PCI9846H采集卡在时分复用光纤传感器阵列数据采集中的应用

摘要：多个光纤传感器采用时分复用（TDM）技术构成一个传感器阵列，阵列采用光脉冲寻址方式实现每个光纤传感器信号的分离。携带每个传感器测量信号的光脉冲串经由光电探测器完成光电转换，输出电信号脉冲串。

本文介绍一个利用PCI9846H采集卡实现的时分复用光纤传感器阵列数据采集系统。在该系统中，利用PCI9846H采集卡的外部数字信号触发功能和延时触发模式实现对光电转换后电脉冲信号的采集。完成采样后，对各个传感器信号按时延进行分离、信号解调，并可对各个传感器信号进行存储和分析。

光纤传感器技术近年来得到了迅速发展，光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、易于复用、传感与信号传输集于一体等优点，在安全监测、导航系统、水声探测、电力系统等领域日益得到广泛应用。为了实现多点、多参数同时探测，满足系统对探测范围、距离、探测能力、降低成本等多方面的要求，多个光纤传感器可通过时分复用、波分复用、频分复用等方式，实现在单根传输光纤内传输多路传感器信号，并且共用激光器、光电探测器和其他电子设备。在多个光纤传感器信号的接收端，采取解复用技术恢复多路传感器信号，为后续信号处理和数据存储提供基础。当前，在高数据速率要求的光纤传感器系统（如声、振动传感系统）中，通过多种复用方式相结合，传感器阵列复用度可以达到数十至数百；在低数据速率要求的光纤传感器系统（如温度、压力传感系统中），传感器阵列复用度可以达到数百至数千。

在各种复用技术中，时分复用技术具有复用度高、不需要额外的光器件实现解复用的特点，近年来一直受到广泛关注，已成为光纤传感器阵列的主要复用方式。一个采用时分复用的光纤传感器阵列，只需要1个激光器为其提供信号；阵列信号回传后，只需1路光电转换电路和采样电路，实现阵列各个传感器的信号提取。因此，采用时分复用技术可以大大减小光纤传感器阵列的解调系统的复杂度、降低成本。在时分复用技术中，主要采用时延对准同步采样技术实现各传感器信号的分离，即解时分复用。

由于时分复用光纤传感器阵列的访问频率、脉宽、延时、复用度等主要参数和具体需求直接相关，因此一般针对具体要求，设计解时分电路。以声学传感时分复用光纤传感器阵列为例，工作频率和空间采样率需求的不同，以及后续信号解调算法对各通道信号带宽要求不周，使时分复用光纤传感阵列的访问频率可以从数千赫兹到数兆赫兹，构建一套能较广泛适用于声学传感时分复用光纤传感器阵列性能测试的系统，其最大难题在于需要采样率调节范围大、可以与光脉冲产生同步、采样延迟时间可以灵活调整的采样电路。除以上要求以外，还需要足够的量化位数，以避免量化噪声恶化解调信号的信噪比。

凌华科技的PCI9846H采集卡采样率最高可达40MHz，量化位数达到16位，可以外同步预触发或延迟触发。同时，该采集卡具有512MB的缓存，在高速采样时，能够满足缓存足够的数据，以满足后续信号解调和分析的需要。该采集板的以上特性，可以满足光纤传感器时分复用阵列数据采集和测试系统的技术需求。

1、光纤传感器时分复用技术基本原理

光纤传感器时分复用技术采用光脉冲来区分各个传感器的信号。脉冲光输入到传感器阵列后，依次通过时延和分光后送到各传感器，各传感器输出光信号通过合光合并为一束。由于各个复用的传感器之间存在一定的时延差，因此在接收端可获得一串存在固定时延差的光脉冲。在脉冲串中，每一个光脉冲对应复用系统中的一个光纤传感器，每个光纤传感器测量的信息包含在光脉冲的幅度（或相位、波长）变化中，因此可以通过光脉冲的顺序采样分离各个光纤传感器信号。

