CN104501940A - 一种外差激光的信号解调方法及其系统 - Google Patents

一种外差激光的信号解调方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种外差激光的信号解调方法及其系统，包括：将外差激光干涉仪输出的多普勒载波信号移相90度，形成两路正交的载波信号；分别对两路正交的载波信号进行下降频处理得到两路低频信号，在该下降频处理过程中，利用外接的本振信号分别对该两路正交的载波信号进行混频；通过模数转换器将两路低频信号转换成两路离散电压信号，并据此计算调相值序列，解调出振动的加速度幅值和初相位角。本发明极大降低了对数据采集速度的要求，缓解了数据解算中数据庞大解算难的问题，实现外差激光测振仪对低频振动的测量，更在变零频过程中使用同时钟方法，去除了外界环境对测量结果干扰的影响，提高测量稳定度和测量精度。

Description

一种外差激光的信号解调方法及其系统
技术领域
本发明涉及机械振动与冲击测量领域，尤其涉及一种外差激光的信号解调方法及其系统。
背景技术
随着科学进步和社会的发展，对机械振动测量的要求也不断提高，主要体现在振动的加速度、速度和位移传感器及测量仪的绝对校准的要求也越来越高，而外差干涉测量利用载波技术将被测物理量的信息转换成调频或调相信号，因此具有抗干扰能力强、测量速度快、信噪比高、易于实现高分辨率率测量等特点，得到了很大的发展，用于微小振动的测量有独特的优势。
在外差干涉测量中，外差激光干涉仪通过声光调制器对光进行移频fc(如fc＝40MHz)，由振动产生的多普勒频移Δf将载波到fc上，光电接收器输出的电信号频率为fc+Δf，由于载波频率较高，对于进行数据采集和对采集后的大量数据进行计算具有较高的难度，通常情况下，要对此频率进行下变频，变成较低的载波调频信号，降低数据采集和数据计算的难度，但是对于低频振动，振动周期较长，采集载波信号还是形成庞大的数据，增加计算难度，低频振动无法测量，限制解调振动频率下限。
发明内容
本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
为克服现有技术的问题，本发明提供一种外差激光的信号解调方法及其系统，将单路的多普勒载波信号转换成两路正交的载波信号，同时钟降零频处理，极大降低了对数据采集速度的要求，缓解了数据解算中数据庞大解算难的问题，实现外差激光测振仪对低频振动的测量。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种外差激光的信号解调方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将外差激光干涉仪输出的多普勒载波信号移相90度，形成两路正交的载波信号；
S2、分别对该两路正交的载波信号进行下降频处理得到两路低频信号，在该下降频处理过程中，利用外接的本振信号分别对该两路正交的载波信号进行混频；
S3、通过模数转换器将该两路低频信号转换成两路离散电压信号，并据此计算调相值序列，解调出振动的加速度幅值和初相位角。
根据本发明的一个实施例，在该步骤S2中，通过该本振信号实现同时钟零频处理，把该两路正交的载波信号的频率降频到零频。
根据本发明的一个实施例，在该步骤S2中，该本振信号为该外差激光干涉仪中声光调制器的驱动信号。
根据本发明的一个实施例，该步骤S3中，在计算调相值序列，解调出振动的加速度幅值和初相位角时包括步骤：
根据得出该调相值序列其中n为自然数，u1(ti)和u2(ti)代表该两路离散电压信号的值；
建立方程组：利用正弦逼近法求得A、B；
其中ω＝2πf，C为常数，i为自然数；为相位调制项幅值，ω为振动角频率，为位移的初相位角；
根据计算相位调制项幅值和位移的初相位角
根据得出振动加速度的幅值a和初相位角
根据本发明的一个实施例，还包括步骤S4，所述模数转换器在采集该外差激光干涉仪输出信号的同时，同步采集振动传感器的电压信号，形成离散的数字电压序列u(ti)；
根据公式u(ti)＝Aucosωti-Businωti+Cu利用正弦逼近法求得Au和Bu，其中C为常数，为传感器输出信号幅值，为加速度计输出信号的初相位角；
根据计算传感器输出的信号幅值和初相位
根据本发明的一个实施例，该步骤S4还包括：
根据计算该传感器的幅值灵敏度其中为传感器输出的信号幅值，为振动加速度幅值；
根据计算相移其中为传感器输出的信号初相位角，为振动初相位角。
根据本发明的另一个方面，还提供一种外差激光的信号解调系统，其特征在于，包括步骤：
移相器，用于将外差激光干涉仪输出的多普勒载波信号移相90度，形成两路正交的载波信号；
混频器，与该移相器相连，用于利用外接的本振信号分别对该两路正交的载波信号进行混频；
