CN102520374A - 一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置 - Google Patents

Abstract

一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，包括：光源驱动器、前放调理电路、模数采样电路、第一调制方波发生电路、阶梯波驱动电路、阶梯波发生电路、数字逻辑电路、第二调制方波发生电路和第二调制方波驱动电路以及干涉仪。通过第一调制方波发生电路和第二调制方波发生电路实现了对信号的双调制，并且通过方波的调制与解调实现了微弱信号的互相关检测，具有优良的检测灵敏度和大的测量动态范围；第二调制方波发生电路的引入，使传感器输出线性化，并可以区分磁场的方向，提高了磁场传感器的检测精度；由于采用闭环方案，使光纤磁场传感器的输出与光强无关，增强了系统的长期工作的稳定性，降低了对光路器件的要求。

Description

一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置

技术领域

本发明涉及一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，属于光纤探测技术领域。

背景技术

目前采用的光纤微弱磁场传感器的主要方案为基于Michelson干涉仪、基于Mach-Zehnder干涉仪及基于F-P干涉仪的光纤磁场传感器。但上述光纤磁场传感器在检测电路方面通常采用开环检测方案，所以使得上述光纤磁场传感器的灵敏度受到了限制。

发明内容

本发明提供了一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，以解决现有技术中由于采用开环检测方案使得光纤磁场传感器的灵敏度受到限制的问题，为此本发明采用如下的技术方案：

一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，包括干涉仪，其中干涉仪中的光源、环形器、起偏器、相位调制器、法拉第旋光器45°、换能器、光纤补偿器和反射镜依次相连；其特征在于，还包括：光源驱动器、光电探测器、前放调理电路、模数采样电路、第一调制方波发生电路、阶梯波驱动电路、阶梯波发生电路、数字逻辑电路、第二调制方波发生电路和第二调制方波驱动电路；所述光源驱动器用于驱动所述光源；所述光电检测器用于对环形器输出的信号进行光电探测，所述前放调理电路用于对光电探测器输出的信号进行光电探测、隔直、滤波和放大处理；所述模数采样电路用于将所述前放调理电路输出的信号转换为数字信号；所述数字逻辑电路用于将所述模数采样电路输出的信号通过数字解调传输给阶梯波发生电路；所述数字逻辑电路通过第一调制方波发生电路产生第一调制方波信号；所述数字逻辑电路通过第二调制方波发生电路产生第二调制方波信号；所述阶梯波驱动电路用于放大所述阶梯波发生电路输出的信号；所述第一调制方波发生电路和所述阶梯波驱动电路输出的信号叠加后用于驱动所述相位调制器；第二调制方波驱动电路用于放大所述第二调制方波发生电路输出的信号；所述第二调制方波驱动电路输出的模拟信号用于驱动所述换能器。

本发明实施方式通过第一调制方波发生电路和第二调制方波发生电路实现了对信号的双调制，并且通过上述方波调制及解调实现了微弱信号的互相关检测，具有优良的检测灵敏度和大的测量动态范围；同时通过第二调制方波发生电路的引入，使传感器输出线性化，提高了磁场传感器的检测精度，并且由于采用闭环方案，使得光纤磁场传感器的输出与光强无关，增强了系统的长期工作的稳定性，降低了对光路器件的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置的结构示意图；

图2是本发明所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置中方波调制及其引入的相位差示意图；

图3是本发明所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置中相位的方波调制及探测器输出信号示意图；

图4是本发明所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置数字相关检测原理示意图；

图5是本发明所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置中阶梯波反馈原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施方式提供的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置的技术方案中，通过引入两个方波调制，实现光纤磁场传感器的闭环检测并实现传感器的线性输出，较佳的实施方式如图1所示，包括光源驱动器1、光电探测器10、前放调理电路2、模数采样电路3、第一调制方波发生电路4、阶梯波驱动电路5、阶梯波发生电路6、数字逻辑电路7、第二调制方波发生电路8和第二调制方波驱动电路9以及干涉仪，其中干涉仪包括光源11、环形器12、起偏器13、相位调制器14、法拉第旋光器45°(15)、换能器16、光纤补偿器17和反射镜18，并且它们依次相连。

