CN100451667C - 光电外差探测电路 - Google Patents

Abstract

一种用于实现水下声光通信的光电外差探测电路，其构成包括第一光电探测器、第二光电探测器、第一高通滤波器、第二高通滤波器、本地振荡器、第一混频器、第二混频器、第三混频器、第四混频器、90°移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、数据采集卡、示波器，构成信号处理电路和参考处理电路，本发明具有频移方向鉴别、连续测量、结构简单、体积小、操作简便和成本低的优点。

Description

光电外差探测电路

技术领域

本发明涉及光电信号，特别是一种用于与水下目标进行声光通信的光电外差探测电路，它是一种仅采用电子学器件实现光电外差探测的电路。

背景技术

随着激光多普勒测振技术的飞速发展，它已具有通常方法无法达到的精度和灵敏度，并且可以远距离、非接触地测量各种微弱振动目标的运动速度及其微小变化。激光多普勒测振技术的精度高、抗干扰能力强、保密性好等特点又使其应用在与水下目标通信中，是获取水下目标信息的有力的技术手段。

激光多普勒测振技术的发展，不仅取决于激光技术本身的长期发展，同时还取决于各种新方法的产生和器件的快速发展。多普勒频率的准确、稳定且简单的相干检测方法对实现有效通信起到至关重要的作用。同时，各种做简谐振动目标的精确测量也是通过多普勒频率相干检测的方法实现的，进而重现原始振动频率。

多普勒相干测速工作原理是系统发出相干激光束照射到被测物体表面，表面振动导致到达物体表面的信号光发生多普勒频移。通过相干检测的方法可以测量多普勒频移，从而获得物体振动速度，从方式上可分为零差检测和外差检测两种：

外差检测中，将频率为f_S的激光多普勒信号与经过声光调制(以下简称为AOM)后的频率为f+f_A的本振激光进行混频，探测器输出差频为Δf_D＝f+f_A-f_S，再由高通滤波消除直流漂移，鉴频后获得多普勒频移。

外差检测是利用载波技术将参考光转换成调频或调相信号进行测量，提高了光电信号的信噪比，具有抗干扰能力强，测量速度高，易于实现高测量分辨力等特点，因而在精密测量中采用外差检测的方式。此外，在激光多普勒测量技术中还需要考虑速度或速度分量方向的鉴别，通用的有双相检测法、高频相位调制法和频移的方法，其中预置频偏是方向鉴别中最为常用的技术。

图1为用光学方法实现多普勒测振的测量装置[参见在先技术1“激光多普勒振动计”小林卓之，国外计量，第2期，1992]。分束器1分出一束光入射到由独立于系统的声光调制器5所驱动的AOM10上后变为输出频偏为-80MHz的基准光，再通过另一分束器8照射到雪崩光电二极管7(Avalanche Photo Diode，以下简称为APD)上进行光学调整。分束器1分出的另一束光用反射镜2和反射镜6调整光轴，再经分束器3后由透镜4会聚照射到被测物上，反射回的多普勒偏移信号光再通过分束器3、反射镜9和分束器8与基准光在APD7上干涉，从而产生拍频。产生的拍频光经APD7光电转换后再经速度解调、频率检波进而检测出相应的振动速度信号。当该测量装置中的反射镜或其他装置运动到他们可能达到的边界情况时，频移不可能无限的保持着，从而会产生光束短时间失落或相位突越，同时由图1可以看出：该装置使用了APD、多个分束器及其他光学元器件以实现频移鉴相，增加了光路的调节难度和系统体积。并且由于该测量装置的AOM预置频移为-80MHz，对后面的数据处理增加了难度。因而现有的外差探测装置不仅操作复杂，且成本很高。同时，AOM驱动器又是一个独立的部件，无疑增加了系统的体积。

发明内容

本发明的目的就是要弥补上述现有的外差探测装置的不足，提供一种用于与水下目标进行声光通信光电外差探测电路，该电路应具有频移方向鉴别、连续测量、结构简单、体积小、操作简便和成本低的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于与水下目标进行声光通信的光电外差探测电路，特征在于其构成包括第一光电探测器、第二光电探测器、第一高通滤波器、第二高通滤波器、本地振荡器、第一混频器、第二混频器、第三混频器、第四混频器、90°移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、数据采集卡、示波器，构成信号处理电路和参考处理电路，其位置关系是：