低通滤波器，与该混频器相连，用于分别对混频后该两路正交的载波信号进行下降频处理得到两路低频信号；
模数转换器，与该低通滤波器相连，用于将该两路低频信号转换成两路离散电压信号；
数据解算单元，与该模数转换器相连，用于根据该两路离散电压信号计算调相值序列，解调出振动的加速度幅值和初相位角。
根据本发明的一个实施例，该混频器与该外差激光干涉仪中的声光调制器相连，用于将该声光调制器的驱动信号作为本振信号分别对该两路正交的载波信号进行混频。
根据本发明的一个实施例，该数据解算单元包括：调相值序列计算模块，用于根据得出该调相值序列其中n为自然数，u1(ti)和u2(ti)代表该两路离散电压信号的值；方程组求解模块，用于建立方程组利用正弦逼近法求得A、B；其中ω＝2πf，C为常数，i为自然数，为相位调制项幅值，ω为振动角频率，为位移的初相位角；幅值和初相位角计算模块，用于根据计算相位调制项幅值和位移的初相位角振动加速度幅值计算单元，还用于根据 得出振动加速度的幅值a和初相位角
根据本发明的一个实施例，该模数转换器还用于采集传感器的电压信号，形成离散的数字电压序列；该数据解算单元还用于根据公式u(ti)＝Aucosωti-Businωti+Cu利用正弦逼近法求得Au和Bu，并根据 计算传感器输出的信号幅值和初相位其中 C为常数，为传感器输出信号幅值，为加速度计输出信号的初相位角。
本发明提供一种外差激光的信号解调方法及其方法，通过模拟移相器对载波信号移相90度，形成正交载波信号，通过使用光移频时钟作为下变频的本振信号，对载波信号直接降到零频信号，极大降低数据采集和数据处理的难度，使得振动测量的频率更低，同时由于光移频和载波信号降频使用同一时钟，使得减小外界干扰因素对测量带来的影响，提高测量精度。
通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1为本发明实施例的外差激光的信号解调方法的流程示意图。
图2为本发明实施例的外差激光的信号解调系统以及外差激光干涉仪的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种外差激光的信号解调方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将外差激光干涉仪输出的多普勒载波信号移相90度，形成两路正交的载波信号；
S2、分别对两路正交的载波信号进行下降频处理得到两路低频信号，在该下降频处理过程中，利用外接的本振信号分别对该两路正交的载波信号进行混频；
S3、通过模数转换器将两路低频信号转换成两路离散电压信号，并据此计算调相值序列，解调出振动的加速度幅值和初相位角。
具体来说，在步骤S1中，外差激光干涉仪的线性偏振激光器发射出激光，经过分光镜后被分成测量光和参考光，其中测量光经过声光调制器移频例如是40MHz，通过透镜组照射在振动物体上，并在振动物体上形成漫反射光，漫反射光通过聚焦透镜汇聚成返回测量光束，与参考光进行差频，进入光电接收器，得到包含40MHz移频信号和振动多普勒移频的信号，最后输出相应的输出的多普勒载波信号。
在上述步骤S1中，假设声光调制器移频的驱动频率为fb(例如是40MHz)，由于声光调制器的驱动信号会受到环境因素的影响，驱动信号频率的变化会给整个测量结果带来影响，如温度、电磁场干扰等因素会导致晶振输出信号频率发生扰动，假设扰动量为Δfb，则驱动信号变成f'b＝fb+Δfb，Δfb是一个变化的扰动量，光电接收器接收到的信号为fb+Δfb+fd，fd是由被测振动物体引起的多普勒频移，属于被测量，Δfb加入了物体振动的解调运算中，在小位移振动测量时，随着fd的减小，Δfb的影响会变大。光电接收器输出的电压信号可以表示为：
其中a0为信号幅值，c0为直流分量，t为时间，其中多普勒频移为
使用移相器对输出信号移相90度，变成与原来的载波信号形成了两路正交的载波信号。
在步骤S2中，本振信号采用外差激光干涉仪中声光调制器的驱动信号实现同时钟零频处理，把该两路正交的载波信号的频率降频到零频，降低了数据采集的速度和解调的数据量，能够测量更低频率的振动，同时提高测量精度；此外采用外差激光干涉仪中声光调制器的驱动信号作为本振信号还能去掉由于环境扰动晶振变化的影响。在利用本振信号分别与两路正交光电信号进行混频并经过低通滤波进行下降频处理后得到两路低频信号为：
其中，a0′为信号幅度，为初相位。
步骤S3中，在计算调相值序列，解调出振动的加速度幅值和初相位角时包括步骤：
根据得出该调相值序列其中n为自然数，u1(ti)和u2(ti)代表该两路离散电压信号的值；
建立方程组：利用正弦逼近法求得A、B；
其中ω＝2πf，C为常数，i为自然数；为相位调制项幅值，ω为振动角频率，为位移的初相位角；
