CN104964735B - 一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统及解调方法 - Google Patents
一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统及解调方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统，包括信号发生单元、光路单元和解调单元，解调单元的输入端连接来自所述信号发生单元的两路正交信号sin（Csin（ωt））及cos（Csin（ωt））和来自光路单元的干涉信号对待测目标的振动信号进行解调。本发明还公开了一种激光相位载波多普勒振动信号的解调方法，采用正交锁相+DCM解调方法，经过乘法、低通滤波、微分、减法和积分计算将经过电光调制的待测目标的振动信号解调出来。本发明能够以较低的成本大幅改善传统零差检测法的抗环境扰动性，同时与传统的基于声光移频激光多普勒振动检测方法精度更高，且系统光学结构简单，具有良好的环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统，并涉及一种激光相位载波多普勒振动信号的解调方法，尤其涉及一种基于正交解调的一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统及解调方法。
背景技术
振动检测技术目前应用越来越广泛，而且要求越来越高，要求能够对待测目标微小的振动幅度进行检测，从而获取更多信息或及时发现所存在的隐患，即对于振动侦听技术而言，希望能检测到的物体振动幅度越小越好，而据Peter B等发表的Random speckleModulation Technique for Laser Interferometry中报道：外差干涉检测的精度表达如下公式所示：
)(4hvB/Pη) 1/2K-1
其中λ为波长，h为普朗克常数，B为带宽，P为接收功率，η为光电转换效率, v为激光波长，K为常数。
由此可知，当B越小时，可探测到的物体振动值越小，而采用传统的声光移频方法作为外差移频，其B值一般大于40MHz，因此相对B值较小的移相器件其探测精度更高。
发明内容
本发明的目的是为解决目前采用声光移方法作为外差移频时带宽B值太大，导致振动检测灵敏度低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统，包括信号发生单元、光路单元和解调单元；
所述信号发生单元包括信号发生器，信号发生器的输出信号分为两路，第一路经信号处理器后输出两路正交信号sin（Csin（ωt））和cos（Csin（ωt）），第二路经DA转换器后输出相移驱动信号sin（ωt）；
所述光路单元包括激光器和电光调制器，激光器输出的光经分束器分为信号光和参考光，参考光输入电光调制器的信号输入端，信号光输入第一分光棱镜，所述信号发生单元输出的相移驱动信号sin（ωt）输入电光调制器的电信号驱动端，电光调制器在相移驱动信号sin（ωt）的作用下输出的相移参考光输入到第二分光棱镜；通过第一分光棱镜的信号光在待测目标表面反射后形成的返回信号光再次进入第一分光棱镜，返回信号光再反射到第二分光棱镜，返回信号光与相移参考光在第二分光棱镜中混合并干涉形成干涉光，干涉光输入光电探测器后经处理器输出干涉信号；
所述解调单元包括四个乘法器、两个低通滤波器、两个微分器、一个减法器和一个积分器，解调单元的输入端连接来自所述信号发生单元的两路正交信号sin（Csin（ωt））及cos（Csin（ωt））和来自光路单元的干涉信号，干涉信号经AD转换器后分为两路，其中一路与cos（Csin（ωt））一并送入第一乘法器相乘，另一路与sin（Csin（ωt））一并送入第二乘法器相乘；第一乘法器输出的乘积经一低通滤波器后分为两路，其中一路经一微分器后送入第三乘法器，另一路直接送入第四乘法器，第二乘法器输出的乘积经另一低通滤波器后分为两路，其中一路经另一微分器后送入第四乘法器，另一路直接送入第三乘法器；第三乘法器输出的乘积和第四乘法器输出的乘积送入减法器，减法器输出的差送入积分器；ω为所述电光调制器调制载波引起的移相频率；
