CN111829562B - 一种基于光电振荡器的传感测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光电振荡器的传感测量装置及方法，属于测量、测试的技术领域，不需要借助外部大型仪器便可快速完成光电振荡信号检测，短时间内获得信号起振位置并估算振荡峰值中心频率。该装置包括：通带分割模块、通带信号检测模块、终端处理显示模块。通带分割模块包含宽带低噪放大器、耦合器以及多个带通滤波器；通带信号检测模块包含电放大器、检波器、电压比较器以及可调电压源；终端处理显示模块包含二进制编码器、终端处理器以及信息显示器。光电振荡传感器输出的振荡信号被分割成多个待检测片段信号，通过对其检波判别获得拥有起振信号的通带信息，将相应通带进行合并解算，由此获得振荡信号起振位置，完成振荡信号的快速检测。
Description
技术领域
本发明涉及信号检测技术，尤其涉及一种基于光电振荡器的传感测量装置及方法，属于测量、测试的技术领域。
背景技术
近些年，微波光子学的思想在光纤传感领域得到了长足的发展和应用，而光电振荡器是微波光子学中的一个重要器件。最早的光电混合振荡器是由A.Neyer和E.Voges在1982年提出来的，利用光器件和微波器件构成。现有技术中的光电振荡器结构通常包括激光源、强度调制器、长光纤、光滤波器或微波滤波器、微波放大器或光放大器、光电探测器等光电器件，利用这些元件搭建一个正反馈环路实现自起振。由于光电振荡器可产生高频率和高品质的微波信号，它在传感方面的应用也引来了越来越多的学者关注，已报道的包括基于光电振荡器的温度、应力、距离、长度以及声波等传感器。如《新型低相噪OEO及其传感应用研究》一文中详细介绍了光电振荡器用于温度，应力的传感测量；《基于交替起振光电振荡器的大量程高精度绝对距离测量技术》一文中详细介绍了光电振荡器用于绝对距离的传感测量；《The OEO as an Acoustic Sensor》一文中详细介绍了光电振荡器用于声波传感测量。上述传感测量都是基于微波光子滤波器的光电振荡器结构，通过一些设计使待测物理量与微波光子滤波器的中心频率建立联系，进而通过监测光电振荡器所产生微波信号的频率获得有关待测物理量的信息，由此可以达到传感的目的；对于光电振荡传感测量的判别方法使用了具有高分辨率和高速度的频谱分析仪来测量微波信号频率，虽可以有效地提高传感信号解调速度和分辨率，但系统繁重复杂，具有检验时间上的滞后性。
现阶段的光电振荡传感测量是通过将光电振荡器所产生的微波传感信号接入信号频谱分析仪进行分析实现的，此时分析的微波传感信号是光电振荡器振荡至稳定时的输出，存在以下缺陷：(1)在起振信号完全稳定后才能实现微波传感信号的精测测量，需以时间成本为代价换取精确的测量结果；(2)起振初期的传感信号检测直接关乎后续传感信号的测量，而频谱仪对信号进行分析时需要调节多种参数才可以对小范围的信号进行精准检测，因此不适于起振初期信号的检测。现阶段对于传感信号起振初期的快速检测方法研究较少，然而在起振初期对微波传感信号的进行快速检测也是十分必要的，根据初期的传感信号检测结果判断光电振荡器环路是否起振，进而判断传感微波信号起振位置，为后续的光电振荡器环路器件调整、传感信息解调提供先验参考。本申请旨在提供一种对光电振荡传感器振荡初期输出的传感微波信号进行快速检测的装置。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于光电振荡器的传感测量装置及方法，能够对光电振荡传感器振荡初期输出的传感微波信号进行检测，从而获得振荡初期的信号起振位置并估算其振荡峰值中心频率，实现了传感微波信号振荡初期的快速检测，解决了现有基于光电振荡器的传感信号检测技术缺乏起振初期快速检测方法的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种基于光电振荡器的传感测量装置，包括：通带分割模块、通带信号检测模块、终端处理显示模块。通带分割模块包含一个宽带低噪放大器、一个耦合器以及多个带通滤波器；通带信号检测模块包含电放大器、检波器、电压比较器以及可调电压源；终端处理显示模块包含二进制编码器、终端处理器以及信号显示器。