根据计算相位调制项幅值和位移的初相位角
根据得出振动加速度的幅值a和初相位角
此外还包括步骤S4：在采集该外差激光干涉仪输出信号的同时，同步采集振动传感器的电压信号，形成离散的数字电压序列u(ti)；
根据公式u(ti)＝Aucosωti-Businωti+Cu利用正弦逼近法求得Au和Bu，其中C为常数，为传感器输出信号幅值，为加速度计输出信号的初相位角；
根据计算传感器输出的信号幅值和初相位角
还可以根据计算该传感器的幅值灵敏度其中为传感器输出的信号幅值，为振动加速度幅值；
根据计算相移其中为传感器输出的信号初相位角，为振动加速度的初相位角。
可见，采取上述步骤S4，内让那个校准位于振动台上的振动传感器的参数。
如图2所示，本发明还提供一种外差激光的信号解调系统10，其特征在于，包括步骤：移相器11，用于将外差激光干涉仪20输出的多普勒载波信号移相90度，形成两路正交的载波信号；混频器12，与该移相器11相连，用于利用外接的本振信号分别对两路正交的载波信号进行混频；低通滤波器13，与该混频器12相连，用于分别对混频后两路正交的载波信号进行下降频处理得到两路低频信号；模数转换器14，与低通滤波器13相连，用于将该两路低频信号转换成两路离散电压信号；数据解算单元15，与该模数转换器14相连，用于根据两路离散电压信号计算调相值序列，解调出振动的加速度幅值和初相位角。
本实施例中，外差激光干涉仪20中的线性偏振激光器21发射出激光，经过分光镜22后被分成测量光和参考光，其中测量光经过声光调制器23移频例如是40MHz，通过透镜组25照射在振动物体30上，并在振动物体30上形成漫反射光，漫反射光通过聚焦透镜汇聚成返回测量光束，与参考光进行差频，进入光电接收器24，得到包含40MHz移频信号和振动多普勒移频的信号，最后输出相应的输出的多普勒载波信号。
假设声光调制器移频的驱动频率为fb(例如是40MHz)，由于声光调制器的驱动信号会受到环境因素的影响，驱动信号频率的变化会给整个测量结果带来影响，如温度、电磁场干扰等因素会导致晶振输出信号频率发生扰动，假设扰动量为Δfb，则驱动信号变成f'b＝fb+Δfb，Δfb是一个变化的扰动量，光电接收器接收到的信号为fb+Δfb+fd，fd是由被测振动物体引起的多普勒频移，属于被测量，Δfb加入了物体振动的解调运算中，在小位移振动测量时，随着fd的减小，Δfb的影响会变大。光电接收器24输出的电压信号可以表示为：
其中a0为信号幅值，c0为直流分量，t为时间，其中多普勒频移为
而移相器11对光电接收器24输出的电压信号移相90度，变成与原来的载波信号形成了两路正交的载波信号。
本实施例中，该混频器12与外差激光干涉仪中10的声光调制器23相连，用于将该声光调制器23的驱动信号作为本振信号分别对该两路正交的载波信号进行混频，实现同时钟零频处理，把两路正交的载波信号的频率降频到零频。在利用本振信号分别与两路正交光电信号进行混频并经过低通滤波器13进行下降频处理后得到两路低频信号为：
其中，a0′为信号幅度，为初相位。
在具体实施时，可以同时采用2个混频器以及2个低通滤波器分别对两路正交的载波信号进行处理。
数据解算单元15包括：调相值序列计算模块，用于根据得出该调相值序列其中n为自然数，u1(ti)和u2(ti)代表该两路离散电压信号的值；方程组求解模块，用于建立方程组利用正弦逼近法求得A、B；其中 ω＝2πf，C为常数，i为自然数，为相位调制项幅值，ω为振动角频率，为位移的初相位角；幅值和初相位角计算模块，用于根据计算相位调制项幅值和位移的初相位角振动加速度幅值计算单元，还用于根据得出振动加速度的幅值a和初相位角
采用上述外差激光的信号解调系统10还能校准安装在振动台的振动传感器的参数，如：灵敏度和相移。具体来说，该模数转换器14还用于采集振动传感器的电压信号，形成离散的数字电压序列；数据解算单元15则还用于根据公式u(ti)＝Aucosωti-Businωti+Cu利用正弦逼近法求得Au和Bu，并根据计算传感器输出的信号幅值和初相位其中C为常数，为传感器输出信号幅值，为加速度计输出信号的初相位角。
本发明提供一种外差激光的信号解调方法及其系统，直接把外差激光干涉仪输出的多普勒载波信号移相90度，与原多普勒信号形成正交信号，这两路正交信号分别与干涉仪内部声光调制器的驱动信号进行混频并经过低通滤波，极大降低了对数据采集速度的要求，缓解了数据解算中数据庞大解算难的问题，实现外差激光测振仪对低频振动的测量，更在变零频过程中使用同时钟方法，去除了外界环境对测量结果干扰的影响，提高测量稳定度和测量精度，最后应用相位解调算法，分别解调出振动的加速度、速度、位移以及传感器灵敏度和相移。
