ARM和DSP設計的地震加速度信號處理系統

摘 要：為滿(mǎn)足光纖傳感地震加速度計對實(shí)時(shí)性、高精度以及網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行解調、頻譜分析，并提供了以太網(wǎng)傳輸控制接口．文中介紹了信號解調原理．給出了關(guān)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(shí)現方法．實(shí)驗結果表明。該系統在處理精度和實(shí)時(shí)性方面都能達到要求。性?xún)r(jià)比高，有一定實(shí)用價(jià)值．

光纖加速度計是一種光一機一電技術(shù)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(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)．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(chē)碰撞試驗、爆破作業(yè)、航空航天等領(lǐng)域有重要的應用．目前出現的檢{貝 處理系統從解調技術(shù)上主要選用下列技術(shù)來(lái)提取被測物理且：(1)掃描激光光源的波長(cháng)；(2)將干涉儀的一個(gè)臂繞在PZT上；(3)用移頻器(如聲光調制器)實(shí)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(shù)，采用3x3耦合器來(lái)使干涉儀的輸出成120o的解調技術(shù)精度高．動(dòng)態(tài)范圍寬．更可靠穩定．傳統的加速度解調采用模擬電路完成．能實(shí)時(shí)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(jìn)行解調編程靈活，也是硬件實(shí)現，但不能進(jìn)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(jìn)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(shí)現解調信號及其頻譜信息的網(wǎng)絡(luò )傳輸和顯示，該方案僅通過(guò)改變軟件無(wú)需重構電路就能方便快捷地實(shí)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(guān)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(gè)力臂圓筒上，當外部施加振動(dòng)時(shí)，簡(jiǎn)諧振子施加給信號臂光纖一個(gè)縱向的應力，光纖的長(cháng)度產(chǎn)生變化±△L (應變效應)、光纖芯的直徑d產(chǎn)生變化±△d(泊松效應)、纖芯折射率n產(chǎn)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(jīng)PIN轉換為電流信號，輸出給信號處理系統，能進(jìn)行地震加速度信號的解調、頻譜分析顯示及網(wǎng)絡(luò )傳輸控制等．

2 信號解調原理

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

下關(guān)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(cháng)度；m為簡(jiǎn)諧振子質(zhì)量．從(1)式可以看出被測加速度與光相位變化呈線(xiàn)性關(guān)系．

在3x3耦合對稱(chēng)情況下，從干涉儀輸出的3路電流信號，經(jīng)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．