光源驱动器1用于驱动所述光源；光电检测器10用于对环形器12输出的信号进行光电探测；前放调理电路2用于对光电探测器10输出的信号进行隔直、滤波和放大处理；模数采样电路3用于将所述前放调理电路2输出的信号转换为数字信号；数字逻辑电路7用于将所述模数采样电路3输出的信号通过数字解调传输给阶梯波发生电路6；数字逻辑电路7通过第一调制方波发生电路4产生第一调制方波信号；数字逻辑电路7通过第二调制方波发生电路8产生第二调制方波信号；阶梯波驱动电路5用于放大阶梯波发生电路6输出的信号；第一调制方波发生电路4和阶梯波驱动电路5输出的模拟信号叠加后用于驱动相位调制器14；第二调制方波驱动电路9用于放大所述第二调制方波发生电路8输出的信号；所述第二调制方波驱动电路9输出的模拟信号用于驱动换能器16。

上述一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置中，所述数字逻辑电路7，由现场可编程门阵列FPGA完成对所述模数采用电路输出的信号的处理，所述信号的处理包括：时序控制、接收所述模数采样电路输出的信号、第一调制方波信号产生、数字解调、数字相位阶梯波的产生、第二调制方波信号产生。

上述一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置中，所述第一调制方波发生电路4采用幅值为

或

或的方波调制，例如采用

的方波调制可以获得一个稳定的偏置，从而使所述光纤磁场传感器工作在灵敏度最高点上。所述第一调制方波发生电路4用于输出具有稳定偏置的信号。上述用于方波调制的回路方波可以由数字逻辑直接产生，也可以采用数字逻辑驱动开关产生。

上述一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置中，所述第二调制方波发生电路8采用方波或正弦波的调制方式，方波调制方式可使光纤磁场传感器输出信号为与待测磁场的线性相关的信号，可以区分待测磁场方向。

上述一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置中，在信号检测上采用数字相关检测方式，闭环反馈采用数字阶梯波反馈的方式补偿由于磁场造成的相移。

上述一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，首先，通过第一个高频调制方波在干涉仪的两束干涉光波之间引入方波相位调制信号，使干涉仪的输出信号由余弦响应变为方波误差信号；并采用数字相关检测技术对方波误差信号进行解调，获得由于磁场引起的相位漂移的大小，同时，由所述低频相位漂移产生补偿相移，并将该补偿相移反馈回光路中，用于抵消所述低频相位漂移，该过程反复多次，使所述干涉仪稳定在正交工作点上。然后，通过第二个低频调制方波，使传感器输出为待测磁场的线性函数并可以区分磁场方向。

下面对本发明提供的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置进行理论推导，具体包括：

以非晶态磁致伸缩片在磁场作用下产生的相对磁致伸缩为e＝Δl/l，l为材料在磁场强度方向上的长度，Δl为材料在磁场中长度的变化为例，根据相干旋转模型，当磁场远小于饱和磁化场时，磁致伸缩对外加磁场的响应近似为平方关系，磁致伸缩材料的伸缩导致光路中产生光程差Δl，因此正比于Δl的干涉仪输出可以表示为：

Δl＝CH²

其中C是材料的磁致伸缩系数，表达式为

λ_s是材料的饱和磁致伸缩，H_A是材料的各向异性场，磁热处理可以使材料的H_A大大减小，从而增加材料的磁致伸缩系数；H是外加磁场。

磁致伸缩使光纤产生纵向应变，纵向应变使光纤产生横向应变，从而改变光纤中的折射率变化，产生弹光效应。设p_ij是光弹张量，应变为ε_i，折射率变化为：

$\mathrm{\Δ}{\left[\frac{1}{n^2}\right]}_i=p_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\ϵ}}_j,(i,j=\mathrm{1,2},......6)$

对于各向同性媒质，横向应变与纵向应变相等，即ε₁＝ε₂，但是由于介质的总体积并没有改变，纵向应变ε₃与横向应变之间还有下述关系：2ε₁+ε₃＝0。

在光纤中传播的光是沿着横向偏振的，故只考虑横向折射率的变化，分别是：

$\mathrm{\Δ}{\left[\frac{1}{n^2}\right]}_1=(p_{11}+p_{12}){\mathrm{\ϵ}}_1+p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_3=-\frac{2}{{n_1}^3}\mathrm{\Δ}{n}_1$

$\mathrm{\Δ}{\left[\frac{1}{n^2}\right]}_2=(p_{11}+p_{12}){\mathrm{\ϵ}}_1+p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_3=-\frac{2}{{n_2}^3}\mathrm{\Δ}{n}_2$