图1 4个光纤传感器的时分复用系统（d表示延迟光纤，s1~s4代表4个光纤传感器）

光纤传感器时分复用系统典型的阵列光路结构见图1。设输入宽度为、周期为的脉冲光，阵列输出周期为的脉冲串，则对每个传感器的访问频率为。访问频率的设计需要考虑传感器的工作带宽和噪声特性，光脉冲宽度常取决于脉冲调制器及接收电路的带宽。对于声与振动等较大带宽要求的光纤传感系统，访问频率越高，传感器信号带宽越宽，高频噪声的混叠越小。同时，在光脉宽固定情况下，复用度越高，访问频率越低，并且光插入损耗越大。因此，选择复用度的关键是在复用规模和性能上取得最佳的平衡。
图2 4个时分复用光纤传感器系统寻址 光纤传感器时分复用系统中，由于色散等造成的脉冲展宽与脉冲宽度相比可以忽略不计，传感器返回脉冲宽度与输入脉冲光基本相同（采用非平衡干涉仪原理的光纤传感器返回脉冲宽度将有所扩展，但一般也需保证扩展宽度远小于输入光脉冲宽度，以保证良好的光脉冲波形）。相邻两个传感器的脉冲时延为： 其中是相邻两个传感器之间延迟光纤的长度，是光纤纤芯折射率，是光在光纤中传播的速度。假设为时分复用的复用度，系统中各个传感器延迟光纤长度相同，在一个时分复用系统中，必须满足 输入脉冲光经常由连续光源和光调制器产生，在光调制器上输入电脉冲调制信号，即可产生周期与调制信号相同、固定脉宽的光脉冲。 为了拾取传感器阵列信号，光脉冲串首先经光电转换后转变为电脉冲串。对电脉冲串的每个脉冲的幅度依次采样，即可得到各个传感器的光强度信息。为了保证能够准确依次采集到每个脉冲，需要将采样时钟与加在光调制器上的调制信号进行同步。同时，由于电路、传输光缆和阵列光路的延迟，使返回的光脉冲信号与触发信号间存在一个时延差。因此，用于解时分复用的采集板，必须具有延迟触发功能，将触发时间根据返回光脉冲信号的时延差进行调整。 2、时分复用光纤传感器阵列数据采集和分析系统 2．1 系统组成 设计的时分复用光纤传感器阵列数据采集和分析系统主要用来完成采用时分复用结构的声学光纤传感器阵列的性能测试，包括分析光纤传感器阵列的噪声特性及测试阵列的灵敏度等。系统组成框图见图3。其中，光源和声光调制器用来产生光脉冲信号，光源后置一隔离器用以阻止后端光路反射光干扰光源工作；阵列回传光信号经光电探测器后由插在微机中的PCI9846H卡实现解复用和数据采集，完成后由微机进行后续信号解调和分析；信号发生器产生两路脉冲信号及一路调制载波信号，其中一路脉冲信号作为声光调制器的光脉冲调制信号，另一路脉冲信号作为PCI9846卡的外触发信号，调制载波信号为正弦信号，用于调制光源的激光频率。
图3 光纤传感器时分复用阵列数据采集和分析系统组成框图 2.2 时分复用光纤传感器阵列工作原理 系统测试的时分复用光纤传感器阵列由多个基于Mach–Zehnder干涉仪原理的光纤传感器组成。输入的光脉冲信号经不等分光比耦合器下载部分光给每个光纤传感器。光纤传感器的光路原理见图4。输入到光纤传感器的光信号首先由一个等分光比耦合器分成两束，分别进入干涉仪参考臂和传感器。其中，参考臂用以传输参考光，与外界测量信号场隔离；传感臂用以接收外界声信号。在外界被测量信号的作用下，传感臂的光纤随外界信号的作用被压缩或拉伸，引起传输光的相位改变。两束光最后通过一个光纤耦合器合成一束，并通过光信号干涉，将传感臂的相位变化调制为可以被光电探测器检测的光强度变化。 设干涉仪的两臂臂长差为。为了使通过干涉仪两臂的光信号能够有效干涉，输入光信号的相干长度必须远大于；同时，导致的两束光传输的时延必须小于输入光脉冲的脉宽，保证传感臂和参考臂输出的光信号有足够的时间重叠，实现两束光的干涉。
图4 基于Mach–Zehnder光纤干涉仪原理的光纤传感器的光路原理图

两束光干涉以后的光强可由下式表示：

式(3)中，为传感臂输出光强，为参考臂输出光强，为参考臂的光相位，为传感臂的光相位。式(3)中，两臂输出光信号相位差通常由固定相差和交变相差两部分组成，即：

式(4)中，是由两臂臂长差引起的相差，在理论上应是恒定的，但由于环境温度变化及压力变化等扰动使两臂长度和折射率发生变化，因此，常存在一个较慢的漂移；是传感臂在外界声场作用下引起的光相位变化，获得的信息即可获得被测量信号的信息。

2．3 解时分复用的技术实现

为了对光纤传感器时分复用阵列各个光纤传感器性能进行分析，首先要从光电转换后的阵列信号中提取式(3)表示的各个光纤传感器信号。在系统中，该项工作由PCI9846H采集卡完成。其实现原理如图5所示。采集卡采样率按阵列输出光脉冲串中的脉冲间隔设置，采集卡工作模式设为外触发状态。在与声光调制器驱动信号同步的脉冲信号触发下，启动采样，提取光脉冲信号的幅度。由于光脉冲到达时间与触发脉冲间存在一个时延，因此，需要将采集卡设置成延迟触发模式，延迟时间可以通过根据时延测量结果手动设置，也可以通过自动搜索实现采样的自动对准。在延迟触发时间设置正确的情况下，可以保证采集中各个脉冲的平坦区。

