CN106289053A - 一种相位载波激光干涉信号正交合成式闭环解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学干涉测量技术领域，涉及了一种相位载波激光干涉信号正交合成式闭环解调方法。本发明干涉信号经过光电转换和模数转换后分别输入至1号和2号混频器，1号和2号混频器的混频信号分别为cosω0和cos2ω0，其中ω0为干涉仪相位载波频率，1号混频器的输出信号送入低通滤波器，滤波器的输出作为误差信号送给PI控制器，2号混频器输出信号经低通滤波器后作为误差信号送给D控制器。充分利用了干涉信号的载波分量，并以正交合成的形式构造相位跟踪误差信号，实现闭环测量，提高了解调算法的分辨率和相位跟踪的快速性，闭环结构能够保证相位解调的长期稳定性、并降低了解调精度对激光器和光电转换等元件的精度性能和稳定性的要求等。

Description

一种相位载波激光干涉信号正交合成式闭环解调方法
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激光干涉信号正交合成式闭环解调方法。
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
本发明的目的在于提供一种在相位载波型光学干涉仪上引入了正交合成闭环反馈机制，实现了灵敏度更高的相位闭环解调的相位载波激光干涉信号正交合成式闭环解调方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明干涉信号经过光电转换和模数转换后分别输入至1号和2号混频器，1号和2号混频器的混频信号分别为cosω0和cos2ω0，其中ω0为干涉仪相位载波频率，1号混频器的输出信号送入低通滤波器，滤波器的输出作为误差信号送给PI控制器，2号混频器输出信号经低通滤波器后作为误差信号送给D控制器，将上述两个控制器的输出并联，以负反馈方式输入给相位调制器，相位调制器在干涉光路中产生补偿相位，负反馈机制最终将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，所以控制器的输出信号对应于被测的相位信号，干涉相位信号得到解调
本发明的有益效果在于：充分利用了干涉信号的载波分量，并以正交合成的形式构造相位跟踪误差信号，实现闭环测量，提高了解调算法的分辨率和相位跟踪的快速性，闭环结构能够保证相位解调的长期稳定性、并降低了解调精度对激光器和光电转换等元件的精度性能和稳定性的要求等。
附图说明
图1为相位载波激光干涉信号正交合成式闭环解调方法的流程图。
图2为相位载波激光干涉信号正交合成式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。本发明提供了相位载波激光干涉信号正交合成式闭环解调方法，主要包括，干涉信号经两组并行的混频器、低通滤波器，分别得到误差信号和含有误差信号余弦值的信号，利用这两个信号合成误差信号，构造控制器，利用该控制器进行闭环相位跟踪，实现相位解调。
相位载波激光干涉信号正交合成式闭环解调方法，
干涉信号经光电探测之后表示为：
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频率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下的高阶系数。
干涉信号经过光电转换后分别输入至1号和2号混频器，1号和2号混频器的混频信号分别为cosω0和cos2ω0，1号混频器的输出信号送入低通滤波器，滤波器的输出信号为：将该信号作为误差信号送给PI(比例和积分)控制器，2号混频器输出信号经低通滤波器的输出信号为：当该信号的微分为零时，说明相位跟踪误差为零，所以可将该信号的微分也作为误差信号的一部分送给D(微分)控制器，将上述两个控制器的输出并联，以负反馈方式输入给相位调制器(如压电陶瓷驱动器)，相位调制器在干涉光路中产生补偿相位，负反馈机制最终将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，所以控制器的输出信号对应于被测的相位信号，干涉相位信号得到解调，此时2号混频器后的低通滤波器达到峰值。
如图2所示，实施本发明装置的第一部分为光纤干涉仪产生相位载波的干涉相位信号，包括激光光源、光纤耦合器、参考臂和传感臂；第二部分为本发明提供的正交合成式闭环相位解调部分，由AD转换电路、FPGA电路、压电陶瓷驱动电路及压电陶瓷相位调制部分构成，干涉信号经模数转换后输入给FPGA芯片，在FPGA中完成本发明内容中叙述的混频、低通滤波、PID控制算法功能，生成相位补偿控制信号，将该控制信号输出给驱动电路，以驱动相位调制器(压电陶瓷)，并形成负反馈闭环，完成相位跟踪。同时在FPGA中对相位补偿控制信号进行适当滤波即可获得被测信号。
图1和图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、AD采样器，9、FPGA电路(实现混频、低通滤波及PID控制算法)，10、解调出的相位信号，11、压电陶瓷驱动电路，12、压电陶瓷。

Claims (1)

1.一种相位载波激光干涉信号正交合成式闭环解调方法，其特征在于：干涉信号经过光电转换和模数转换后分别输入至1号和2号混频器，1号和2号混频器的混频信号分别为cosω0和cos2ω0，其中ω0为干涉仪相位载波频率，1号混频器的输出信号送入低通滤波器，滤波器的输出作为误差信号送给PI控制器，2号混频器输出信号经低通滤波器后作为误差信号送给D控制器，将上述两个控制器的输出并联，以负反馈方式输入给相位调制器，相位调制器在干涉光路中产生补偿相位，负反馈机制最终将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，所以控制器的输出信号对应于被测的相位信号，干涉相位信号得到解调。
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