光电振荡传感器输出的振荡信号经宽带低噪放大器放大后传输至耦合器，耦合器将放大后的振荡信号等功率分配至n路，其中，正整数n≥3，信号的带宽经n个中心频率不同的带通滤波器分割成具有不同中心频率的通带，振荡信号通过n个带通滤波器滤波被分割成n路待检测片段信号后存于各路通带中。每路通带中的待检测片段信号经过电放大器放大后进入检波器，检波器对通带中的待检测片段信号进行峰值检波。可调稳定电压源输出起振信号判别电压，n路通带中的待检测片段信号经检波器检波后输出至电压比较器与起振信号判别电压比较，判别各路通带信号中是否包含起振信号，并输出相应的高低电平信号。通带信号检测模块输出的n路判别信号输入至二进制编码器，由编码器采集编码输出二进制码，二进制码携带通带信号位置信息以及通带信号中有无起振片段信号的信息。二进制码送入终端处理器进行解算处理，解算出振荡信号起振位置信息并同时估算振荡峰值中心频率，最后将处理得到的数据传输至信息显示器进行信息可视化，由此，完成了光电振荡传感信号的快速检测。
通带分割模块中，宽带低噪放大器的带宽应大于振荡信号的检测范围，振荡信号的检测应在其带宽中进行，振荡信号经宽带低噪放大器放大后以供后续的信号分割。
通带分割模块中，n个带通滤波器应具有不同的中心频率，同时每个滤波器的带宽也需特殊选取，保证分割出的通带连续，由此保证检测的连续性与准确性。
通带信号检测模块中，检波器应设置为峰值保持模式，在该模式下其输出电压与检波时间段内输入信号包络峰值电压呈线性关系，通过控制检波器CNTL端的高低电平跳变频率，从而控制检波频率。
通带信号检测模块中，可调稳定电压源输出可调谐稳定直流电压作为起振信号判别电压VDis。起振信号判别电压VDis由光电振荡传感器振荡初期的噪声信号包络电压envelope(VNosie)与偏置电压VBia组成，VDis＝envelope(VNoise)+VBia，其中，偏置电压VBia幅值大小不超过envelope(VNosie)的10％。
通带信号检测模块中，比较检波器检波输出峰值电压与起振信号判别电压VDis大小关系，并相应输出高低电平。
终端处理显示模块中，二进制编码器对n路电压比较器输出的检测电压进行采集编码，输出二进制编码。
终端处理显示模块中，各路通带信号的中心频率信息及带宽信息存储在其存储器中，通过解算二进制编码，获得振荡信号起振位置信息同时估算其振荡峰值中心频率。
终端处理显示模块中，对终端设备解算的振荡信号起振位置信息以及估算的振荡峰值中心频率信息进行可视化。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)针对现有微波传感信号检测方法不能快速检测起振初期传感信号的缺陷，本申请提出了一种无需接入频谱仪即可快速检测振荡初期信号是否起振的装置及方法，采用本申请的起振处理检测方法，可以在起振信号并未产生时及时对传感系统进行调节；可以在起振信号产生时提供起振范围，为后续频谱仪检测提供相应的参考信息，因此本方案弥补了现有传感信号检测方案不能快速检测起振初期信号的缺陷，可与现有检测技术相辅相成实现振荡周期内传感信号的全过程测量，完善了现有的传感信号检测方法，丰富了检测手段。
(2)本申请采用带通滤波器、检波器、电压比较器等成熟的电子器件产品即可实现起振初期传感信号的测量，无需借助结构复杂且成本昂贵的频谱仪等外部大型仪器，降低了硬件成本，具有成本低廉、可靠性高的优点，有利于产品化推广应用。
(3)本申请具有降低基于光电振荡器传感测量系统响应时间的优点，对于振荡信号的检测采样频率可以通过对检波器的CNTL端施加周期方波信号，使得检波频率达到1ms级，同时通过选用高速电压比较器，高性能单片机等高性能器件保证了系统的高响应速率。