所述第一分光棱镜正对所述待测目标的一侧，待测目标的另一侧设有振动信号源，为待测目标提供振动信号。
进一步地，所述激光器为窄线宽半导体激光器，工作波长为1550nm，频率稳定度为10-7，功率稳定度为1%。
进一步地，所述电光调制器的调制频率范围为10KHz。
进一步地，所述光电探测器为内置前级放大的PIN型探测器。
进一步地，所述解调单元为在FPGA中通过数字逻辑实现的硬件模块。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种激光相位载波多普勒振动信号的解调方法，采用正交锁相+DCM解调方法，包括如下步骤：
(1)选择两路正交信号sin（Csin（ωt））及cos（Csin（ωt））和一路模拟干涉信号，模拟干涉信号经AD转换器后分为两路数字干涉信号，作为解调输入参数；ω为调制载波引起的移相频率；
(2)其中一路数字干涉信号与cos（Csin（ωt））一并送入第一乘法器相乘，另一路数字干涉信号与sin（Csin（ωt））一并送入第二乘法器相乘；
(3)第一乘法器输出的乘积经低通滤波器后分为两路，其中一路经微分后送入第三乘法器，另一路直接送入第四乘法器；第二乘法器输出的乘积经低通滤波器后分为两路，其中一路经微分后送入第四乘法器，另一路直接送入第三乘法器；
(4)第三乘法器输出的乘积和第四乘法器输出的乘积相减得到差值；
(5)对上述差值进行积分得到积分值，解调出振动信号。
进一步地，当步骤（1）中所述数字干涉信号为时，所述第一乘法器输出的乘积经低通滤波后的信号为，所述第二乘法器输出的乘积经低通滤波后的信号为；其中，为干涉场直流强度，为干涉光强度调制值，C为正弦系数，ω为调制载波引起的移相频率，为振动信号源引起待测目标的振动量，为环境扰动引起的振动量，。
进一步地，步骤（4）中所述差值为。
进一步地，步骤（5）中所述积分值为，解调出的振动信号为。
本发明可以采用电光调制器EOM（Electro Optic Modulator)）调制来实现光学移相，利用正交锁相+DCM（Differentiate Cross Multiply，微波交叉相乘）解调法实现振动信号的解调。采用电光移相的方法，带宽B值可以小到几KHz，作为载波，带宽B值非常小，可大大提高振动检测的灵敏度。本发明提供的基于电光调制方法调制的激光多普勒正交解调侦听方法，能够以较低的成本大幅改善传统零差检测法的抗环境扰动性，同时与传统的基于声光移频激光多普勒振动检测方法精度更高，且系统光学结构简单，具有良好的环境适应性。
附图说明
图1为信号发生单元原理框图；
图2为光路单元原理框图；
图3 为解调单元原理框图；
图4为解调算法计算流程图；
图5 为解调出的振动信号波形图。
图中：1激光器；2分束器；3电光调制器；4待测目标；5振动信号源；6第一分光棱镜；7第二分光棱镜；8光电探测器；9信号发生器；10信号处理器；11 DA转换器、12 AD转换器；Ⅰ第一乘法器；Ⅱ第二乘法器；Ⅲ第三乘法器；Ⅳ第四乘法器。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，且其不应理解为对本发明的限制。
如图1-3所示，本发明的一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统包括图1所示的信号发生单元、图2所示的光路单元和图3所示的解调单元；
信号发生单元包括信号发生器9，信号发生器9的输出信号分为两路，第一路经信号处理器10后输出两路正交信号sin（Csin（ωt））和cos（Csin（ωt）），第二路经DA转换器后输出相移驱动信号sin（ωt）；
