全光纤音频传输系统的研究

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3.0 高德中 2024-11-19 6 4 2.34MB 73 页 15积分
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中文摘要
近几年，光纤干涉系统在各个领域中的使用逐渐成熟。由于其聚集了多种优
点于一体，在光纤传感领域有着重要的应用。在音频信号传输领域，光纤干涉传
感器的应用不但使系统结构变得简单，而且还降低了电磁干扰对系统的影响。本
文依据光纤干涉原理，设计出了基于 Sagnac 与Mach-Zehnder 组合型干涉结构的全
光纤音频传输系统，实现了对音频信号的传输和还原功能。
本文设计的干涉结构，具有传播路径相同，光程相等的特点，因此降低了对光
源相干性的要求，从而降低了系统成本，克服了一些传统结构存在的缺陷；并且
该光路干涉形成于系统末端，使得音频信号的传输保密性也大大提高。
本文主要通过以下工作实现对全光纤音频传输系统的研究：
首先，本课题研究了 Mach-Zehnder 和Sagnac 组合型干涉结构。系统光源进入
干涉系统后分成两束，经过两个耦合器和传输光纤后到达全光纤传传感器，该传
感器主要通过标准单模光纤绕在直径为 6 cm 的塑料环上制成，当声场作用在该塑
料环上时，由于光弹效应的作用会使光信号的相位受到相应声波信号的调制，调
制后的光信号又回到干光路中，最终形成干涉。
其次，本系统光源选用了 SLD 宽光谱光源，设计了一种对光源恒流恒温的驱动
电路，使 SLD 有稳定的功率输出，保证了系统的稳定性；并通过设计光电检测电
路实现对光信号的转换以及放大，为后期的信号采集和处理提供了保障。
再次，本文使用 labview 软件对信号进行采集和相关的处理。该部分研究实现
了对信号的时域、频域以及功率谱的实时显示；并且对信号做了滤波处理，最终
通过声卡将传感器采集到的音频信号清晰的播放出来。
最后，本文通过软硬件联调实验证明该系统可以完成音频信号的传输功能，并
对结果做出相应的分析。
关键字：光纤传感 干涉 音频 labview 相位调制 信号采集
ABSTRACT
In recent years, the application of optical interference system in all fields is
becoming over-rounded. It plays an important role in fibre optical sensing area in that it
contains many advantages. In the field of audio signal transmission, the application of
optical fiber interferometric sensor does not only simplify its system structure, but also
reduces the influence of EMI. Based on optical interference principle, this dissertation
implements the function on the audio signal transmission and reduction by designing a
full optical fibre audio transmission system which is a combinational interference
structure of Sagnac and Mach-Zehner.
With feature of same transmission path and equal optical path, the inference
structure designed in this dissertation reduces the demands for light resource coherence,
accordingly lowers the cost and overcome defect in traditional structure. Moreover,
because optical path occurs in the end of optical interference system, the confidentiality
of the interference structure has been improved greatly.
The main work of this paper as follows:
First, This paper has done a research about the Mach-Zehnder and Sagnac
combination interference structure.The light source of the system was divided into two
beams through the interference system. These two beams reach the full fiber-optic
sensor after two couplers and transmission fiber. The sensor is mostly made by standard
single-mode fiber winding around the plastic ring whose diameter is 6 cm. If the plastic
ring is placed in the sound field ,the phase of the light in the fiber sensor will be
modulated by the soundwave because of the photoelastic effect,then the modulated
light signal comes back to the interference structure and interference phenomenon
appears.
Secondly, this system choose the SLD as the light source which is wide spectrum
light source.In order to keep SLD has a stable power output, So this paper designed a
kind of light constant current and constant temperature control circuit, According the
design of photoelectric detection circuit to achieve the optical signal conversation and
amplification which provided a guarantee for the later signal processing.
Third,this paper do some work about the signal acquisition and processing with the
virtual instrument developing software—LabVIEW.The study of this part has realized
the display of the audio signal in time-domain and frequency-domain, as well as the
power spectrum.After the signal filtering,the audio signal playback clearly by computer
sound card.
Finally, the system has improved its function of the audio transmission buy
experiments, and made analysis for the result.
