CN103487133B - 提高激光微振动传感系统信噪比的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高激光微振动传感系统信噪比的方法及装置，激光器发出的光经过光纤耦合器后分成两束光，较微弱光束直接经第三光电探测器转换为电信号，较强光束经光纤准直器发射出作为干涉仪光源；光纤准直器发出的光经过第一偏振分光器后分成反射光和透射光，反射光作为参考光；透射光作为信号光；参考光与信号光经过第二波片与第二偏振分光器后分别输入到第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器的输出相减后，再除以第三光电探测器的输出，其结果经过混频、滤波后得到两路正交信号，将两路正交信号经过A/D转换，利用相位生成载波解调算法实现解调。本发明可提高信噪比5dB~10dB，加强了微弱振动信号的测量能力。
Description
技术领域
本发明涉及激光微振动传感系统，具体地说是一种提高激光微振动传感系统信噪比的方法及装置，属于激光干涉测量领域。
背景技术
激光多普勒干涉测振技术是一种伴随着激光器的出现而产生的一种新型技术，它具有高精度与灵敏度，远距离非接触测量，高时空分辨率，高响应度等独特的优势，已经成为科研工作和众多行业中不可缺少的检测方法。其技术用途可以覆盖从大型结构、建筑、桥梁的安全振动范围监控，到各类发动机、传动机构的振动测量，再到微纳器件、微机电系统（MEMS）、微光机电系统（MOEMS）和纳光机电系统（NOEMS）的微纳振动测量，被广泛用于速度、位移、振幅、振动等参数的测量。
在传统的PGC（相位生成载波）解调技术中，解调出来的信号幅值依赖于光强和电路参数的变化，使得对待测信号幅值的定标带来了一定的困难。基于PGC解调技术的应用与发展越来越广阔，对噪声的分析以及抑制有重大意义，双路平衡激光多普勒干涉仪的采用在一定程度上抑制了光源强度噪声，提高了振动测量的信噪比。然而在双路平衡探测光路中，由于存在干涉拍幅，其附加的光源强度噪声不能通过光电转换后两探测器信号相减完全消除掉。因此，研究消除干涉拍幅上附加的光源强度噪声的方法，可进一步提高激光微振动传感系统的信噪比，相关的专利和文献未见报道。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种提高激光微振动传感系统信噪比的方法及装置。
本发明提供的一种提高激光微振动传感系统信噪比的装置，包括激光器、光纤耦合器、第三光电探测器、光纤准直器、第一光电探测器、信号解调、第一压电陶瓷制动器、第一波片、第一偏振分光器、第二波片、第二偏振分光器、第二光电探测器、第三波片及第二压电陶瓷制动器；所述激光器发出的光经过光纤耦合器后分成两路光束，较微弱光束直接经第三光电探测器转换为电信号，较强光束经光纤准直器发射出作为干涉仪光源；所述光纤准直器发出的光经过第一偏振分光器后分成反射光和透射光，所述反射光通过第一波片后遇到第一压电陶瓷制动器调制后返回，再次经过所述第一波片作为参考光；所述透射光经过第三波片后遇到第二压电陶瓷制动器，其表面的部分散射光再次经过所述第三波片作为信号光；所述参考光与所述信号光经过第二波片与第二偏振分光器后分别输入到第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的输出相减后，再除以所述第三光电探测器的输出，其结果经过混频、滤波后得到两路正交信号，将所述两路正交信号经过A/D转换，利用PGC解调算法实现解调。
其中：所述第一波片与所述第三波片采用λ/4 波片，所述第二波片采用λ/2 波片。
所述光纤耦合器采用高分光比的5:95光纤耦合器。
本发明提供的一种提高激光微振动传感系统信噪比的方法，包括以下步骤：
(1) 所述参考光与所述信号光经过第二波片与第二偏振分光器后分别输入到第一光电探测器和第二光电探测器，通过调节所述第二波片使得两路信号的直流量相等；
(2) 所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的两路输出相减后，再除以所述第三光电探测器的输出，然后经过混频，滤波得到两路正交信号；
