)和關(guān)系式sin2φP+COS2φP=1可得

　　由式(8)求得工作點(diǎn)φP后，計(jì)算偏離量△φP=π/2-φP，若大于設(shè)定的閾值△φP，則調(diào)節(jié)加在光源上的電壓使之改變?chǔ)う裕鄳?yīng)的工作點(diǎn)變化△φP，讓光纖水聽(tīng)器工作在靈敏區(qū);若小于設(shè)定的閾值，即△φP<△φP，則將式(8)帶入式(7)，保留一階Bessel函數(shù)的前3項(xiàng)可得

　　式中

　　求解方程式(9)即可得到信號(hào)幅度CS。算法改進(jìn)后，系統(tǒng)不再受CS《1的限制，擴(kuò)大了檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍;對(duì)于一般的小信號(hào)檢測(cè)，工作點(diǎn)控制的閾值不必設(shè)得很小，大大縮短了控制的時(shí)間，從而加快了檢測(cè)的速度;另外，南于對(duì)Bessel函數(shù)取了更高階的近似，信號(hào)解調(diào)的精度也提高了[8]。

　　由上面的分析，要實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)控制，必須知道參數(shù)A、B以及△υ與△φP間的關(guān)系，即相位調(diào)制系數(shù)cφ/υ=△φP/Δυ。用高頻大幅度線(xiàn)性電壓信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，則有φc=kt，k為最大調(diào)制電壓對(duì)應(yīng)的相移，若此時(shí)不加聲信號(hào)，由式(1)可得

　　式中，φcon=φ0+φn，相對(duì)調(diào)制信號(hào)變化非常緩慢，近似為常數(shù)。從式(11)不難看出，此時(shí)輸出信號(hào)為一個(gè)含直流量、初始相位不為零的余弦信號(hào)。采集足夠長(zhǎng)的一段數(shù)據(jù)，找到一組相鄰的極大、極小值，分別記為Vmax、Vmin，并找出它們對(duì)應(yīng)的調(diào)制電壓，分別記為υmax、υmin。而余弦信號(hào)相鄰的極大、極小值問(wèn)的相位變化為π，因此可得

　　3 閉環(huán)工作點(diǎn)控制的LabVIEW實(shí)現(xiàn)

　　LabVIEW是美國(guó)National Instnlments(NI)公司于20世紀(jì)80年代中期推出的基于虛擬儀器(VI)概念的工作平臺(tái)。它采用圖形化的G語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序清晰，調(diào)試方便。LabVIEW功能強(qiáng)大，且具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和界面友好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合實(shí)時(shí)的檢測(cè)與控制。

　　根據(jù)閉環(huán)工作點(diǎn)控制的基本原理，用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了編程，程序主要包括A/D和D/A驅(qū)動(dòng)程序、工作點(diǎn)控制參數(shù)計(jì)算、工作點(diǎn)及其偏移量計(jì)算模塊、調(diào)制電壓偏移量計(jì)算和時(shí)域及頻域信號(hào)顯示。由于使用的是N1公司的數(shù)據(jù)采集卡，LabVIEW子程序庫(kù)中有通用的A/D、D/A驅(qū)動(dòng)程序，只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置即可使用。借助LabVIEW豐富的算術(shù)(numeric)和邏輯運(yùn)算(bulean)功能，利用FOR循環(huán)結(jié)構(gòu)、A/D和D/A驅(qū)動(dòng)程序可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的離散化采集以及計(jì)算得到工作點(diǎn)控制所需的3個(gè)參數(shù)A、B和cφ/υ，從而計(jì)算出偏置電壓△V，通過(guò)采集卡的D/A通道輸出至光源，進(jìn)行工作點(diǎn)控制，再結(jié)合LabVIEW的While循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉儀工作點(diǎn)的長(zhǎng)期閉環(huán)跟蹤和控制，獲得穩(wěn)定的輸出信號(hào)。

　　4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

　　應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)某一干涉型光纖水聽(tīng)器聲壓靈敏度進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖2所示。光纖水聽(tīng)器聲壓相位靈敏度通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽(tīng)器比較的方法獲得。信號(hào)源輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)聲壓罐，產(chǎn)生準(zhǔn)平面聲波。標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽(tīng)器和光纖水聽(tīng)器輸出的信號(hào)，分別進(jìn)行放大濾波和光電轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)A/D同時(shí)采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算得到干涉儀的工作點(diǎn)，若偏離π/2的值大于設(shè)置的域值，則經(jīng)D/A輸出直流電壓信號(hào)至光源調(diào)節(jié)光頻，從而進(jìn)行相位補(bǔ)償，將工作點(diǎn)拉回到π/2附近，讓系統(tǒng)一直工作在最靈敏的檢測(cè)區(qū)域。圖3是工作點(diǎn)控制前、后光纖水聽(tīng)器輸出信號(hào)的對(duì)比。可以看到，進(jìn)行控制前輸出信號(hào)的幅度不穩(wěn)定，控制后可以獲得穩(wěn)定的輸出信號(hào)。圖4是實(shí)驗(yàn)中工作點(diǎn)控制的情況?？梢钥吹?，進(jìn)行控制前工作 點(diǎn)在O～π問(wèn)緩慢變化，控制后工作點(diǎn)基本穩(wěn)定在π/2附近。

　　光纖水聽(tīng)器兩臂的光纖長(zhǎng)度差為15 m，光源波長(zhǎng)為1550nm，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)的相位調(diào)制系數(shù)約為cφ/υ=0.24 rad/V。光纖水聽(tīng)器聲壓相位靈敏度頻響如圖5所示?？梢钥吹?，在測(cè)量頻帶102～2