所述的信号处理电路中，第一光电探测器接收由水面振动作用后的多普勒频移散射光信号，其输出的电信号经第一高通滤波器滤波后分为两路：一路与本地振荡器输出信号同时在第一混频器混频，再经第一低通滤波器滤波，得到第一路信号；另一路与经过90°移相器移相的本地振荡器输出信号通过第二混频器混频，再经第二低通滤波器滤波得到第二路信号，所述的第一路信号和第二路信号输入所述的数据采集卡上；

所述的参考处理电路中，第二光电探测器接收与第一光电探测器接收相同的多普勒频移散射光信号，其输出的电信号经第二高通滤波器滤波后分为两路：一路与本地振荡器输出信号同时在第三混频器混频，再经第三低通滤波器滤波，得到第三路信号；另一路与经过90°移相器移相的本地振荡器输出信号通过第四混频器混频，再经第四低通滤波器滤波得到第四路信号，所述的第三路信号和第四路信号输入所述的示波器；

所述的本地振荡器中的晶体振荡器输出信号经本地振荡器中的低通滤波器后得到的输出作为声光调制器的驱动信号。

所述的第一光电探测器和第二光电探测器具有相同的结构和性能，为PIN光电二极管。

所述的本地振荡器由55MHz的晶体振荡器和通带频率为55MHz的带通滤波器组成。

所述的90°移相器由集成运算放大器芯片和同轴电缆构成。

由于该电路装置所处理的信号中心频率为55MHz，即信号周期为18.1ns，属于高频电路范畴，这样就会在该电路设计以及调试过程中产生信号间的串扰和信号自身的失真。同时，该电路装置中的本地振荡器和90°移相由于所使用元器件参数的限制，会使电路装置自身对待处理的信号存在一定的作用。因此，为了观测以上几方面所带来的误差以及对信号进行修正，在电路的对称位置处按照与信号处理路相同的元器件位置关系用与信号处理路相同的元器件构成参考处理电路，对由第二光电探测器接收到的与第一光电探测器完全相同的多普勒频移散射光进行处理，将得到的输出信号输入到示波器进行实时对比观测。同时，将本地振荡器中的晶体振荡器输出信号经本地振荡器中的低通滤波器后得到的输出信号作为AOM的驱动源。

所述的电路的外接电源为±15V，其余电压由内部电路变化得到。

本发明光电外差探测电路，即与水下目标进行声光通信的外差电路进行频移方向鉴别的工作原理说明如下：

多普勒频移光束在光电探测器上产生的电场为E₀cos[2π(v+Δv)+φ]，参考光束在通道1中的电场为E_Rcos(2πvt)，在通道2中的电场为E_Rsin(2πvt)。

在通道1中的探测器电流为：

$i_1=B_1[\frac{1}{2}{E}_R^2+\frac{1}{2}{E}_o^2+E_o{E}_R\cos (2\mathrm{\π\Δvt}+\mathrm{\φ})]$

通道2中的电流为：

$i_2=B_2[\frac{1}{2}{E}_R^2+\frac{1}{2}{E}_o^2-E_o{E}_R\sin (2\mathrm{\π\Δvt}+\mathrm{\φ})]$

式中B₁和B₂为探测器灵敏度常数。

因此，通道2中探测器电流的变化以90°领先于通道1。如果多普勒频移由+Δv变化到-Δv，则通道1和通道2中探测器电流的交流分量分别变为-E_oE_Rcos(2πΔvt-φ)和+E_oE_Rcos(2πΔvt-φ)。此时，通道1就领先于通道2。要使这种系统能工作，重要的是使每个通道准确的接收到相似的散色光采样，它们与参考光混频具有恒定的相位差。通常情况下实现这种要求的办法是两个通道使用共同的光路，通过偏振片和棱镜实现差分。

本发明电路选取增益为1的运算放大器和一定长度的同轴电缆通过电子学的方法实现90°移相，信号在特性阻抗为50Ω的同轴电缆线上的传输延迟为5ns/m，由此根据传输信号周期算得对应于90°移相的延迟时间，从而达到等价的差分作用，即通道1和通道2中探测器电流的交流分量分别由+E_oE_Rcos(2πΔvt+φ)]和-E_oE_Rsin(2πΔvt+φ)]变为-E_oE_Rcos(2πΔvt-φ)和+E_oE_Rcos(2πΔvt-φ)。这样既可以对噪声进行二次去除，又可以方便调节等价实现90°移相，即差分。

