CN105953725B - 一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学干涉测量技术领域，涉及了一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法。本发明包括：干涉信号经过光电转换后进入信号处理电路单元，信号处理单元的第一级为带通滤波器、乘法器和低通滤波器，滤波器的中心频率等于相位载波频率，滤波器带宽小于相位载波频率，滤波器的输出信号做自相关后再送入低通滤波器，得到干涉信号的贝塞尔展开式中关于载波频率ω₀的单倍频项的幅值平方，对其开方运算后作为误差信号并以负反馈方式送给信号处理单元的第二级。本发明结构简单，无需微分运算，闭环结构能够保证相位解调的长期稳定性，并降低解调精度对激光器、光电转换等元件的精度性能和稳定性的要求。

Description

一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法

技术领域

本发明属于光学干涉测量技术领域，涉及了一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法。

背景技术

广泛应用于光学干涉型传感器的相位解调算法为PGC算法，其原理是利用输入信号与本地调相波进行差频处理，得到两路被测相位的正交值，再利用正交值与原始信号进行交叉微分相乘，通过三角函数关系与积分处理得到被测相位值。在80年代数字电路不是很发达的情况下该算法的提出很好的解决了工程实际化的问题。但是该算法存在几个问题，首先是其工作的动态范围受调相波信号影响很大，另外该系统工作在开环状态下，没有反馈回路保证系统的长期工作稳定性。PGC算法中还有一个比较严重的问题就是很容易受到伴生调幅的影响，由于PGC算法需要一个调相波信号对干涉仪进行调制，在直接调制激光器相位过程中容易引入伴随的幅度变化，该变化会使最终数据结果产生较大的谐波失真。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在相位载波型光学干涉仪上引入了反馈机制，实现了相位的闭环解调的相位载波式激光干涉信号闭环解调方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法，干涉信号经过光电转换后进入信号处理电路单元，

干涉信号为：

其中A为干涉后光强的直流分量，B为干涉后光强的交流分量，为干涉相位变化值，

其中分别为干涉初相位，调制信号引起的相位变化，被测信号引起的相位变化，补偿相位，ω₀为调制频率，且

C为调制深度，干涉信号的贝赛尔展开为：

信号处理单元的第一级为带通滤波器、乘法器和低通滤波器，滤波器的中心频率等于相位载波频率，滤波器带宽小于相位载波频率，滤波器的输出信号做自相关后再送入低通滤波器，得到干涉信号的贝塞尔展开式中关于载波频率ω₀的单倍频项的幅值平方，对其开方运算后作为误差信号并以负反馈方式送给信号处理单元的第二级；

由中心频率为ω₀的带通滤波器处理之后的一次谐波分量为：

自乘后得：

经低通滤波之后得：

开方之后得：

PID控制器产生的控制信号经放大器放大用于驱动压电陶瓷元件在干涉仪光路上产生补偿相位，当反馈系统平衡后，

PID控制器输出的控制信号与成正比，当系统达到稳态时，与相对应，由此可得被测量信号。

所述的补偿相位的引入方式是光纤干涉装置的参考臂末端连接自聚焦透镜并与固定在压电陶瓷上的平面反射镜正交，该压电陶瓷受PID控制器控制。

所述的补偿相位的引入方式是将PID控制器的输出信号与相位载波信号叠加共同作用于光路。

本发明的有益效果在于：结构简单，无需微分运算，闭环结构能够保证相位解调的长期稳定性，并降低解调精度对激光器、光电转换等元件的精度性能和稳定性的要求。

附图说明

图1为一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法的流程图。

图2为相位载波式激光干涉信号闭环解调方法的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明属于光学干涉测量技术领域，涉及了一种相位载波激光干涉信号的闭环解调方法。本发明提供了一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法，主要包括，干涉信号经带通滤波器、自相关运算、低通滤波器、开方运算后得到一个载波基频幅值信号，而该幅值信号包含被测信号产生的相位信息，将该幅值信号送给PID控制器，PID产生一个相位补偿信号，并将该补偿信号在干涉仪中产生相应的补偿相位，使闭环系统残差收敛到最小，此时PID控制器的输出值正比于被测信号产生的相位。该方法可获得稳定性和精度更高的测量效果。

图2中1、激光器光源，2、光纤耦合器，3、光纤传感器臂，4、光纤参考臂，5、传感臂反射镜，6、参考臂反射镜，7、光电探测器，8、带通滤波器，9、乘积运算，10、低通滤波器，11、开方运算，12、PID控制器，13、压电陶瓷驱动器，14、解调出的相位信号，15、压电陶瓷。

在相位调制迈克尔逊干涉仪中，参考臂末端的反射镜与受反馈信号控制的压电陶瓷连接。干涉光信号经光电探测和AD采样送入可编程逻辑器件(FPGA)，在FPGA中实现带通滤波、自乘、低通滤波和开方运算后，再进行PID运算，产生相位补偿信号，该信号由PID控制器输出，经DA转换后送给压电陶瓷驱动器驱动连接在反射镜上的压电陶瓷，并在传感臂内产生补偿相位。该补偿相位包含了被测信号产生的相位，通过频率分离或其他方法可得到被测信号。