图5 数据采集与解时分复用

采集后的数据按照各个传感器顺序进行抽取，即可完成光纤传感器信号的解时分复用。为了保证声学光纤传感器信号有较大带宽和动态范围，并尽可能减少高频噪声的混迭，通常对单个传感器信号的采样频率需达到数百kHz，因此，要求时分复用后的信号采样频率设置达到1MHz左右。采集后的信号先保存在采集卡的缓存中，以保证单批采样信号的连续性。单批信号采集完成后，将采集卡缓存中的数据读至微机中，即可进行各个传感器的信号解调及后续分析。

2．3 信号解调工作原理

光纤传感器时分复用阵列信号经PCI9846H采集卡实现信号采集和解时分复用后，需要通过信号解调，从干涉光强度变化信息中提取反映外界声信号的光相位信息。

光纤传感器的信号经光电探测转换为电压信号后，可由下式表示：

被测量的信息包含在中，采用信号解调技术提取即可获得被测量量的信息。 与的关系不是线性的，成余弦函数关系。当取不同值时，在同样的作用下，的输出起伏。由图6可看出，在时，传感器的探测性能急剧下降，在时，传感器处在工作线性区范围内。这个现象也被成为光纤传感器的相位衰落现象。相位衰落导致光纤传感器的检测性能不稳定，严重时还可能导致光纤传感器失效。为了克服相位衰落现象，系统采用了PGC(Phase Generated Carrier)解调技术。
图6 取不同值时输出V PGC解调技术在干涉项内部引入一个比测量信号频率高的正弦波作为载波，被测量信号调制在载波成分上，作为载波成分的边带存在。引入载波后，可同时获得和的正交分量，从而解决光纤传感器的相位衰落问题。加入载波调制后的干涉信号如下式如示。 式中，为载波引起的最大相位幅度，为载波频率。 载波的实现有几种方法，一是采用正弦信号调制光源的输出波长，要求光源具有可调谐功能，光纤传感器的干涉仪具有的臂长差，同时光源的功率在调谐的情况下稳定。二是采用正弦信号调制干涉仪一臂的光纤长度，引入随正弦信号变化的相位。直接调制光源可简化系统的结构，有助于系统的全光化。在本文所描述的测试系统中，采用正弦信号直接对光源的输出光信号的频率进行调制。
图7 PGC解调算法原理框图 图7是PGC解调算法的原理框图。与载波和二倍频载波相乘，低通滤波后可获得包含外界信息相位的正弦和余弦正交项，通过微分、交叉相乘和相减等运算，可以得到光纤传感器相位信息的微分，积分后即提取。相对于快速变化的来讲，属于慢变信号，两者在频率上可分离，高通滤波后即可获得反映被测量信号的传感臂光相位变化。 3、试验结果 建立如图4所示试验系统，光源中心波长为1550.12nm，线kHz。信号发生器产生10kHz正弦波调制光源输入电流，产生300nm脉宽、周期为的电压信号输出至声光调制器和PCI9846H数据采集卡。组成光纤传感器的干涉仪臂长差约为5米，相邻光纤传感器之间的延迟约为400ns。在试验系统中，传感器外加500Hz信号。采集卡输入量程设置为-1~1V，量化位数为16bit，采样率设置为1.25MHz，采用延迟触发模式，延迟时间约为100ns，以与光脉冲调制信号同频的TTL脉冲信号作为采集卡触发信号。解时分复用和解调算法基于Matlab实现。 改变外部施加在光纤传感器上的信号和频率，记录解时分复用后的信号，并完成光纤传感器探测信号解调。
图8 试验系统输出时分复用脉冲
图9 1#传感器解时分复用后信号
图10 1#传感器解调后波形及频谱

从试验结果可知，解调后的信号频率与实际施加信号相同，幅度呈良好的线性关系，解时分复用系统的设计方案可行。同时，提高采集卡的采样频率，构建复用度更高的时分复用系统是可行的。该系统还可应用于对时分复用的光纤传感器进行测试和测量。

4、结束语

光纤传感器的时分复用技术可以降低系统因光源等其他部件带来的系统高成本问题，为高性能的光纤传感传感器提供广泛的应用空间。凌华科技的PCI9846H采集卡灵活的触发方式、达到MHz量级高采样率、16位的量化位数和方便的函数调用，为快速开发光纤传感器时分复用阵列的数据采集和分析系统提供了一种有效可靠的解决途径。