CN106248123A - 一种差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学干涉测量技术领域，涉及了一种差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法。本发明包括：干涉信号经光电转换后进入信号处理模块，信号处理模块包括带通滤波器、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单倍载频项的幅值平方。本发明结构简单，闭环结构能够保证相位解调的长期稳定性，差分结构使闭环调节的灵敏度提高两倍，具有更大的开环带宽，并对激光器稳定性的要求相对较低，同时也降低了解调精度对激光器及光电转换等元件的精度性能和稳定性的要求，以差分方法补偿相位能减少外界干扰因素的影响。
Description
技术领域
本发明属于光学干涉测量技术领域，涉及了一种差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法。
背景技术
光学传感器具有抗电磁干扰、分辨率高等优点，而光学干涉型传感器在动态范围、灵敏度、体积、重量等方面更有优势，因此成为光学传感器的重要主城部分，如光纤加速度计、光纤水听器等，动态范围可达140dB。广泛应用于导航、空间及海洋探测、地球物理研究等许多领域。在干涉信号的相位解调技术方面主要有被动零差检测法、主动零差检测法、外差检测法、合成外差检测法等。其中3X3耦合器干涉法(ITT)和相位生成载波法(PGC)是目前应用较多的方法。
发明内容
本发明提供了一种在传统干涉仪上加入了反馈实现闭环调节，而且以差分方式补偿干涉相位的差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法，干涉信号经光电转换后进入信号处理模块，信号处理模块包括带通滤波器、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单倍载频项的幅值平方，对低通滤波之后的信号开方运算并作为误差信号以负反馈方式输入闭环反馈模块，即控制器、压电陶瓷驱动器和压电陶瓷，控制器产生的控制信号经压电陶瓷驱动器来驱动压电陶瓷元件，压电陶瓷带动其上的双面反射镜产生位移，平面反射镜两侧的反射面与迈克尔逊激光干涉仪的测量臂末端端面和参考臂末端端面平行，进而在测量臂和参考臂中产生差分式的补偿相位，在负反馈机制的作用下闭环系统的误差信号趋于零，即补偿相位跟踪被测相位，所以控制器的输出信号正比于被测信号。
所述取误差信号的符号与带通滤波器信号的符号相同。
所述迈克尔逊激光干涉仪的测量臂末端和参考臂末端可以分别连接一个自聚焦透镜。
所述误差信号并行送给两个控制器，控制器各自连接相位调制器，并分别在干涉仪的参考臂和传感臂产生查分相位信号。
本发明的有益效果在于：结构简单，闭环结构能够保证相位解调的长期稳定性，差分结构使闭环调节的灵敏度提高两倍，具有更大的开环带宽，并对激光器稳定性的要求相对较低，同时也降低了解调精度对激光器及光电转换等元件的精度性能和稳定性的要求，以差分方法补偿相位能减少外界干扰因素的影响。
附图说明
图1为差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法的流程图。
图2为差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法的实验装置图。
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。本发明提供了差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法，主要过程为，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，将该幅值信号送给控制器，控制器产生一个相位补偿信号，并将该补偿信号在干涉仪中以差分的方式在两条干涉光路上产生补偿相位，使闭环残差更灵敏地收敛到最小，此时控制器的输出值对应于被测信号产生的相位。
附图标记：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、反射镜，6、光电探测器，7、带通滤波器，8、乘积运算，9、低通滤波器，10、开方运算，11、PID控制器，12、压电陶瓷驱动器，13、解调出的相位信号，14、压电陶瓷。
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Jm(C)为某一调制深度C下的各高阶系数。
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并取其符号与带通滤波器信号的符号相同可得到
将所得信号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压电陶瓷元件，压电陶瓷作用于双侧反射镜产生相应的位移。
反射镜两侧的反射面分别平行于迈克尔逊激光干涉仪的测量臂末端端面和参考臂末端端面，进而在测量臂和参考臂中产生两个差分关系的补偿相位，在负反馈机制的作用下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。
本发明提供的差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法，包括迈克尔逊激光干涉仪、信号处理模块和闭环反馈模块，其中以差分反馈的方式补偿干涉相位。
如附图2所示，实施本发明的第一部分为差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪，包括激光光源、光纤耦合器、参考臂和传感臂，反射镜；第二部分为相位解调部分，包括信号处理模块、闭环反馈模块，信号处理模块由带通滤波器、自相关运算和低通滤波器构成，这些都由可编程逻辑器件(FPGA)实现，闭环反馈模块由PID控制器、压电陶瓷驱动器和压电陶瓷构成，差分反馈式补偿相位即双面反射镜分别平行于迈克尔逊激光干涉仪的测量臂末端端面和参考臂末端端面进而在测量臂和参考臂中同时产生差分补偿相位。通过PID控制信号可得被测信号。
Claims (4)
1.一种差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法，其特征在于：干涉信号经光电转换后进入信号处理模块，信号处理模块包括带通滤波器、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单倍载频项的幅值平方，对低通滤波之后的信号开方运算并作为误差信号以负反馈方式输入闭环反馈模块，即控制器、压电陶瓷驱动器和压电陶瓷，控制器产生的控制信号经压电陶瓷驱动器来驱动压电陶瓷元件，压电陶瓷带动其上的双面反射镜产生位移，平面反射镜两侧的反射面与迈克尔逊激光干涉仪的测量臂末端端面和参考臂末端端面平行，进而在测量臂和参考臂中产生差分式的补偿相位，在负反馈机制的作用下闭环系统的误差信号趋于零，即补偿相位跟踪被测相位，所以控制器的输出信号正比于被测信号。
2.根据权利要求1所述的一种差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法，其特征在于：所述取误差信号的符号与带通滤波器信号的符号相同。
3.根据权利要求1所述的一种差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法，其特征在于：所述迈克尔逊激光干涉仪的测量臂末端和参考臂末端可以分别连接一个自聚焦透镜。
4.根据权利要求1所述的一种差分反馈式相位载波迈克尔逊光纤干涉仪闭环解调方法，其特征在于：所述误差信号并行送给两个控制器，控制器各自连接相位调制器，并分别在干涉仪的参考臂和传感臂产生查分相位信号。
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