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採用混合式干涉儀光纖水中聽音器之數位解調設計

採用混合式干涉儀光纖水中聽音器之數位解調設計. 指導教授 林武文 博士 研 究 生 吳一農 日 期 2005.03.24. 大 綱. 前言 實驗架構暨原理 採用模擬干涉訊號進行 PGC 解調 水下訊號量測解調實驗 一 、 使用類比 PGC 解調器 二 、 使用數位式 PGC 解調器 結論 致謝 參考文獻. 前 言. 光纖由於具有不受電磁干擾、低傳輸損失、重量輕等傳統電纜所沒有的優點。干涉式光纖感測器它能感測的信號包括聲波、應變、壓力、溫度、振動、位移、加速度、轉動量或生醫等研究領域 [1] 。

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採用混合式干涉儀光纖水中聽音器之數位解調設計

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  1. 採用混合式干涉儀光纖水中聽音器之數位解調設計採用混合式干涉儀光纖水中聽音器之數位解調設計 指導教授 林武文 博士 研 究 生 吳一農 日 期 2005.03.24

  2. 大 綱 • 前言 • 實驗架構暨原理 • 採用模擬干涉訊號進行PGC解調 • 水下訊號量測解調實驗 一、使用類比PGC解調器 二、使用數位式PGC解調器 • 結論 • 致謝 • 參考文獻

  3. 前 言 • 光纖由於具有不受電磁干擾、低傳輸損失、重量輕等傳統電纜所沒有的優點。干涉式光纖感測器它能感測的信號包括聲波、應變、壓力、溫度、振動、位移、加速度、轉動量或生醫等研究領域[1]。 • 光路部份是採用馬赫詹德與桑克干涉儀光路架構，由於桑克干涉儀架構因為零光程差的特性[4]，可以採用低同調性光源以降低成本[5]

  4. 前 言 • 類比式解調電路存在有穩定性差，工作點調整不易等缺點[3]。 • 採用數位式解調電路則對雜訊的免疫力遠較類比訊號來的好，並且數位訊號能長時間的保存或長距離的傳送，較不易產生失真現象，因此數位式解調電路先天上優於類比式解調電路[4]。

  5. 實驗架構暨原理 馬赫詹德－桑克光路構形

  6. ASE光源發送功率為15 mW，聽音器和接收器(光纖感測頭)距離為32 cm • 干涉儀架構為馬赫詹德－桑克混合構形 • 5.6cm感測頭的模型為矽膠分別繞上100圈，厚度分別都為3mm 5.6cm感測頭的模型

  7. 實驗水箱配置圖

  8. PGC解調器電路圖

  9. 相位載波（PGC）解調原理，是利用相位調制器（如PZT或聲光調制器）在干涉儀某一臂的光加入載波頻率，造成干涉的輸出訊號為 其中 ，為相位載波訊號，Ψ為相位偏移，S(t)為物理場。 利用貝索函數將展開

  10. 然後，利用三角函數的倍角公式 以訊號產生器產生基頻sinωm與二倍頻cos2ωm載波訊號，與干涉儀輸出相乘，再經過低通濾波器（low-pass filter, LPF）可得

  11. 其中θ，為ωm（2ωm）訊號與相位調變訊號I1A（I2A）兩者的相位差。其中θ，為ωm（2ωm）訊號與相位調變訊號I1A（I2A）兩者的相位差。 當I1A（I2A）經過微波器可得

  12. 則減法器輸出為 最後，積分器可以得到 。

  13. 採用模擬干涉訊號進行PGC解調

  14. 採用模擬干涉訊號進行PGC解調模擬電路圖

  15. 採用模擬干涉訊號進行PGC解調操作畫面

  16. 模擬干涉訊號數位式PGC解調訊號強度頻率響應圖模擬干涉訊號數位式PGC解調訊號強度頻率響應圖

  17. 水下訊號量測解調實驗 一、使用類比PGC解調器

  18. 馬赫詹德－桑克光路感測頭最大訊號量測(50kHz）馬赫詹德－桑克光路感測頭最大訊號量測(50kHz）

  19. 馬赫詹德－桑克光路感測頭最小訊號量測(50kHz）馬赫詹德－桑克光路感測頭最小訊號量測(50kHz）

  20. 類比式PGC解調訊號強度和頻率響應圖

  21. 水下訊號量測解調實驗 二、採用數位式PGC解調器

  22. 採用數位PGC解調電路圖

  23. 干涉訊號--7kHz物理場及25kHz載波

  24. 干涉訊號--7kHz物理場及25kHz載波

  25. 25kHz載波訊號(FFT)

  26. 解調結果--7kHz物理場訊號

  27. 解調結果--8kHz物理場訊號

  28. 解調結果--9kHz物理場訊號

  29. 數位式PGC解調訊號強度和頻率分析圖

  30. 結 論(1) 由下表比較得知，採用數位式PGC解調可獲得較佳的訊號強度及動態範圍

  31. 結 論(2) 由失真度及待測物理場頻率關係圖得知輸出波形在5K~25KHZ間會有較低的失真

  32. 致謝 本研究承蒙國科會計畫NSC-94-2611-E-127-001經費補助，特此感謝。

  33. 參 考 文 獻 • [1] Gebotys,C.H;Gebotys,R.J.”Designing for lowpower in complex embedded DSP systems,” IEEE,Vol.11,pp.1-8,1999. • [2] S.T Shih,M.H Chen,and W.W. Lin,”Analysis of Distoriton of a Fiber Optic Michelson interferometric Sensors with 3x3 Directional Coupler,”Appl. Optics, Vol. 36, No,4, pp. 921-933, Feb.1997。 • [3] Spanias,A;Atti,A;Thrasyvoulou,T.”on-line laboratories for speech and image processing and for communication systems using DSP,”Vol.37 ,pp.174-179,Oct.2002. • [4] Byoungho Lee, “Review of the present status of optical fiber sensors,” Opt. Fiber Technol., Vol. 9, pp.57-79, 2003.

  34. [5] T. K. Lim, Y. Zhou, Y. Lin, Y. M. Yip, Y. L. Lam, “Fiber optic acoustic hydrophone with double Mach-Zehnder interferometers of optical path length compensation, ” Opt. Commun., Vol. 159, pp. 301-308, 1999. • [6] W.W.Lin, H. Lin, M.H. Cheng, "A Modified In-line Sagnac Interferometer with Passive Demodulation Technique for Environmental Immunity Fiber Optical Current Sensor," Appl. Optics, Vol.38, No.13, pp.2760-2766, May1999。 • [7] Barry Griffin,Michael J. connelly “Digital Signal Processing of Interferometric Fiber Optic Sensors,”IEEE LTIMC 2004 – Lightwave Technologies in Instrumentation & Measurement Conference Palisades, New York, USA, 19-20 Oct 2004. • [8] T. Belytschko,Y.Y.Lu and L.Gu,“Element Free Galerkin Method,”International Journal for Numerical Method in Engineering, Vol.37, 1994. • [9] P. Nash,” Review of interferometric optical fiber hydrophone technology,” IEE Proc.-Radar. Sonar,Navig., Vol.143, no.3, pp.204-209, 1996.

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