基于Labview的光纤传感器相位解调技术

图4a　单路经过微分处理信号波形

图4b　单路平方波形

图4c　一路信号与另两路微分信号之差的乘积

图4d　最终解调信号
图4　信号为Pa( t)=3π×sin(2πf t),f = 100 Hz时解调过程中各节点波形

3. 2. 2　叠加谐波时信号的解调
　　考虑到实际信号的复杂谐波构成,必须考虑解调程序在包含高次谐波时执行的情况1当原始信号为, Pc(t)=4π×sin (2πf t) +π×sin(12πf t) , f=100 Hz时, 原始谐波信号与解调信号如图5所示1由图5可见,软件解调可以恢复由谐波组成的原始波形。

图5a　原始谐波信号

图5b　解调谐波信号
图5　原始信号为Pb ( t) = 4π×sin(2πf t) +π×sin (12πf t) ,f = 100Hz时解调图

3. 2. 3　探测器响应不均衡时信号的解调
　　由于探测器的光电响应物理特性不尽相同,可能导致3个探测电压(Um )出现偏差。现假设3路探测电压相差10%,当原始信号为Pc ( t) = 2π×sin (2πf t) , f = 100 Hz时,解调信号波形如图6所示。可见,当3路探测信号出现较小的不平衡时,解调软件可以基本完整的恢复原始波形。

3. 2. 4　3 ×3耦合器各端口相位差偏离2π/3时信号的解调
　　实际光耦合器的光功率分配比不可能达到理想状态,因此会导致相位差不准确1假设功率分配比不同导致相位差偏离2π/3达到10%即π/15,当原始信号为Pd(t) = 2π×sin (2πf t) , f = 100Hz时,解调信号波形如图7所示。从解调结果可知,较小的光功率分配不均衡对解调造成的影响可以忽略。

图6　原信号为Pc( t)且三路探测器响应度偏差10%时的解调波形


图7　原信号为Pd( t)且耦合器端口相位差偏离理想值10%时的解调波形

3. 2. 5　不同频率信号的解调波形
　　考虑到信号频率可能覆盖较大的范围,因此采用多种频率的原始信号进行解调测试,结果如图8所示。对于0～2KHz频率范围内的原始信号,这种软件解调方法均能实现完整的解调恢复。

图8a　f = 5Hz解调信号

图8b　f = 100Hz解调信号


图8c　f = 500Hz解调信号

图8d　f = 2000Hz解调信号
图8　不同频率原始信号的解调波形

4　实验结果分析

　　上试验覆盖了实际传感系统中可能存在的非理想情况。从测试结果可以看出:在原始信号叠加有高次谐波、探测器响应度不均衡或耦合器相位差偏离标准值、原始信号频率较高等各种条件下,采用这种软件解调方法恢复的波形虽然出现了一定程度的噪声和波形失真,但仍具有较高的信噪比和基本形状,因此并不影响对原始信号的分析1总体而言,由Labview编制的基于3×3对称耦合器的软件解调方案可准确恢复中低频的原始信号。

　　如果结合软件的频谱分析以及阈值报警等函数,还可以进行事件类型的判断以及报警,从而具备一个监测系统的基本功能。利用Labview软件解调,还能够充分应用软件的强大功能:可以灵活地实现量程自动匹配而实现波形的完整复现;可以根据需要加入滤波器滤除信号谱外和以及微分引起的高频噪声;可以将采集的数字波形任意处理而不必如电路一般考虑的阻抗匹配以及负载过多等多种因素,便于信号多次重复利用。

5　结论

　　与目前常用的软件解调系统相比,使用Labview本身具有的多种信号数据处理模块,使得开发专用的波形时域和频域处理软件更为准确,直观,便捷。该系统不仅可以作为硬件解调系统的模拟仿真和有力补充,而且可以独立有效的执行信号处理和解调的全部功能。