Key words: optical fiber sensor, interference, audio, labview,
phase-modulation, signal acquisition
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .......................................................1
§1.1 课题来源 ................................................... 1
§1.2 课题研究背景及意义 ......................................... 1
§1.3 国内外发展现状及趋势 ....................................... 3
§1.3.1 国内研究现状 ......................................... 3
§1.3.2 国外研究现状 ......................................... 3
§1.3.3 发展趋势 ............................................. 4
§1.4 本课题主要工作内容及创新点 ................................. 5
§1.5 本章小结 ................................................... 5
第二章 干涉式光纤传感器的理论基础 ...................................6
§2.1 干涉型光纤传感器工作原理 ................................... 6
§2.1.1 光的干涉原理及条件 ................................... 6
§2.1.2 光纤声传感器中的几种典型的干涉模型 ................... 7
§2.2 光纤相位调制的机理 ........................................ 11
§2.2.1 光信号调制机理介绍 .................................. 11
§2.2.2 光纤相位调制原理 .................................... 13
§2.2.3 光纤相位调制的基本结构 ............................... 15
§2.3 光纤干涉信号的检测 ........................................ 17
§2.3.1 相位产生载波技术 .................................... 17
§2.3.2 3x3 耦合器的零差解调法 ............................... 20
§2.4 本章小结 .................................................. 22
第三章 全光纤音频传输系统工作原理 ..................................23
§3.1 全光纤音频传输系统原理 .................................... 23
§3.1.1 弹光效应 ............................................ 23
§3.1.2 本系统组成 ........................................... 24
§3.2 全光纤音频传输系统的光路原理 .............................. 25
§3.2.1 本系统干涉光路原理及结构 ............................ 25
§3.2.2 全光纤探头原理及结构 ................................. 28
§3.2.3 本系统光路的优点 ..................................... 31
§3.3 系统电路原理及信号采集模块介绍 ............................ 31
§3.3.1 系统光源介绍 ......................................... 31
§3.3.2 光电检测原理 ........................................ 32
§3.3.3 音频信号的采集处理介绍 .............................. 33
§3.4 本章小结 .................................................. 35
第四章 全光纤音频传输系统的软硬件实现 ..............................36
§4.1 系统主要电路设计 .......................................... 36
§4.1.1 SLD 光源驱动 ........................................ 36
§4.1.2 信号检测电路设计 .................................... 40
§4.2 基于 Labview 的系统信号采集与处理 .......................... 42
§4.2.1 音频信号的基本特点 ................................... 43
§4.2.2 Labview 对音频信号的采集原理 ......................... 43
§4.2.3 双通道数据采集功能的实现 ............................ 46
§4.2.4 软件的处理流程及内容 ................................. 48
§4.2.5 系统软件滤波的设计 .................................. 53
§4.3 本章小结 .................................................. 56
第五章 系统软硬件联调实验 ..........................................57
§5.1 系统组装 .................................................. 57
§5.2 实验内容 .................................................. 59
§5.3 实验结果与分析 ............................................ 60
§5.4 本章小结 .................................................. 62
第六章 本文总结与展望 ..............................................63
