偏振无关光纤Michelson干涉型微弱磁场传感器信号处理

论文摘要

光纤微弱磁场传感器具有灵敏度高、体积小、可以测量三轴向磁场分量等优点,广泛应用于国防、医学、地质等各个领域。本文主要介绍了偏振无关光纤Michelson干涉型微弱磁场传感器信号处理的方案:通过闭环控制工作点算法使干涉仪工作在正交工作点处,再利用相敏检波算法提取传感器输出信号的基频分量,以测量直流磁场的大小。叙述了该方案的原理、软硬件设计过程,并通过实验进行了验证,本文主要内容如下:首先,研究了基于磁致伸缩效应的光纤微弱磁场传感器传感原理以及输出信号的特征,分析得出在干涉仪处于正交工作点时,传感器输出信号的基频分量与被测直流磁场成正比关系。研究了外界环境变化引起的干涉仪输出信号衰落问题,在比较几种常见的解决方案后,选用灵敏度高、结构简单的闭环控制工作点算法来稳定干涉仪的工作点。其次,分析了系统各部分的噪声,以提高系统信噪比为原则,设计了由信号通道、参考通道、相关解调器三部分组成的相敏检波系统。信号通道由硬件实现,包括光电探测前置放大电路及滤波电路;参考通道及相关解调器部分则利用Labview软件编程实现。另外,采用软件平滑滤波等处理以减小白噪声和高频噪声的影响,利用接地及屏蔽技术消除外界的电磁干扰,并对电路进行合理布局布线,以获得高信噪比的光纤微弱磁场传感器系统。最后,利用本文设计的信号处理方案对传感器系统性能进行验证,测试了传感器的频率响应特性及在加载不同交流调制磁场时传感器探测直流磁场的情况。实验证明,传感器输出信号稳定性良好,不稳定度低于1%,系统噪声为3mV左右。在同一交流调制磁场作用下输出信号与被测直流磁场成线形关系,线性度优于99.8%。而增大交流调制磁场可提高传感器的灵敏度,且在系统噪声一定的情况下可进一步减小最小可探测磁场;在交流调制磁场为4000nT时,测得传感器相位灵敏度为1.4×10-3rad/nT,最小可探测磁场为0.57nT,动态范围为70.1dB。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 微弱磁场测量技术的发展
• 1.2 光纤微弱磁场传感器的发展
• 1.3 本文的研究意义
• 1.4 本文所做的工作
• 第二章 偏振无关光纤 MICHELSON 干涉型微弱磁场传感器工作原理及解调技术..
• 2.1 光纤微弱磁场传感器工作原理
• 2.1.1 偏振无关光纤MICHELSON 干涉型微弱磁场传感器系统简介
• 2.1.2 磁致伸缩换能器
• 2.1.3 高频调制
• 2.1.4 信号分析
• 2.2 干涉仪输出信号衰落问题
• 2.3 常用检测方案
• 2.3.1 外差法
• 2.3.2 零差解调法
• 2.3.2.1 相位载波调制法
• 2.3.2.2 闭环控制工作点法
• 2.4 本章小结
• 第三章 光纤微弱磁场传感器信号处理系统软硬件设计
• 3.1 系统硬件总体构成
• 3.2 光纤微弱磁场传感器信号处理硬件组成
• 3.2.1 光电探测器
• 3.2.1.1 光电探测器特性参数
• 3.2.1.2 PIN 光电二极管噪声分析
• 3.2.2 前置放大电路
• 3.2.2.1 PIN 光电二极管与放大电路的连接
• 3.2.2.2 前置放大电路设计
• 3.2.3 滤波电路设计
• 3.2.3.1 带通滤波器设计
• 3.2.3.2 低通滤波器设计
• 3.2.4 PC-DAQ（计算机－数据采集卡）数据采集系统
• 3.3 光纤微弱磁场传感器系统软件设计
• 3.3.1 开发平台lABVIEW
• 3.3.2 软件设计框架结构
• 3.3.2.1 数据采集模块
• 3.3.2.2 数据处理模块
• 3.3.2.3 数据管理及显示模块
• 3.4 本章小结
• 第四章 相敏检波及闭环控制工作点算法
• 4.1 系统噪声分析
• 4.1.1 光路噪声
• 4.1.2 电路噪声
• 4.2 闭环控制工作点算法
• 4.2.1 闭环控制工作点原理
• 4.2.2 闭环控制工作点算法的实现
• 4.3 相敏检波算法
• 4.3.1 互相关运算原理
• 4.3.2 相敏检波系统组成及原理
• 4.3.3 相敏检波算法流程及性能测试
• 4.4 其他抗干扰方法
• 4.5 本章小结
• 第五章 偏振无关光纤 MICHELSON 干涉型微弱磁场传感器系统及实验
• 5.1 偏振无关光纤MICHELSON 干涉型微弱磁场传感器实验系统
• 5.2 传感器频率响应测试
• 5.3 相敏探测系统带宽测试
• 5.4 直流磁场测试
• 5.5 稳定性及噪声性能测试
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 作者所做的工作
• 6.2 尚待解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果