在本发明电路的设计过程中，通过本地振荡器的设计，使其与经光电探测器转换后所得的电信号进行混频、低通滤波从而使对输出数据的处理难度大大降低，带宽控制在3MHz范围以内。在电路相应位置设计安装参考处理电路，可以实时监测由于电路自身的原因在本地振荡器部分和90°移相器部分给输出结果造成的偏差。

本发明的技术效果如下：

1、本发明通过采用增益为1的运算放大器和一定长度的同轴电缆线，很容易实现差分的产生。由于采用电子学器件代替了偏振方法实现差分，可避免光路的调节，具有调试方便、性能稳定、成本低的优点。

2、本地振荡器与低通滤波使输出信号带宽降低，带宽为3MHz以内，降低了对后面数据采集卡采样频率的要求和数据处理的难度。

3、将AOM驱动与外差探测电路集成在一块电路板上，板子尺寸为80×84mm²，从而减少了系统体积，降低了系统成本。

附图说明

图1为现有的用光学方法实现多普勒测振的测量装置结构示意图

图2是本发明光电外差探测电路实施例的结构示意图

图中：23-本地振荡器，25-90°移相器。

I为信号处理路，包括：211-第一光电探测器，221-第一高通滤波器，241-第一混频器，242-第二混频器，261-第一低通滤波器，262-第二低通滤波器。

II为参考信号处理路，包括：212-第二光电探测器，222-第二高通滤波器，243-第三混频器，244-第四混频器，263-第三低通滤波器，264-第四低通滤波器。27-数据采集卡，28-示波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，图2是本发明光电外差探测电路实施例的结构示意图。由图可见，本发明光电外差探测电路，构成包括第一光电探测器211、第二光电探测器212、第一高通滤波器221、第二高通滤波器222、本地振荡器23、第一混频器241、第二混频器242、第三混频器243、第四混频器244、90°移相器25、第一低通滤波器261、第二低通滤波器262、第三低通滤波器263、第四低通滤波器264、数据采集卡27、示波器28，构成信号处理电路I和参考处理电路II，其位置关系是：

所述的信号光处理电路I，第一光电探测器211接收由水面振动作用后的多普勒频移散射光信号，其输出的电信号经第一高通滤波器221滤波后分为两路：一路与本地振荡器23输出信号同时在第一混频器241混频，再经第一低通滤波器261滤波，得到第一路信号；另一路与经过90°移相器25移相的本地振荡器23输出信号通过第二混频器242混频，再经第二低通滤波器262滤波得到第二路信号，所述的第一路信号和第二路信号输入所述的数据采集卡27上；

所述的参考处理电路II，第二光电探测器212接收与第一光电探测器211接收相同的多普勒频移散射光信号，其输出的电信号经第二高通滤波器222滤波后分为两路：一路与本地振荡器23输出信号同时在第三混频器243混频，再经第三低通滤波器263滤波，得到第三路信号；另一路与经过90°移相器25移相的本地振荡器23输出信号通过第四混频器244混频，再经第四低通滤波器264滤波得到第四路信号，所述的第三路信号和第四路信号输入所述的示波器28；

所述的本地振荡器(23)中的晶体振荡器输出信号经本地振荡器中的低通滤波器后得到的输出作为声光调制器的驱动信号。

所述的第一光电探测器211和第二光电探测器212具有相同的结构和性能，为PIN光电二极管。

所述的本地振荡器23由55MHz的晶体振荡器和通带频率为55MHz的带通滤波器组成。

所述的90°移相器25由集成运算放大器芯片和同轴电缆构成。

由于该电路装置所处理的信号属于高频电路范畴，会在该电路设计以及调试过程中产生信号间的串扰和信号自身的失真。同时，该电路装置中的本地振荡器23和90°移相25由于所使用元器件参数的限制，也会使电路装置自身对待处理的信号存在一定的作用。因此，为了观测以上几方面所带来的误差以及对信号进行修正，在本发明电路的对称位置处按照与信号处理路相同的位置关系用与信号处理路完全一致的元器件构成处理参考路，第二光电探测器212与第一光电探测器211接收相同的多普勒频移散射光信号，经过处理后得到的输出信号输入到示波器28进行实时对比观测。

所述的光电探测器为PIN光电二极管，所述的PIN光电二极管为具有前置放大功能的InGaAs G9806系列。同时，在PIN光电二极管后放置一级截止频率为55MHz的高通滤波器以消除噪声的影响。