§6.1 本文内容总结 .............................................. 63
§6.2 展望 ...................................................... 64
参考文献 ............................................................65
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
随着光纤传感器的不断发展，光通讯与光传感已被广泛应用在各个领域，比
如航天航空、国防军事领域、地质灾害监控以及安防领域等。鉴于光纤传感以及
光通信具有通信容量大、传输质量高、抗电磁干扰能力强、质量轻、体积小等优
点，其在音频传输系统也体现出巨大的优势。传统的音频传输系统有蓝牙技术的
无线通信传输，这种方式传输距离短且不稳定；还有目前常用的电缆传输，这种
方式则受电磁干扰强，在环境恶劣的场合使用受限。而全光纤音频传输系统则解
决了上述传统音频传输系统中的缺点，光纤传感器可以大大降低电磁干扰，还可
以在一些恶劣环境下使用；全光纤作为传输介质，不但能进行远距离传输，还大
大降低了成本，增加音频信号传输的安全性，因此全光纤音频传输系统具有深远
的研究意义以及巨大的潜在实用价值。
§1.1 课题来源
本课题来源于973计划项目课题“新一代光纤智能传感网与关键器件的基础研
究”子课题，项目编号：2010CB327800
§1.2 课题研究背景及意义
本课题属于光纤传感与通信领域，传感技术已经成为21世界发展迅猛的高新
技术之一，也是当代科学发展的一个重要标志。自2009年诺贝尔物理学家高锟在
上世纪60年代发明光纤导光以来，光纤技术发展迅猛，光纤传感在音频传输上的
应用需求主要来源于70年代末，当时美国海军研究室（NRL）的 Bucaro和美国
TRW公司的 Cole等人几乎同时报道了关于光纤水听器的论文，进而从80年代低损
耗光纤问世以来，光纤传感技术一直处于传感器技术发展的前沿，并与光纤通信
技术一起成为光纤技术的两个重要领域[1]。
光纤传感器既有做信号传输的功能，也有做信号感知的功能，因此可以按照
这两种不同的功用，将光纤传感器分为非功能型和功能型[2]。它与传统的传感器相
比，具有一系列的优点，首先它自身不带电，是无缘器件，因此在强电磁干扰、
高温、原子辐射、化学腐蚀等极度恶劣的条件下都可以使用[3]；能够实现多参量测
全光纤音频传输系统的研究
2
量（温度、应力、振动、位移、电磁场和生物量等），具有灵敏度高、质量轻、体
积小、可嵌入（物体）等特点；容易组成光纤传感网络并可接入因特网和无线网。
光纤传感技术的应用渗透到多个领域，比如：①在国家安全监测方面，光纤传感
技术能提供连续、实时、非侵入式监测手段②在安全生产监测方面，光纤传感技
术的抗电磁干扰、电绝缘和体积小的特性使其具有显著优势③在生物医药等基础
研究方面，其可以作为一种特殊高效的研究方式。如下图1-1、1-2、1-3、1-4所示
为光纤传感的典型应用。
全光纤传感技术的传感器和传输介质全是光纤，信号都是光信号。因此，具
有以下典型的优点：耐高温高压；动态范围大、检测频带宽；传感和传输器件都
是无源，因此传输损耗低；具有受外界的干扰小、响应快的特性，这些特点使光
纤传感器特别适用于强电磁场、高射频、易燃易爆和军事安全等差环境、高要求
的场合，比如水下监听、小区安防、医疗领域的强电干扰环境以及长距离野外传
输管线的安全监测[4]。
图1-1 光纤温度传感器 图1-2 光纤光栅桥梁健康监测系统
图1-3 光纤液位传感器 图1-4 光纤电流传感器
综上所述，新一代光纤传感器不仅是国家新一代信息产业、国家安全以及基
础科学发展的重大需求，也是科学技术发展中的重要基础问题，对国民经济以及
国防建设具有重大的意义。本课题正是抓住这一重大战略机遇，开展了本文的研
究。
第一章 绪论
3
§1.3 国内外发展现状及趋势
20世纪70年代中期，一种以光作为敏感信息的新型光纤传感器发展起来[5]。光
纤传感器技术作为近十几年来发展迅速的新型科学，由于其独特的优势，特别是
军事领域的应用，在国内外都有不可或缺的地位。自光纤传感器产生以来，很多
学者都对其展开了大量的研究工作，至今也取得了一定研究成果。本课题属于光
纤声传感系统，下面介绍一些该技术的发展历程。
§1.3.1 国内研究现状
目前，光纤声音传感系统可以按照结构分为反射式和干涉式，也可以按照调
制模式分为相位、振幅、偏振三种。国内从上世纪 80 年代才开始进行光纤声传感
器的研究，1993 年上海科技大学的周书拴等人利用光纤的微弯损耗原理，研究了
微弯型光纤麦克风的理论模型和实验模型，并进行了测试，但其频率响应特性和
动态范围均不理想；1999 年，哈尔滨工程大学林晓燕等人通过理论研究和实验探
索，对光纤声传感器的可行性进行了分析并进行验证[4,6]。2002 年，北京石油化工
学院的张奕林等研究者对光纤探头的设计取得了一定成就，通过弹性膜片计算出
了探头受到的压力与相位之间的转换关系[2,7]。之后，徐海英等人设计出了一种新
的光纤探头，这种结构基于 Y型多模光纤制成，同时通过对这种探头数学建模得
出了光强的计算方法，后来，通过与企业的强强合作，该团队研制出了光纤探头
的样品[8]。2007 年，复旦大学特种光纤研究中心贾波教授团队在光纤传感方面取
得较大的突破，他们通过发明白光干涉原理，采用全光纤传感器，研究出了一种
制造工艺简单、系统性能优越的全光纤干涉仪[9]。
§1.3.2 国外研究现状
相对于国内研究，国外在光纤音频传输方面的研究起步早、投入高，在总体
水平上远远超过国内。早在 1880 年，A.G.Bell 就第一个提出“声-光传感” 的概
念；在 1935 年，Von Ohain 又提出了采用弹性膜片的方法来检测声音，但这个设
想最终因为各方面的条件限制而没能实现；直到 70 年代，光纤通讯和光纤材料飞
速发展，这为光纤传感器的发展提供了技术条件，时隔不久，美国海军实验室为
了克服传统声传感器的各种缺陷，J.A.Bucaro 便大胆提出要研制出光纤声传感器，
开始了研究工作。在此基础上，1991 年D.Garthe 在《Sensor and Aetuators》发表
摘要：

中文摘要近几年，光纤干涉系统在各个领域中的使用逐渐成熟。由于其聚集了多种优点于一体，在光纤传感领域有着重要的应用。在音频信号传输领域，光纤干涉传感器的应用不但使系统结构变得简单，而且还降低了电磁干扰对系统的影响。本文依据光纤干涉原理，设计出了基于Sagnac与Mach-Zehnder组合型干涉结构的全光纤音频传输系统，实现了对音频信号的传输和还原功能。本文设计的干涉结构，具有传播路径相同，光程相等的特点，因此降低了对光源相干性的要求，从而降低了系统成本，克服了一些传统结构存在的缺陷；并且该光路干涉形成于系统末端，使得音频信号的传输保密性也大大提高。本文主要通过以下工作实现对全光纤音频传输系统的...

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