本发明提供的外差激光的信号解调方法及其系统能够实现外差激光测振仪从低频(～0.1Hz甚至更低)到高频(～50kHz)的振动精确测量，解决了外差激光测振仪低频难以测量的难题，且使用本发明提供的外差激光的信号解调方法及其系统的外差激光测振仪具有动态范围宽、体积小，携带方便，信号稳定等优点，可见本发明的技术方案极大地扩展外差激光测振仪的使用用途。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种外差激光的信号解调方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将外差激光干涉仪输出的多普勒载波信号移相90度，形成两路正交的载波信号；
S2、分别对所述两路正交的载波信号进行下降频处理得到两路低频信号，在所述下降频处理过程中，利用外接的本振信号分别对所述两路正交的载波信号进行混频；
S3、通过模数转换器将所述两路低频信号转换成两路离散电压信号，并据此计算调相值序列，解调出振动的加速度幅值和初相位角。
2.根据权利要求1所述外差激光的信号解调方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通过所述本振信号实现同时钟零频处理，把所述两路正交的载波信号的频率降频到零频。
3.根据权利要求1或2所述外差激光的信号解调方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述本振信号为所述外差激光干涉仪中声光调制器的驱动信号。
4.根据权利要求1所述外差激光的信号解调方法，其特征在于，所述步骤S3中，在计算调相值序列，解调出振动的加速度幅值和初相位角时包括步骤：
根据得出所述调相值序列其中n为自然数，u1(ti)和u2(ti)代表所述两路离散电压信号的值；
建立方程组：利用正弦逼近法求得A、B；其中 ω＝2πf，C为常数，i为自然数；为相位调制项幅值，ω为振动角频率，为位移的初相位角；
根据 计算相位调制项幅值和位移的初相位角
根据 得出振动加速度的幅值a和初相位角 
5.根据权利要求4所述外差激光的信号解调方法，其特征在于，还包括步骤S4，所述模数转换器在采集所述外差激光干涉仪输出信号的同时，同步采集振动传感器的电压信号，形成离散的数字电压序列u(ti)；
根据公式u(ti)＝Aucosωti-Businωti+Cu利用正弦逼近法求得Au和Bu，其中  C为常数，为传感器输出信号幅值，为加速度计输出信号的初相位角；
根据 计算传感器输出的信号幅值和初相位角 。
6.根据权利要求4或5所述外差激光的信号解调方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：
根据计算所述传感器的幅值灵敏度其中为传感器输出的信号幅值，为振动加速度幅值；
根据计算相移其中为传感器输出的信号初相位角， 为振动加速度的初相位角。
7.一种外差激光的信号解调系统，其特征在于，包括步骤：
移相器，用于将外差激光干涉仪输出的多普勒载波信号移相90度，形成两路正交的载波信号；
混频器，与所述移相器相连，用于利用外接的本振信号分别对所述两路正交的载波信号进行混频；
低通滤波器，与所述混频器相连，用于分别对混频后所述两路正交的载波信号进行下降频处理得到两路低频信号；
模数转换器，与所述低通滤波器相连，用于将所述两路低频信号转换成两路离散电压信号；
数据解算单元，与所述模数转换器相连，用于根据所述两路离散电压信号计算调相值序列，解调出振动的加速度幅值和初相位角。
8.根据权利要求7所述外差激光的信号解调系统，其特征在于，所述混频器与所述外差激光干涉仪中的声光调制器相连，用于将所述声光调制器的驱动信号作为本振信号分别对所述两路正交的载波信号进行混频。
9.根据权利要求7所述外差激光的信号解调系统，其特征在于，所述数据解算单元包括：调相值序列计算模块，用于根据得出所述调相值序列其中n为自然数，u1(ti)和u2(ti)代表所述两路离散电压信号的值；方程组求解模块，用于建立方程组 利用正弦逼近法求得A、B；其中 ω＝2πf，C为常数，i为自然数，为相位调制项幅值，ω为振动角频率，为位移的初相位角；幅值和初相位角计算模块，用于根据  计算相位调制项幅值和位移的初相位角振动加速度幅值计算单元，还用于根据 得出振动加速度的幅值a和初相位角
10.根据权利要求7所述外差激光的信号解调系统，其特征在于，所述 模数转换器还用于采集振动传感器的电压信号，形成离散的数字电压序列；所述数据解算单元还用于根据公式u(ti)＝Aucosωti-Businωti+Cu利用正弦逼近法求得Au和Bu，并根据 计算传感器输出的信号幅值和初相位其中 C为常数，为传感器输出信号幅值，为加速度计输出信号的初相位角。
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