所述的本地振荡器23由55MHz的晶体振荡器和通带频率为55MHz的带通滤波器组成，所述的晶体振荡器为KDS-6D型号，所述的带通滤波器由地通滤波器和高通滤波器组合而成，其截止频率的确定由下式得到：

$f_c=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}},R=300\mathrm{\Ω},C=9.7\mathrm{pf}.$

所述的90°移相由集成运算放大器芯片AD811及一定长度的同轴电缆构成，根据电路设计的实际情况，同轴电缆线长度选择为76cm。

所述的信号中心频率为55MHz。

所述的电路的外接电源为±15V，其余电压由内部电路变化得到，电路内部需使用+3.3V、+5V，采用MC7805和LM317得到所需的电压。

所述的AOM驱动由晶体振荡器和一级低通滤波器组成，根据AOM驱动要求，通过低通滤波器滤波得到频率为55MHz、电压为4.8V的正弦信号驱动AOM。

考虑到电路处理信号的中心频率为55MHz，属于高频电路设计范围。因此，其印刷电路板的制作情况直接决定着电路输出信号的有效程度。在画制电路的印刷电路板时运算放大器AD811的反馈电阻和增益电阻间的连线长度必须小于6.35mm，以减少串扰，在本电路设计中连线线长取为2.286mm。各元器件之间的距离要尽可能最短，同时，为了减少电磁辐射还要减小印刷电路板自身的面积。

本发明采用电子学元器件实现了光电外差探测电路鉴别多普勒频率，从而消除了传统的由光学元件实现多普勒鉴频对光路校准要求高和后期数据处理难度大的影响，同时又实现了同步监测电路自身所造成的偏差和AOM驱动的功能，使结构简单易于操作，而且由于采用电子学方法不需要反复校准直接实现了90°差分的要求，可以一次完成系统的调试，因此本发明装置具有结构简单易于调节、成本低、体积小的优点。

Claims (4)

1、一种用于与水下目标进行声光通信的光电外差探测电路，特征在于包括第一光电探测器(211)、第二光电探测器(212)、第一高通滤波器(221)、第二高通滤波器(222)、本地振荡器(23)、第一混频器(241)、第二混频器(242)、第三混频器(243)、第四混频器(244)、90°移相器(25)、第一低通滤波器(261)、第二低通滤波器(262)、第三低通滤波器(263)、第四低通滤波器(264)、数据采集卡(27)和示波器(28)，构成信号处理电路(I)和参考处理电路(II)，其位置关系是：

所述的信号处理电路(I)：第一光电探测器(211)接收由水面振动作用后的多普勒频移散射光信号，其输出的电信号经第一高通滤波器(221)滤波后分为两路：一路与本地振荡器(23)输出信号同时在第一混频器(241)混频，再经第一低通滤波器(261)滤波，得到第一路信号；另一路与经过90°移相器(25)移相的本地振荡器(23)输出信号通过第二混频器(242)混频，再经第二低通滤波器(262)滤波得到第二路信号，所述的第一路信号和第二路信号输入所述的数据采集卡(27)上；

所述的参考处理电路(II)：第二光电探测器(212)接收与第一光电探测器(211)接收相同的多普勒频移散射光信号，其输出的电信号经第二高通滤波器(222)滤波后分为两路：一路与本地振荡器(23)输出信号同时在第三混频器(243)混频，再经第三低通滤波器(263)滤波，得到第三路信号；另一路与经过90°移相器(25)移相的本地振荡器(23)输出信号通过第四混频器(244)混频，再经第四低通滤波器(264)滤波得到第四路信号，所述的第三路信号和第四路信号输入所述的示波器(28)；

所述的本地振荡器(23)中的晶体振荡器输出信号经本地振荡器中的低通滤波器后得到的输出作为声光调制器的驱动信号。

2、根据权利要求1所述的光电外差电路，其特征在于所述的第一光电探测器(211)和第二光电探测器(212)具有相同的结构和性能，为PIN光电二极管。

3、根据权利要求1所述的光电外差电路，其特征在于所述的本地振荡器(23)由55MHz的晶体振荡器和通带频率为55MHz的带通滤波器组成。

4、根据权利要求1所述的光电外差电路，其特征在于所述的90°移相器(25)由集成运算放大器芯片和同轴电缆构成。

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