光路单元包括激光器1和电光调制器3，激光器1为窄线宽半导体激光器，工作波长为1550nm，频率稳定度为10-7，功率稳定度为1%，电光调制器3的调制频率范围为10KHz，激光器1输出的光经分束器2分为信号光和参考光，参考光输入电光调制器3的信号输入端，信号光输入第一分光棱镜6，信号发生单元输出的相移驱动信号sin（ωt）输入电光调制器3的电信号驱动端，电光调制器3在相移驱动信号sin（ωt）的作用下输出的相移参考光输入到第二分光棱镜7；通过第一分光棱镜6的信号光在待测目标4表面反射后形成的返回信号光再次进入第一分光棱镜6，返回信号光再反射到第二分光棱镜7，返回信号光与相移参考光在第二分光棱镜7中混合并干涉形成干涉光，干涉光输入光电探测器8后经处理器输出干涉信号，光电探测器8为内置前级放大的PIN型探测器；
解调单元为在FPGA中通过数字逻辑实现的硬件模块，包括四个乘法器、两个低通滤波器、两个微分器、一个减法器和一个积分器，解调单元的输入端连接来自信号发生单元的两路正交信号sin（Csin（ωt））及cos（Csin（ωt））和来自光路单元的干涉信号，干涉信号经AD转换器后分为两路，其中一路与cos（Csin（ωt））一并送入第一乘法器Ⅰ相乘，另一路与sin（Csin（ωt））一并送入第二乘法器Ⅱ相乘；第一乘法器Ⅰ输出的乘积经一低通滤波器LP后分为两路，其中一路经一微分器d/dt后送入第三乘法器Ⅲ，另一路直接送入第四乘法器Ⅳ，第二乘法器Ⅱ输出的乘积经另一低通滤波器LP后分为两路，其中一路经另一微分器d/dt后送入第四乘法器Ⅳ，另一路直接送入第三乘法器Ⅲ；第三乘法器Ⅲ输出的乘积和第四乘法器Ⅳ输出的乘积送入减法器，减法器输出的差送入积分器；ω为电光调制器调制3的载波引起的移相频率；
第一分光棱镜6正对所述待测目标4的一侧，待测目标4的另一侧设有作为振动信号源5的扬声器，为待测目标4提供振动信号。
如图4所示，本发明的激光相位载波多普勒振动信号的解调方法，采用正交锁相+DCM解调方法，包括如下步骤：
(1)选择两路正交信号sin（Csin（ωt））及cos（Csin（ωt））和一路模拟干涉信号，模拟干涉信号经AD转换器后分为两路数字干涉信号，作为解调输入参数；其中，为干涉场直流强度，为干涉光强度调制值，C为正弦系数，ω为干涉仪中电光调制器3调制载波引起的移相频率，为振动信号源5即扬声器引起待测目标4的振动量，为环境扰动引起的振动量，；
(2)其中一路数字干涉信号与cos（Csin（ωt））一并送入第一乘法器相乘，另一路数字干涉信号与sin（Csin（ωt））一并送入第二乘法器相乘；
(3)第一乘法器输出的乘积经低通滤波器后的信号为，分为两路，其中一路经微分后送入第三乘法器，另一路直接送入第四乘法器；第二乘法器输出的乘积经低通滤波器后的信号为，分为两路，其中一路经微分后送入第四乘法器，另一路直接送入第三乘法器；
(4)第三乘法器输出的乘积和第四乘法器输出的乘积相减得到差值；
(5)对上述差值进行积分得到积分值，解调出待测目标4的振动信号为，包含扬声器引起的振动量和环境扰动引起的振动量。
在扬声器5距离门5米远处产生一个60db的400Hz信号，由于该声压对门的振动信号为pm量级，采用声光移频外差进行探测时，由于带宽B太宽，检测精度不够而检测不出信号，采用本发明方案进行探测处理，可以得到信噪比较好的400Hz信号，解调出的语音振动信号波形如图5所示。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统，其特征在于，包括信号发生单元、光路单元和解调单元；
所述信号发生单元包括信号发生器，信号发生器的输出信号分为两路，第一路经信号处理器后输出两路正交信号sin(Csin(ωt))和cos(Csin(ωt))，第二路经DA转换器后输出相移驱动信号sin(ωt)，其中C为正弦系数；
所述光路单元包括激光器和电光调制器，激光器输出的光经分束器分为信号光和参考光，参考光输入电光调制器的信号输入端，信号光输入第一分光棱镜，所述信号发生单元输出的相移驱动信号sin(ωt)输入电光调制器的电信号驱动端，电光调制器在相移驱动信号sin(ωt)的作用下输出的相移参考光输入到第二分光棱镜；通过第一分光棱镜的信号光在待测目标表面反射后形成的返回信号光再次进入第一分光棱镜，返回信号光再反射到第二分光棱镜，返回信号光与相移参考光在第二分光棱镜中混合并干涉形成干涉光，干涉光输入光电探测器后经处理器输出干涉信号；