$\mathrm{\Δ}{\left[\frac{1}{n^2}\right]}_3={2p_{12}\mathrm{\ϵ}}_1+p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_3=-\frac{2}{{n_3}^3}\mathrm{\Δ}{n}_3$

其中，n₁为光纤保偏光纤慢轴的折射率，n₂为保偏光纤快轴的折射率，则有：

${\mathrm{\Δn}}_1=-\frac{{n_1}^3}{2}[(p_{11}+p_{12}){\mathrm{\ϵ}}_1+p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_3]$ (慢轴)

${\mathrm{\Δn}}_2=-\frac{{n_2}^3}{2}[(p_{11}+p_{12}){\mathrm{\ϵ}}_1+p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_3]$ (快轴)

如果磁致伸缩材料的长度是l_m，换能器16的两面都贴有磁致伸缩材料，材料上缠绕光纤的圈数为k，则单程传感光纤的总长度为2kl_m，考虑反射，使光程差加倍传感光纤的长度为4kl_m，则干涉仪的相位变化为：

$\mathrm{\Δ\φ}=2\×2k\×\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[({\mathrm{\Δn}}_1-{\mathrm{\Δn}}_2)l_m+(n_1-n_2){\mathrm{\Δl}}_m]$

$=2\×2k\×\frac{2\mathrm{\π}{l}_m}{\mathrm{\λ}}(\frac{{\mathrm{\Δn}}_1-{\mathrm{\Δn}}_2}{n_1-n_2}+\frac{{\mathrm{\Δl}}_m}{l_m})(n_1-n_2)$

其中，为磁致伸缩材料的磁致伸缩应变，则有：

$\mathrm{\Δ\φ}=2\×2k\×\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\×\mathrm{\η}[({\mathrm{\Δn}}_1-{\mathrm{\Δn}}_2)l_m+(n_1-n_2){\mathrm{\Δl}}_m]$

令η是磁致伸缩材料的应变到光纤应变得转换效率，

$\mathrm{\Δ\φ}=2\×2k\×\frac{{2\mathrm{\πl}}_m}{\mathrm{\λ}}\×\mathrm{\η}(\frac{{\mathrm{\Δn}}_1-{\mathrm{\Δn}}_2}{n_1-n_2}+\frac{{\mathrm{\Δl}}_m}{l_m})(n_1-n_2)$

$=2\×2k\×\frac{{2\mathrm{\πl}}_m}{\mathrm{\λ}}\×\mathrm{\η}\{\frac{-\frac{{n_1}^3}{2}[(p_{11}+p_{12}){\mathrm{\ϵ}}_1+p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_3]+\frac{{n_2}^3}{2}[(p_{11}+p_{12}){\mathrm{\ϵ}}_1+p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_3]}{n_1-n_2}+{\mathrm{\ϵ}}_3\}(n_1-n_2)$

$=2\×2k\×\frac{2{\mathrm{\πl}}_m}{\mathrm{\λ}}\×\mathrm{\η}\left\{\frac{-{n_1}^3+{n_2}^3}{2(n_1-n_2)}\right[(p_{11}+p_{12}){\mathrm{\ϵ}}_1+p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_3]+{\mathrm{\ϵ}}_3\}(n_1-n_2)$

$=2\×2k\×\frac{{2\mathrm{\πl}}_m}{\mathrm{\λ}}\×\mathrm{\η}\{-\frac{{n_1}^3-{n_2}^3}{2(n_1-n_2)}[(p_{11}+p_{12}){\mathrm{\ϵ}}_1+p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_3]+{\mathrm{\ϵ}}_3\}(n_1-n_2)$

$=2\×2k\×\frac{{2\mathrm{\πl}}_m}{\mathrm{\λ}}\×\mathrm{\η}\{-\frac{{n_1}^2+n_1{n}_2+{n_2}^2}{2}[(p_{11}+p_{12}){\mathrm{\ϵ}}_1+p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_3]+{\mathrm{\ϵ}}_3\}(n_1-n_2)$

$=2\×2k\×\frac{{2\mathrm{\πl}}_m}{\mathrm{\λ}}\×\mathrm{\η}\×{\mathrm{\ϵ}}_3\{1-\frac{{n_1}^2+n_1{n}_2+{n_2}^2}{2}[(p_{11}+p_{12})\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_3}+p_{12}\left]\right\}(n_1-n_2)$

