CN109612570A - 一种模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量系统与方法 - Google Patents

一种模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量系统与方法 Download PDF

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蔡晨光
王朝
刘志华
赵军
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Abstract

本发明公开了一种模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量系统与方法，包括：对高载波频率窄带宽信号使用模拟混频器与低通滤波器，基于相位展开法与三参数正弦逼近法，与高分辨率示波器，测量模拟混频器与低通滤波器降频转换时间延时；通过混模拟频器与低通滤波器对高载波频率窄带宽FM信号的降频作用，将高载波频率降至较低水平，从而可以使用较低采样率对FM信号进行采集；通过改变调制信号频率或载波频率，获得不同窄带宽或不同载波频率FM信号，通过解调与计算，得到不同频点或不同载波频率下的模拟混频器与低通滤波器的时间延时并进行补偿，从而提高测量精度。本发明具有测量过程简单、频率范围宽的优势。

Description

一种模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量系统与方法
技术领域
本发明属于振动与测试计量领域，更为具体地讲，涉及一种提高激光干涉测量精度的方法。
背景技术
近年来外差激光干涉仪被广泛用于振动传感器校准，振动校准的性能主要取决于振动测量的精度与实时性，以及外差干涉信号的采集和解调。激光干涉信号通常使用Nyquist采样方法采集，需要拥有高采样率和大内存的设备，增加了测量成本，而使用模拟混频器与低通滤波器模拟器件对激光干涉信号进行降频后采样，会引入时间延时，降低了测量精度。通过对模拟混频器与低通滤波器时间延时测量，可实现解调后信号的延时修正或补偿，以提高测量精度。因此，对于外差激光测振法的模拟器件时间延时测量的系统与方法研究具有重要意义。
针对模拟器件的使用引入时间延时导致外差激光干涉测量精度不高的问题，本发明提出一种具有测量精度高、速度快、操作简单、频率范围宽的模拟器件时间延时测量方法。
发明内容
针对目前外差激光测振法引入模拟器件时间延时导致测量精度不高的缺点，本发明实施实例提供一种模拟混频器与低通滤波器时间延时测量系统，包括：
激光干涉仪通过测量振动台不同振动频率，发出固定载波频率的不同窄带宽激光干涉信号；
激光干涉信号一路经模拟器件降频转换为低载波频率窄带宽激光干涉信号后，被高分辨率示波器采集，另一路直接被高分辨率示波器同步采集；
使用高分辨率示波器以满足Nyquist采样定理的采样率同步采集经模拟器件降频转换前后的高、低载波频率窄带宽激光干涉信号；
基于相位展开法与三参数正弦逼近法解调经高分辨率示波器同步采集经模拟器件降频转换前后激光干涉信号，得到两种情况下调制信号初相，以此计算模拟器件延时。
一种模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量系统，包括振动台1、外差激光干涉仪2、模拟混频器3、低通滤波器4、高分辨率示波器5；振动台1、外差激光干涉仪2、模拟混频器3、低通滤波器4、高分辨率示波器5顺次连接，外差激光干涉仪2与高分辨率示波器5连接。
一种模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
基于相位展开法与三参数正弦逼近法解调高分辨率示波器同步采集的模拟混频器与低通滤波器降频转换前后的高、低载波频率窄带宽FM信号，得到两调制信号初相，以计算不同窄带宽与不同载波频率下的模拟混频器与低通滤波器的时间延时。
所述基于相位展开法与三参数正弦逼近法解调经高分辨率示波器同步采集模拟器件降频转换前后的高、低载波频率窄带宽FM信号的方法具体包括：
(1)FM信号的降频转换；
载波频率为fc高载波频率窄带宽激光干涉信号如下：
