ARM和DSP設計的地震加速度信號處理系統

摘 要：為滿足光纖傳感地震加速度計對實時性、高精度以及網絡化的要求，提出了基于ARM 和DSP雙核微處理器的嵌入式系統設計方案．對3x3耦合器輸出的相位已調加速度信號進行解調、頻譜分析，并提供了以太網傳輸控制接口．文中介紹了信號解調原理．給出了關鍵電路的具體設計及其輸出信號的數字信號處理的軟硬件實現方法．實驗結果表明。該系統在處理精度和實時性方面都能達到要求。性價比高，有一定實用價值．

光纖加速度計是一種光一機一電技術一體化的新型慣性系統，與傳統加速度計相比具有抗干擾能力強、靈敏度高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點．干涉型光纖傳感地震加速度信號的檢測和處理在能源勘探、橋梁建設、汽車碰撞試驗、爆破作業(yè)、航空航天等領域有重要的應用．目前出現的檢{貝 處理系統從解調技術上主要選用下列技術來提取被測物理且：(1)掃描激光光源的波長；(2)將干涉儀的一個臂繞在PZT上；(3)用移頻器(如聲光調制器)實現外差；(4)采用3x3或4x4耦合器使其輸出正交或互成120。相位．相對于前3種技術，采用3x3耦合器來使干涉儀的輸出成120o的解調技術精度高．動態(tài)范圍寬．更可靠穩(wěn)定．傳統的加速度解調采用模擬電路完成．能實時處理信號，但所需電路繁雜，且模擬運算的誤差較大；采用FPGA進行解調編程靈活，也是硬件實現，但不能進行小數運算，解調精度受到限制且成本較高．因此，本文提出ARM+DSP的雙CPU設計方案，這一方面發(fā)揮DSP的快速信號處理能力，且能進行小數運算，提高運算精度，完成地震加速度已調信號的解調和頻譜分析；另一方面充分利用ARM豐富的片上系統資源，能實現解調信號及其頻譜信息的網絡傳輸和顯示，該方案僅通過改變軟件無需重構電路就能方便快捷地實現系統升級．

1 系統構成及工作原理

地震加速度計由傳感探頭、光電轉換及信號處理系統構成．傳感探頭由采用基于3x3耦合的光纖M—z干涉儀和相關機械部分組成．如圖1所示，干涉儀的輸入端是一只2x2耦合器，輸出端是一只3x3耦合器，被測信號加在干涉儀的傳感臂上．

干涉儀的兩臂光纖分別纏繞在傳感頭中的上下兩個力臂圓筒上，當外部施加振動時，簡諧振子施加給信號臂光纖一個縱向的應力，光纖的長度產生變化±△L (應變效應)、光纖芯的直徑d產生變化±△d(泊松效應)、纖芯折射率n產生變化±△n(光彈效應)，這些變化將導致光纖中光波的相位發(fā)生變化．泊松效應相對應變效應和光彈效應造成的相位變化非常小，可以忽略不計，從而即完成加速度信號對光信號的相位調制．參考臂和信號臂在3x3耦合器內發(fā)生十涉，將相位變化轉換成光強變化，輸出的光強信號經PIN轉換為電流信號，輸出給信號處理系統，能進行地震加速度信號的解調、頻譜分析顯示及網絡傳輸控制等．

2 信號解調原理

對傳感系統中的簡諧振子進行分析可以得出，光波相位變化 Φ(t)與簡諧振子感受的加速度a(t)有如

下關系。

式中，E為光纖的楊氏模量；A為光纖的橫截面積；為彈簧片剛度系數：為有效光纖長度；m為簡諧振子質量．從(1)式可以看出被測加速度與光相位變化呈線性關系．

在3x3耦合對稱情況下，從干涉儀輸出的3路電流信號，經I，v變換電路和放大電路后的輸出為：

式中，C 、B ( i=1，2，3)分別為3路輸出的直流分量和交流增益；為被測信號引起的光相位差．從(2)中解出Φ(t)，再結合(1)式就可以得到加速度信號．求解Φ(t)的算法框圖如圖2所示．