(4)本申请具有针对不同测量精度的传感测量系统灵活配置系统硬件的优势，比如可增加带通滤波器个数以提升测量带宽范围；测量带宽不变情况下可选择细化带通滤波器带宽，即提升分割带宽数目n以提高系统测量精度，具有良好的系统结构灵活性。
附图说明
图1为本发明光电振荡器传感微波信号检测装置的框图。
图2为本发明基于光电振荡器传感微波信号检测方法的流程图。
图3为本发明实例中对光电振荡器输出的传感微波信号检测编码数据图，选取两个检测时间节点进行说明，相应的二进制编码在图中示出。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明公开的基于光电振荡器的传感测量装置，包括通带分割模块、通带信号检测模块、终端处理显示模块，可完成对光电振荡器传感微波信号检测，判断其起振位置。
通带分割模块包含一个低噪宽带放大器、一个n路耦合器和n个带通滤波器，其中，正整数n≥3。从光电振荡传感器输出的传感微波信号输入低噪宽带放大器进行放大，以供后续信号的分割；放大后的微波信号经n路耦合器将信号等功率分配至n路，n路微波信号经中心频率不同但带宽接续的带通滤波器滤波处理后输出耦合至通带信号检测模块输入端的待检测片段信号。
通带信号检测模块包含n个电放大器、n个检波器、可调稳定电压源和n个电压比较器。各路待检测片段信号经电放大器放大后补偿器件、接线所引入的插入损耗。n路检波器对各路待检测片段信号进行峰值检波输出峰值电压信号，可调电压源电压输出可调谐稳定直流电压作为起振信号判别电压VDis，电压比较器接收两路信号进行电压比较，输出待检测片段信号是否包含起振信号的高低电平信号。
终端处理显示模块包含二进制编码器、终端设备和信息显示器。二进制编码器采集n路电压比较器输出的高低电平信号并进行按位依次编码，输出二进制码。终端设备存储器中存储有n路带通滤波器的中心频率、带宽等信息，接收编码器输出的二进制码，进行按位解算，合并具有起振信号的通带获得振荡信号起振位置信息，选择合并通带后的中心频率作为大致起振信号峰值中心频率，输出相应数据流由信息显示模块进行可视化处理。
使用图1所示装置进行传感测量时，根据未施加传感量时传感系统输出的噪声信号包络电压设置相应的起振信号判别电压，将起振信号判别电压输入至通带信号检测模块。向通带分割模块输入光电振荡信号后，装置的工作过程如图2所示，宽带低噪放大器对光电振荡信号方法后输出传感振荡信号，通带分割模块将传感振荡信号分割为n个待检测片段信号并输入通带信号检测模块进行起振信号判别，输出相应的判断逻辑电平；终端处理模块对判断逻辑电平进行采集编码并进行解算，将振荡信号起振位置信息与估算振荡峰值中心频率进行信息可视化处理，完成传感振荡信号起振初期的快速检测。
本实施例设计验证了本发明装置方法的可行性。本实施例选取通带分割数目为9个，即正整数n＝9。其中，宽带低噪放大器选用Analog Devices公司的HMC1049-Die宽带放大器，其频率范围为0.3-19GHz，并具有16dB信号增益。通带分割模块中选取的带通滤波器器件型号为Mini-Circuits生产的BCFN-1945+、VBFZ-2130+、BFCN-2275+、BFCN-2435+、BFCN-2555+、BFCN-2700+、BFCN-2840+、BFCN-3010+、ZAFBP-3200+；其对应的带宽分别为1850-2040MHz，2000-2260MHz，2170-2380MHz，2340-2530MHz，2500-2610MHz，2600-2800MHz，2750-2930MHz，2920-3100MHz，3100-3300MHz，可以检测频率范围为1.85-3.3Ghz的传感振荡信号，应用中可通过增加带通滤波器滤波器个数来提高检测范围与检测精度；通带信号检测模块的放大器选取Analog Devices公司的ADL5544，其频率范围为30MHz-6GHz，信号增益为17.4dB。