$=\frac{{8\mathrm{k\πl}}_m\mathrm{\η}(n_1-n_2)}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ϵ}}_3\{1-\frac{{n_1}^2+n_1{n}_2+{n_2}^2}{2}[(p_{11}+p_{12})\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_3}+p_{12}\left]\right\}$

$=\frac{{8\mathrm{k\πl}}_m\mathrm{\η}(n_1-n_2)}{\mathrm{\λ}}\left(\frac{3}{2}\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{H_A}^2}\right)H^2\{1-\frac{{n_1}^2+n_1{n}_2+{n_2}^2}{2}[-p_{11}\mathrm{\μ}+(1-\mathrm{\μ})p_{12}\left]\right\}$

令 $C_1=\frac{8\mathrm{k\π}{l}_m\mathrm{\η}(n_1-n_2)}{\mathrm{\λ}}\left(\frac{3}{2}\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{H_A}^2}\right)\{1-\frac{{n_1}^2+n_1{n}_2+{n_2}^2}{2}[-p_{11}\mathrm{\μ}+(1-\mathrm{\μ})p_{12}\left]\right\},$

$\mathrm{\ξ}=\mathrm{\η}\{1-\frac{{n_1}^2+n_1{n}_2+{n_2}^2}{2}[-p_{11}\mathrm{\μ}+(1-\mathrm{\μ})p_{12}\left]\right\}$ 包括应变的转换效率和弹光效应，为光学校正系数；则相位信号为 $\mathrm{\Δ\φ}=\frac{8\mathrm{\πk}(n_1-n_2)l_{m}C}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ξ}{H}^2=C_1{H}^2$

其中，上式中，η是磁致伸缩材料的应变到光纤应变得转换效率，

为材料的泊松比。

上述一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，如同数字闭环光纤陀螺一样，对两束干涉光做了

的相位调制，这样做的目的是：将干涉仪输出由相位的余弦函数变为相位的正弦函数，使测量小信号灵敏度最高；在频域上将输出信号的频谱由低频区迁移到高频，避开低频区的1/f噪声；将输出由直流调制为方波，作为相关检测的输入。在调制方法上，采用的是方波调制，其调制原理为：所用方波的周期为2τ，幅值为τ为光纤的渡越时间(不同于光纤陀螺，在光纤磁场传感器中主要由光纤延迟线决定渡越时间)，为对应于产生相移的电压。K_fp为调制系数。则方波引入的相移为：Δφ_m(t)＝K_fp(V_m(t)-V_m(t-τ))

其中Δφ_m(t)是幅值为

的方波信号。方波调制产生的非互易相移如图2所示。对于开环情况下，由于方波调制在两束相向传输的光波之间附加了的相位，所以光电探测器的输出变为：

$I_{\mathrm{out}}({\mathrm{\φ}}_s,+\frac{\mathrm{\π}}{2})=0.5I_0(1+\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\φ}}_s))=0.5I_0(1-\sin \left({\mathrm{\φ}}_s\right))$

$I_{\mathrm{out}}({\mathrm{\φ}}_s,-\frac{\mathrm{\π}}{2})=0.5I_0(1+\cos (-\frac{\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\φ}}_s))=0.5I_0(1+\sin \left({\mathrm{\φ}}_s\right))$

可以看出，干涉输出信号变为叠加在直流信号0.5I₀上幅度为0.5I₀sin(φ_s+φ_os)的方波信号。其具体的调制原理示意图如图3所示。

具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置的数字相关检测是数字锁相放大器的一种实现，具体的原理示意图如图4所示。具体的实现方法包括：

对输入信号以某一间隔取数，设每周期取2N个点，即正半周N点，负半周N点，正半周数据之和减去负半周数据之和，可以得到相关输出值。设正半周输出之和为x+，负半周输出之和为x_-，则有

$x_{\mathrm{out}}=x_{+}-x_{-}$

$=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(t_i\right)\·s\left(i\right)-\underset{i=N}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(t_i\right)\·s\left(i\right)$

$=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)+\underset{i=N}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}-x\left(i\right)$

$=\underset{i=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)\·r\left(t\right)$

当采样间隔趋近于0，x_out＝∫x(t)r(t)，x_out是x(t)和r(t)的相关函数，r(t)是与x(t)同频同相，振幅为±1的方波，由这种方式，每2τ时间可以有一个输出，因此积分时间是2τ的整数倍。