经光电探测之后的干涉信号为：

其中：I₁,I₂分别为两束干涉光光强，A为干涉后光强的直流分量，B为干涉后光强的交流分量，为干涉相位变化值，表达式为：

其中上式中的分别为干涉初相位，调制信号引起的相位变化，被测信号引起的相位变化，补偿相位。调制信号引起的相位变化量与光源调制幅度ν有关。

其中n为光纤折射率，l为两臂臂长差，c为光速，调制电流为i＝i₀cosω₀t，则光源引起的频率变化为ν＝Δνcosω₀t，得到调制信号引起的相位变化量为：

其中C为调制深度，是与光纤干涉仪以及调制相关的固定常量，则干涉信号形式为：

对其进行贝塞尔展开，得：

其中J_m(C)为某一调制深度C下的不同高阶系数。

用中心频率为ω₀且k＝0的带通滤波器滤波处理之后得到干涉信号在相位调制频率ω₀上的一次分量利用乘法器将该分量进行自相关运算，即自乘，再用低通滤波器对乘法器的输出信号进行滤波，去除高频交流分量，得到干涉信号的贝塞尔(Bessel)展开式中关于载波频率ω₀的单倍频项的幅值平方

对所得信号进行开方运算得并作为误差信号以负反馈方式送给PID控制器，PID控器的输出信号进入放大器并驱动电陶瓷元件，压电陶瓷产生形变带动固定其上的反射镜位移，在干涉仪末端形成新的光程变化以补偿之前产生的光程变化，由相关理论可知该闭环控制系统的开环增益与补偿精度成正比。以上过程中PID控制器输出的控制信号与成正比，当系统达到稳态时，与相对应，由此可得被测量信号。

相位载波式激光干涉信号闭环解调方法，干涉信号经过光电转换后进入信号处理电路单元，信号处理单元的第一级为带通滤波器、乘法器和低通滤波器，滤波器的中心频率等于相位载波频率，滤波器带宽小于相位载波频率，滤波器的输出信号做自相关后再送入低通滤波器，得到干涉信号的贝塞尔(Bessel)展开式中关于载波频率ω₀的单倍频项的幅值平方，对其开方运算后作为误差信号并以负反馈方式送给信号处理单元的第二级：PID控制器，控制器产生的控制信号经放大器放大用于驱动压电陶瓷元件在干涉仪光路上产生补偿相位，由于负反馈机制将最终导致闭环系统的误差信号趋于零，即补偿相位等于被测相位，所以PID控制器的输出信号正比于被测信号；

相位载波式激光干涉信号闭环解调方法，补偿相位的引入方式可以是光纤干涉装置的参考臂末端连接自聚焦透镜并与固定在压电陶瓷上的平面反射镜正交，该压电陶瓷受PID控制器控制；

补偿相位的引入方式还可以是将PID控制器的输出信号与相位载波信号叠加共同作用于光路；

其信号处理过程的数学表达如下；

干涉信号为：

其中A为干涉后光强的直流分量，B为干涉后光强的交流分量，为干涉相位变化值，表达式为：

其中分别为干涉初相位，调制信号引起的相位变化，被测信号引起的相位变化，补偿相位，ω₀为调制频率，且

C为调制深度，干涉信号的贝赛尔展开为：

由中心频率为ω₀的带通滤波器处理之后的一次谐波分量为：

自乘后得：

经低通滤波之后得：

开方之后得：

当反馈系统平衡后，

PID控制器输出的控制信号与成正比，当系统达到稳态时，与相对应，由此可得被测量信号。

Claims (3)

1.一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法，其特征在于：干涉信号经过光电转换后进入信号处理电路单元，

干涉信号为：

其中A为干涉后光强的直流分量，B为干涉后光强的交流分量，为干涉相位变化值，

其中分别为干涉初相位，调制信号引起的相位变化，被测信号引起的相位变化，补偿相位，ω₀为调制频率，且

C为调制深度，干涉信号的贝赛尔展开为：

信号处理单元的第一级为带通滤波器、乘法器和低通滤波器，带通滤波器的中心频率等于相位载波频率，带通滤波器带宽小于相位载波频率，带通滤波器的输出信号做自相关后再送入低通滤波器，得到干涉信号的贝塞尔展开式中关于载波频率ω₀的单倍频项的幅值平方，对其开方运算后作为误差信号并以负反馈方式送给信号处理单元的第二级；

由中心频率为ω₀的带通滤波器处理之后的一次谐波分量为：

自乘后得：

经低通滤波之后得：

开方之后得：J_m(C)为某一调制深度C下的不同高阶系数；

PID控制器产生的控制信号经放大器放大用于驱动压电陶瓷元件在干涉仪光路上产生补偿相位，当反馈系统平衡后，

PID控制器输出的控制信号与成正比，当系统达到稳态时，与相对应，由此可得被测量信号。

2.根据权利要求1所述的一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法，其特征在于：所述的补偿相位的引入方式是光纤干涉装置的参考臂末端连接自聚焦透镜并与固定在压电陶瓷上的平面反射镜正交，该压电陶瓷受PID控制器控制。

3.根据权利要求1所述的一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法，其特征在于：所述的补偿相位的引入方式是将PID控制器的输出信号与相位载波信号叠加共同作用于光路。