所述解调单元包括四个乘法器、两个低通滤波器、两个微分器、一个减法器和一个积分器，解调单元的输入端连接来自所述信号发生单元的两路正交信号sin(Csin(ωt))及cos(Csin(ωt))和来自光路单元的干涉信号，干涉信号经AD转换器后分为两路，其中一路与cos(Csin(ωt))一并送入第一乘法器相乘，另一路与sin(Csin(ωt))一并送入第二乘法器相乘；第一乘法器输出的乘积经一低通滤波器后分为两路，其中一路经一微分器后送入第三乘法器，另一路直接送入第四乘法器，第二乘法器输出的乘积经另一低通滤波器后分为两路，其中一路经另一微分器后送入第四乘法器，另一路直接送入第三乘法器；第三乘法器输出的乘积和第四乘法器输出的乘积送入减法器，减法器输出的差送入积分器；ω为所述电光调制器调制载波引起的移相频率；
所述第一分光棱镜正对所述待测目标的一侧，待测目标的另一侧设有振动信号源，为待测目标提供振动信号。
2.根据权利要求1所述的一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统，其特征在于，所述激光器为窄线宽半导体激光器，工作波长为1550nm，频率稳定度为10-7，功率稳定度为1％。
3.根据权利要求1所述的一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统，其特征在于，所述电光调制器的调制频率范围为10KHz。
4.根据权利要求1所述的一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统，其特征在于，所述光电探测器为内置前级放大的PIN型探测器。
5.根据权利要求1所述的一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统，其特征在于，所述解调单元为在FPGA中通过数字逻辑实现的硬件模块。
6.根据权利要求1所述的一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统，其特征在于，所述振动信号源为扬声器。
7.激光相位载波多普勒振动信号的解调方法，其特征在于，采用正交锁相+DCM解调方法，包括如下步骤：
(1)选择两路正交信号sin(Csin(ωt))及cos(Csin(ωt))和一路模拟干涉信号，其中C为正弦系数，模拟干涉信号经AD转换器后分为两路数字干涉信号，作为解调输入参数；ω为调制载波引起的移相频率；
(2)其中一路数字干涉信号与cos(Csin(ωt))一并送入第一乘法器相乘，另一路数字干涉信号与sin(Csin(ωt))一并送入第二乘法器相乘；
(3)第一乘法器输出的乘积经低通滤波器后分为两路，其中一路经微分后送入第三乘法器，另一路直接送入第四乘法器；第二乘法器输出的乘积经低通滤波器后分为两路，其中一路经微分后送入第四乘法器，另一路直接送入第三乘法器；
(4)第三乘法器输出的乘积和第四乘法器输出的乘积相减得到差值；
(5)对上述差值进行积分得到积分值，解调出振动信号。
8.根据权利要求7所述的激光相位载波多普勒振动信号的解调方法，其特征在于，当步骤(1)中所述数字干涉信号为时，所述第一乘法器输出的乘积经低通滤波后的信号为BC cosθ(t)，所述第二乘法器输出的乘积经低通滤波后的信号为BC sinθ(t)；其中，A为干涉场直流强度，B为干涉光强度调制值，C为正弦系数，ω为调制载波引起的移相频率，D cosωst为振动信号源引起待测目标的振动量，为环境扰动引起的振动量，
9.根据权利要求8所述的激光相位载波多普勒振动信号的解调方法，其特征在于，步骤(4)中所述差值为B2C2θ′(t)。
10.根据权利要求9所述的激光相位载波多普勒振动信号的解调方法，其特征在于，步骤(5)中所述积分值为B2C2fθ(t)，解调出的振动信号为
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