uH、及fc分别为uH(t)的电压峰值、初相及载波频率；vp、fv及分别为振动台振动速度峰值、频率及初相；是调制频率为fv时振动台的位移量；uH(t)经模拟混频器与低通滤波器降频转换为低频载波频率FM信号：
其中，uL、分别为uL(t)的电压峰值、初相，为uL(t)经模拟器件降频转换后的振动速度初相，f0为混频器本振信号频率；
(2)基于相位展开法与三参数正弦逼近法的FM信号解调；
高分辨率示波器以满足Nyquist采样定理的采样率同步采集uH(t)与uL(t)，利用数字正余弦正交基<I＝sin(2πft)，Q＝cos(2πft)>，与数字低通滤波器实现已采集uH(t)与uL(t)的正交化，计算公式为：
调相序列：
经相位展开分别得到uH(t)与uL(t)正交化后的相位与如下：
其中，fH与fL分别为用于uH(t)与uL(t)正交化的正交基的频率，nπ为补偿相位，整数n＝0,1,2,…；利用三参数正弦逼近法拟合与获取uH(t)与uL(t)的调制信号，拟合如下：
uH(t)的调制信号的峰值与初相分别为AH与BH，CH为的直流分量；uL(t)的调制信号峰值与初相分别为AL与BL，CL为的直流分量；计算uH(t)与uL(t)的调制信号初相与如下：
利用不同载波频率不同窄带宽信号降频转换前后解调所得的调制信号初相与计算模拟混频器与低通滤波器的时间延时t：
本发明外差激光测振法的模拟器件时间延时测量系统与方法具有如下有益效果：
(1)本发明方法具有测量过程简单、适用频率范围宽、测量速度快。
(2)本发明方法可以测量不同型号的低通滤波器与混频器组合。
附图说明
图1为外差激光测振法模拟器件时间延时测量系统与方法装置与原理框图；
图2为本发明方法具体实施实例的模拟器件时间延时测量实验结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量系统与方法，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
参考图1为模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量系统与方法原理及装置示意图，主要包括振动台1、外差激光干涉仪2、模拟混频器3、低通滤波器4、高分辨率示波器5；振动台1、外差激光干涉仪2、模拟混频器3、低通滤波器4、高分辨率示波器5顺次连接，外差激光干涉仪2与高分辨率示波器5连接；振动台1用于提供不同频率的振动量，外差激光干涉仪2用于测量振动台振动量并发出40MHz高载波频率窄带宽激光干涉信号，混频器3用于降低激光干涉信号载波频率，低通滤波器4用于滤除经混频器降频作用后的高载波频率信号，保留低载波频率信号，高分辨率示波器5用于同步采集经模拟器件降频转换前后的激光干涉信号，主要步骤包括：
激光干涉仪通过测量振动台不同振动量，发出40MHz的固定载波频率的不同窄带宽激光干涉信号；
所述基于相位展开法与三参数正弦逼近法解调经高分辨率示波器同步采集经模拟器件降频转换前后激光干涉信号的方法具体包括：
(1)模拟器件的激光干涉信号降频转换；激光干涉仪输出载波频率为40MHz的窄带宽激光干涉信号uH(t)，经模拟器件转换为低载波频率的激光干涉信号uL(t)，高分辨率示波器以满足Nyquist采样定理的采样频率采集uH(t)与uL(t)如下：
uH、及fc分别为uH(t)的电压峰值、初相及载波频率；vp、fv及分别为振动速度峰值、频率及初相；是激振信号频率为fv时振动台的位移量；uH(t)经模拟器件降频转换后为低频载波频率激光干涉信号：
其中，uL、分别为uL(t)的电压峰值、初相，为uL(t)经模拟器件降频转换后的振动速度初相，f0为混频器本振信号频率；
(2)基于相位展开法与三参数正弦逼近法的激光干涉信号解调；
高分辨率示波器以满足Nyquist采样定理的采样率同步采集uH(t)与uL(t)，利用数字正余弦正交基<I＝sin(2πft)，Q＝cos(2πft)>，与数字低通滤波器实现已采集uH(t)与uL(t)的正交化，计算公式为：
调相序列：
经相位展开分别得到uH(t)与uL(t)正交化后的相位与如下：
其中，fH与fL分别为用于uH(t)与uL(t)正交化的正交基的频率，nπ为补偿相位，整数n＝0,1,2,…；利用三参数正弦逼近法拟合与获取uH(t)与uL(t)的调制信号，拟合如下：