光纤磁场传感器的输出信号是叠加有白噪声(理想情况下)的直流信号，设信号值为S_in，噪声值为N_in，输入信噪比为S_in/N_in，N次取样后，并加以积累平均，则信号值将增加N倍，S_out＝NS_in，由于噪声是随机的，其平均后的输出值为

输出信噪比为

$\frac{S_{\mathrm{out}}}{N_{\mathrm{out}}}=\frac{{\mathrm{NS}}_{\mathrm{in}}}{\sqrt{N}\·N_{\mathrm{in}}}=\sqrt{N}\frac{S_{\mathrm{in}}}{N_{\mathrm{in}}}$

即信噪比改善为

相关输出以每一个周期(2τ)输出一个值，因此，采样间隔为2τ的整数倍。

相关函数的求取过程包含了输入信号的离散化和数字化，离散化通过对输入信号的采样来完成，数字化则通过A/D转换来完成。时域的乃奎斯特Naqust采样定理描述为：一个有一定频谱宽度的时域信号，若取样脉冲频率高于信号最高谐频频率的两倍，则信号可不失真的，通过抽样得到恢复。

由以上分析可以看出，通过调制使测量系统信号的主要部分避开噪声功率密度大的区域，从而使输入噪声减小。在低频区，闪烁噪声比白噪声高出数倍、数十倍、甚至数百倍。因此要设法使信号不失真地从低频区移出，从信号与噪声的特征对比可以看出，信号与多数噪声有频率和相位两方面不同。滤波只是利用频率特征进行识别。因此，如果再利用相位特征识别，将可把同频率下不同相位的噪声大量排除。

由于加方波调制之后，干涉输出信号为磁致伸缩相移的函数，其变比性能较差且动态范围小。为了解决光纤磁场传感器变比非线性和动态范围小的问题，采用闭环检测方案。在相向传播的两束光波之间人为的引入一个与干涉仪相移φ_s+φ_os大小相等、方向相反的相位差φ_f，用以抵消磁致伸缩造成的相移，使系统始终工作在零相位状态，从而扩大了系统的动态范围。这可以采用阶梯波实现。

设阶梯波为V′_f(t)＝V′_f(t-τ)+ΔV′_f，其值域为(-∞，+∞)，其产生的相移为：

φ′_f(t)＝K_fpV′_f(t)

则对光纤延迟线中相向传输的两束光之间附加的相位为：

Δφ_f＝K_fp(V′_f(t)-V′_f(t-τ))＝φ′_f(t)-φ′_f(t-τ)

式中τ为光纤延迟线的渡越时间。

阶梯波的台阶高度：

ΔV′_f(t)＝V′_f(t)-V′_f(t-τ)

可得：

φ_f(t)＝K_fpΔV′_f(t)

上式说明，阶梯波调制产生的相位差与阶梯波台阶高度成正比。同时，φ_f＝φ_s，作为系统的输出信号。

但是不断上升的阶梯波V′_f的值域范围为(-∞，+∞)，这在实际中无法实现。由于干涉输出的信号以2π为周期，所以在设计应用中，采用(0，2π)的阶梯波来代替值域范围为(-∞，+∞)的阶梯波，采用这种方法理论上不会对系统精度产生影响。阶梯波调制信号的形成如图5所示，图中阶梯波的台阶宽度为τ，即光纤延迟线的渡越时间。

由于数字阶梯波是通过数模转换器(D/A)实现的，则

S_out为光纤磁场传感器的数字输出；V_D/A为D/A的参考电压；N₁为D/A位数。

则得

${\mathrm{\φ}}_f=\frac{V_{D/A}}{2^{N_1}}{S}_{\mathrm{out}}{K}_{\mathrm{ra}}{K}_{\mathrm{fp}}$

式中，K_ra为阶梯波驱动电路增益；

由于数字阶梯波在调制相位达到2л时复位，即D/A输出最大时，对应于相位调制器的输出为2л，即：

V_D/AK_raK_fp＝2π

得：

${\mathrm{\φ}}_f=\frac{2\mathrm{\π}}{2^{N_1}}{S}_{\mathrm{out}}$

当满足闭环条件时：

φ_f＝φ_s

得：

${\mathrm{\φ}}_s=\frac{2\mathrm{\π}}{2^{N_1}}{S}_{\mathrm{out}}=C_1{H}^2$

则：

$S_{\mathrm{out}}=C_1\frac{2^{N_1}}{2\mathrm{\π}}{H}^2$

由以上计算可以看出，闭环检测只对相位进行检测，从理论上去除了光学器件不完善造成光功率波动的影响。另外，由于闭环检测时，系统的工作点始终在线性最好的±π/2点上，因此理论上具有非常好的线性度和宽的动态范围。

