全光纤音频传输系统的研究

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3.0 高德中 2024-11-19 4 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
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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