uH(t)的调制信号的峰值与初相分别为AH与BH，CH为的直流分量；uL(t)的调制信号峰值与初相分别为AL与BL，CL为的直流分量；计算uH(t)与uL(t)的调制信号初相与如下：
利用不同振动频率下降频转换前、后解调所得的速度信号初相与计算不同振动频率下模拟器件的时间延时t：
绘制模拟器件时间延时测量结果图。
参考图2为本发明方法具体实施实例的外差激光测振法的模拟器件时间延时测量实验结果图。本实验中使用的装置的具体参数为：振动频率范围在5Hz-20kHz的PCB396C11振动台，德国保利泰克OFV-5000外差式激光干涉仪，发出的激光干涉信号载波频率为40MHz，输入频率范围为0.5-500MHz的Mini-Circuits混频器，截止频率为2.5MHz的Mini-Circuits低通滤波器，最大采样频率与带宽均为1GHz的TELEDYNE高分辨率示波器6104。本次测试振动台振动频率为5Hz-20kHz。此外，可更换不同类型与型号的模拟混频器与低通滤波器件，也可使用不同载波频率的激光干涉信号进行时间延时测量。
上述详细描述为本发明方法的一个具体实施实例，以便于本发明领域内技术人员理解，其并非用以限定本发明的应用范围。本领域相关技术人员可以在本发明的基础上做出一系列的优化与改进、等同修改等。因此本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量系统，其特征在于，包括振动台(1)、外差激光干涉仪(2)、模拟混频器(3)、低通滤波器(4)、高分辨率示波器(5)；振动台(1)、外差激光干涉仪(2)、模拟混频器(3)、低通滤波器(4)、高分辨率示波器(5)顺次连接，外差激光干涉仪(2)与高分辨率示波器(5)连接。
2.利用权利要求1所述系统进行的一种模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
基于相位展开法与三参数正弦逼近法解调高分辨率示波器同步采集的模拟混频器与低通滤波器降频转换前后的高、低载波频率窄带宽FM信号，得到两调制信号初相，以计算不同窄带宽与不同载波频率下的模拟混频器与低通滤波器的时间延时。
3.根据权利要求2所述的一种模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量方法，其特征在于，所述基于相位展开法与三参数正弦逼近法解调经高分辨率示波器同步采集模拟器件降频转换前后的高、低载波频率窄带宽FM信号的方法具体包括：
(1)FM信号的降频转换；
载波频率为fc高载波频率窄带宽激光干涉信号如下：
uH、及fc分别为uH(t)的电压峰值、初相及载波频率；vp、fv及分别为振动台振动速度峰值、频率及初相；是调制频率为fv时振动台的位移量；uH(t)经模拟混频器与低通滤波器降频转换为低频载波频率FM信号：
其中，uL、分别为uL(t)的电压峰值、初相，为uL(t)经模拟器件降频转换后的振动速度初相，f0为混频器本振信号频率；
(2)基于相位展开法与三参数正弦逼近法的FM信号解调；
高分辨率示波器以满足Nyquist采样定理的采样率同步采集uH(t)与uL(t)，利用数字正余弦正交基<I＝sin(2πft)，Q＝cos(2πft)>，与数字低通滤波器实现已采集uH(t)与uL(t)的正交化，计算公式为：
调相序列：
经相位展开分别得到uH(t)与uL(t)正交化后的相位与如下：
其中，fH与fL分别为用于uH(t)与uL(t)正交化的正交基的频率，nπ为补偿相位，整数n＝0,1,2,…；利用三参数正弦逼近法拟合与获取uH(t)与uL(t)的调制信号，拟合如下：
uH(t)的调制信号的峰值与初相分别为AH与BH，CH为的直流分量；uL(t)的调制信号峰值与初相分别为AL与BL，CL为的直流分量；计算uH(t)与uL(t)的调制信号初相与如下：
4.根据权利要求2所述的模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量系统与方法，其特征在于，利用不同载波频率不同窄带宽信号降频转换前后解调所得的调制信号初相与计算模拟混频器与低通滤波器的时间延时t：
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