(3)所述两路正交信号通过数据采集卡实现A/D转换，在软件上进行低通、求导、交叉相乘、积分、高通滤波后，与两路正交信号平方和相除，获得待测振动信号。
其中：所述数据采集卡采用NI公司的6251数据采集卡；所述软件采用labview软件。
本发明的技术效果在于：本发明在传统双路平衡探测激光多普勒干涉仪的基础上，通过添加一个高分光比光纤耦合器、一个光电探测器，改进传统PGC算法，提高信噪比5dB~10dB，从而有效地抑制光源强度噪声，提高了解调结果的信噪比。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明的解调流程图。
图3A与图3B为驱动第二压电陶瓷制动器的信号为f=1.2k，V=10mv时是否采用本发明方案的解调结果比较图。
图4A与图4B为驱动第二压电陶瓷制动器的信号为f=1.2k，V=50mv时是否采用本发明方案的解调结果比较图。
图5A与图5B为驱动第二压电陶瓷制动器的信号为f=1.2k，V=100mv时是否采用本发明方案的解调结果比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1中，包括激光器1、光纤耦合器2、第三光电探测器3、光纤准直器4、第一光电探测器5、信号解调6、第一压电陶瓷制动器7、第一波片8、第一偏振分光器9、第二波片10、第二偏振分光器11、第二光电探测器12、第三波片13、第二压电陶瓷制动器14等。
如图1所示，本发明是本发明提供的一种提高激光微振动传感系统信噪比的装置，包括激光器1、光纤耦合器2、第三光电探测器3、光纤准直器4、第一光电探测器5、信号解调6、第一压电陶瓷制动器7、第一波片8、第一偏振分光器9、第二波片10、第二偏振分光器11、第二光电探测器12、第三波片13及第二压电陶瓷制动器14。
激光器1发出的光经过光纤耦合器2后分成两路光束，较微弱光束直接经第三光电探测器3（PD3）转换为电信号，较强光束经光纤准直器4发射出作为干涉仪光源；光纤准直器4发出的光经过第一偏振分光器9后分成反射光和透射光，反射光通过第一波片8后遇到第一压电陶瓷制动器7调制后返回，再次经过第一波片8作为参考光；透射光经过第三波片13后遇到第二压电陶瓷制动器14，其表面的部分散射光再次经过第三波片13作为信号光；参考光与信号光经过第二波片10与第二偏振分光器11后分别输入到第一光电探测器5和第二光电探测器12，第一光电探测器5（PD1）和第二光电探测器12（PD2）的输出相减后，再除以第三光电探测器3（PD3）的输出，其结果经过混频、滤波后得到两路正交信号，将两路正交信号经过A/D转换，利用PGC解调算法实现解调。
其中：激光器1采用波长1550nm的窄线宽光纤激光器；第一波片8与第三波片13采用λ/4 波片，第二波片10采用λ/2 波片；光纤耦合器2采用高分光比的5:95光纤耦合器；实验装置上的光纤全部使用保偏光纤，以保证偏振态不变。
本发明的原理如下：在双路平衡探测光路中，由于存在干涉拍幅，其附加的光源强度噪声不能通过光电转换后两探测器信号相减完全消除掉，本发明从光源直接引出一路光束，由第三光电探测器3（PD3）直接作光电转换，通过三个探测器输出信号的综合利用。其中包括了一部分随时间变化的参数，通过强度抑制的方法，可以减小强度噪声，从而提高振动测量信噪比。
设三个光电探测器（PD）的光生电流分别为：
PD1: (1)
PD2: (2)
PD3: (3)
式（1）、式（2）和式（3）中，A1、A2和A3为输入光功率有关的直流量，B1和B2为输入光功率和干涉效率有关的交流项系数，C为调制深度，为调制信号，为待解调信号。通过调节波片，能够得到 。因此可得到
PD1: (4)
PD2: (5)
(6)
对式（6）进行贝塞尔函数展开，混频低通滤波后得到两路正交信号
(7)
(8)
后序的算法如图2所示，包括以下几个步骤：
1、通过NI-6521数据采集卡实现A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，输入PC机中。
2、将两路正交信号输入PC机中后，通过labview软件做运算，获得解调结果以及目标物的振动信息，观察频谱信噪比，并与不做强度抑制的情况做对比。