由于闭环检测时：

$S_{\mathrm{out}}=C_1\frac{2^{N_1}}{2\mathrm{\π}}{H}^2$

可以看出，闭环输出为H²的函数，无法判断磁场输出方向。

因此，给换能器施加一个磁场偏置调制，由螺线管产生，则：

H＝±H_m+H_s

其中：H_m为施加的磁场偏置，H_s为敏感的磁场强度。

$S_{\mathrm{out}}(\±)=C_1\frac{2^{N_1}}{2\mathrm{\π}}{(\±H_m+H_s)}^2$

则：

令磁场传感器输出为

$S=S_{\mathrm{out}}(+)-S_{\mathrm{out}}(-)=C_1\frac{2^{N_1}}{2\mathrm{\π}}{(H_m+H_s)}^2-C_1\frac{2^{N_1}}{2\mathrm{\π}}{(-H_m+H_s)}^2$

则得：

$S={2C}_1\frac{2^{N_1}}{2\mathrm{\π}}{H}_m{H}_s$

由上式可以看出，光纤磁场传感器输出为待测磁场的线性函数，并可以测出磁场方向。

本发明实施方式通过第一调制方波发生电路和第二调制方波发生电路实现了对信号的双调制，并且通过上述方波调制及解调实现了微弱信号的互相关检测，具有优良的检测灵敏度和大的测量动态范围；并且由于采用闭环方案，使得光纤磁场传感器的输出与光强无关，增强了系统的长期工作的稳定性，降低了对光路器件的要求；同时通过第二调制方波发生电路的引入，使传感器输出线性化，提高了磁场传感器的检测精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，包括干涉仪，其中干涉仪中的光源、环形器、起偏器、相位调制器、法拉第旋光器45°、换能器、光纤补偿器和反射镜依次相连；其特征在于，还包括：光源驱动器、光电探测器、前放调理电路、模数采样电路、第一调制方波发生电路、阶梯波驱动电路、阶梯波发生电路、数字逻辑电路、第二调制方波发生电路和第二调制方波驱动电路；所述光源驱动器用于驱动所述光源；所述光电检测器用于对环形器输出的信号进行光电探测，所述前放调理电路用于对光电探测器输出的信号进行光电探测、隔直、滤波和放大处理；所述模数采样电路用于将所述前放调理电路输出的信号转换为数字信号；所述数字逻辑电路用于将所述模数采样电路输出的信号通过数字解调传输给阶梯波发生电路；所述数字逻辑电路通过第一调制方波发生电路产生第一调制方波信号；所述数字逻辑电路通过第二调制方波发生电路产生第二调制方波信号；所述阶梯波驱动电路用于放大所述阶梯波发生电路输出的信号；所述第一调制方波发生电路和所述阶梯波驱动电路输出的信号叠加后用于驱动所述相位调制器；第二调制方波驱动电路用于放大所述第二调制方波发生电路输出的信号；所述第二调制方波驱动电路输出的模拟信号用于驱动所述换能器。

2.根据权利要求1所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，其特征在于，所述数字逻辑电路，由现场可编程门阵列FPGA完成对所述模数采用电路输出的信号的处理，所述信号的处理模块包括：时序控制、接收所述模数采样电路输出的信号、第一调制方波信号产生、数字解调、数字相位阶梯波的产生、第二调制方波信号产生。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，其特征在于，所述第一调制方波发生电路采用幅值为

或

或

的方波调制，所述第一调制方波发生电路通过对第一调制方波的调制实现微弱信号的数字相关检测。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，其特征在于，所述第二调制方波发生电路采用方波或正弦波的调制方式。

5.根据权利要求1或2所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，其特征在于，所述阶梯波发生电路用于补偿由于磁场造成的相移。

6.根据权利要求1或2所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，其特征在于：第一调制回路方波由数字逻辑直接产生，或者，采用数字逻辑驱动模拟开关发生。

7.根据权利要求1或2所述的一种具有双调制特征的光纤磁场传感器数字闭环检测装置，其特征在于：第一调制方波发生电路、阶梯波发生电路通过模拟加法器叠加，或者，通过在数字逻辑中叠加的方式。

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