具体方法：1、将两路正交信号分别求导；2、两路求导信号与正交信号交叉相乘；3、两路正交信号平方求和；4、交叉相乘后与平方和相除，再积分，高通滤波后得到解调信号。
下面通过三个实验验证本发明提高了激光干涉传感系统的信噪比，实验中“加强度抑制”情况为采用了本发明提高信噪比方案的微振动测量结果，“不加强度抑制”情况为未采用本发明中所述方案的双路平衡激光多普勒干涉仪振动测量结果。
（1）利用函数发生器驱动第二压电陶瓷制动器14来模拟微振动信号，输出频率f=1.2k，幅度V=10mv，观察是否加强度抑制的解调结果。比较图3A与图3B，在加强度抑制的情况下SNR=32dB，不加强度抑制的情况下SNR=25dB。由此可见，振动信号测量信噪比提高了7dB。
（2）在保持待测信号不变的情况下，改变函数发生器的驱动电压为50mv，观察是否加强度抑制的解调结果。比较图4A与图4B，在加强度抑制的情况下SNR=55dB，不加强度抑制的情况下SNR=47dB。由此可见，振动信号测量信噪比提高了8dB。
（3）在保持待测信号不变的情况下，改变函数发生器的驱动电压为100mv，观察是否加强度抑制的解调结果。比较图5 A与图5B，在加强度抑制的情况下SNR=58dB，不加强度抑制的情况下SNR=52dB。由此可见，振动信号测量信噪比提高了6dB。
Claims (6)
1.一种提高激光微振动传感系统信噪比的装置，其特征是：包括激光器（1）、光纤耦合器（2）、第三光电探测器（3）、光纤准直器（4）、第一光电探测器（5）、信号解调（6）、第一压电陶瓷制动器（7）、第一波片（8）、第一偏振分光器（9）、第二波片（10）、第二偏振分光器（11）、第二光电探测器（12）、第三波片（13）及第二压电陶瓷制动器（14）；所述激光器（1）发出的光经过光纤耦合器（2）后分成两路光束，较微弱光束直接经第三光电探测器（3）转换为电信号，较强光束经光纤准直器（4）发射出作为干涉仪光源；所述光纤准直器（4）发出的光经过第一偏振分光器（9）后分成反射光和透射光，所述反射光通过第一波片（8）后遇到第一压电陶瓷制动器（7）调制后返回，再次经过所述第一波片（8）作为参考光；所述透射光经过第三波片（13）后遇到第二压电陶瓷制动器（14），其表面的部分散射光再次经过所述第三波片（13）作为信号光；所述参考光与所述信号光经过第二波片（10）与第二偏振分光器（11）后分别输入到第一光电探测器（5）和第二光电探测器（12），所述第一光电探测器（5）和所述第二光电探测器（12）的输出相减后，再除以所述第三光电探测器（3）的输出，其结果经过混频、滤波后得到两路正交信号，将所述两路正交信号经过A/D 转换，利用PGC 解调算法实现解调。
2.按照权利要求1 所述的提高激光微振动传感系统信噪比的装置，其特征是：所述第一波片（8）与所述第三波片（13）采用λ/4 波片，所述第二波片（10）采用λ/2 波片。
3.按照权利要求1 所述的提高激光微振动传感系统信噪比的装置，其特征是：所述光纤耦合器（2）采用高分光比的5:95 光纤耦合器。
4.一种使用权利要求1 至3 中任一项所述装置提高激光微振动传感系统信噪比的方法，其特征是，包括以下步骤：
(1) 所述参考光与所述信号光经过第二波片（10）与第二偏振分光器（11）后分别输入到第一光电探测器（5）和第二光电探测器（12），通过调节所述第二波片（10）使得两路信号的直流量以及输入光功率和干涉效率有关的交流项系数相等；
(2) 所述第一光电探测器（5）和所述第二光电探测器（12）的两路输出相减后，再除以所述第三光电探测器（3）的输出，然后经过混频，滤波得到两路正交信号；
(3)所述两路正交信号通过数据采集卡实现A/D 转换，在软件上进行低通、求导、交叉相乘、积分、高通滤波后，与两路正交信号平方和相除，获得待测振动信号。
5.按照权利要求4 所述的提高激光微振动传感系统信噪比的方法，其特征是：所述数据采集卡采用NI 公司的6251 数据采集卡。
6.按照权利要求4 所述的提高激光微振动传感系统信噪比的方法，其特征是：所述软件采用labview 软件。
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