检波器选取Analog Devices公司的ADL5544，检波范围为450MHz-6GHz，包络带宽超过10MHz，设置模式为峰值检波模式。电压比较器选取ST意法生产的高速电压比较器LM319，输入电压范围±15V，典型响应时间为80ns，输出逻辑电压“1”与“0”。终端设备选择STM32嵌入式单片机，将上述9个带通滤波器的中心频率与带宽信息存储到其内存中。由于本实施例为验证方案可行性选取了较少个数的通带，可以直接将电压比较器输出的逻辑电平耦合至STM32的管脚进行检测编码，实施操作时可根据检测需求选取多位二进制编码器进行二进制编码。信息显示器选取能够同时显示32个字符液晶屏LCD1602，完成相应信息的显示。
如图3所示，对光电振荡器输出的传感微波信号进行检测，选取了两个检测时间节点进行说明，检测时间点①表示信号振荡过程某一时间点，检波器对通带内的待检测片段信号进行检波输出并与设置的起振信号判别电压经电压比较器比较，最终得到9位二进制编码001111100，其代表了通带3，通带4，通带5，通带6，通带7中包含起振信号，将上述通带合并，得到振荡信号起振位置为2170-2930MHz，估算其振荡峰值频率为2550MHz；检测时间点②表示信号振荡后期某一时间点，最终得到9位二进制编码000010000，代表了通带5中包含振荡峰值信号，得到振荡信号峰值信号位置为2500-2610MHz，估算其振荡峰值频率为2555MHz。
Claims (7)
1.一种基于光电振荡器的传感测量装置，其特征在于，包括：
通带分割模块，用于将振荡信号分割为至少三路中心频率不同的待检测片段信号，
通带信号检测模块，用于根据外部输入的起振信号判别电压判别各路待检测片段信号是否包含起振信号后输出判别结果，及，
终端处理模块，用于从判别结果中解析出振荡信号的起振位置信息并估算振荡峰值的中心频率；
所述通带分割模块包括：
宽带低噪声放大器，其输入端接电振荡器输出的振荡信号，输出放大后的振荡信号，
耦合器，其输入端接放大后的振荡信号，输出至少三路功率相同的振荡信号，及，
至少三个中心频率不同的带通滤波器，每个带通滤波器接收耦合器输出的一路振荡信号后输出一路待检测片段信号；
所述通带信号检测模块包括数量与待检测片段信号数量一致的检测通道，每个检测通道包括：
电放大器，其输入端接通带分割模块输出端的 一路待检测片段信号，输出放大后的待检测片段信号，
检波器，其输入端接电放大器的输出端，检测放大处理后的待检测片段信号的包络峰值并输出峰值检测电压，及，
电压比较器，其一输入端接检波器的输出端，其另一输入端接外部输入的起振信号判别电压，输出待检测片段信号是否包含起振信号的判别结果；
所述终端处理模块包括：
二进制编码器，对通带信号检测模块的输出进行采集和编码得到表征每个采样时刻各路待检测片段信号是否包含起振信号的二进制编码，及，
处理器，预存有各路待检测片段信号的带宽及中心频率，解算二进制编码后对各个采样时刻包含起振信号的待检测片段信号进行合并处理，得到各个采样时刻振荡信号的起振位置信息，选择合并待检测片段信号后得到的带通信号的中心频率为各个采样时刻振荡峰值的中心频率。
2.根据权利要求1所述一种基于光电振荡器的传感测量装置，其特征在于，在检波器的CNTL端施加周期方波信号调节振荡信号的检测采样频率。
3.根据权利要求1所述一种基于光电振荡器的传感测量装置，其特征在于，所述终端处理模块还包括对各个采样时刻振荡信号的起振位置信息以及振荡峰值的中心频率可视化处理的信息显示器。
4.根据权利要求1所述一种基于光电振荡器的传感测量装置，其特征在于，所述外部输入的起振信号判别电压由可调稳定电压源提供。
5.根据权利要求4所述一种基于光电振荡器的传感测量装置，其特征在于，所述可调稳定电压源输出的可调谐稳定直流电压VDis为VDis＝envelope(VNoise)+VBia，其中，envelope(VNosie)为光电振荡传感器振荡初期的噪声信号包络电压，VBia为设置的区别噪声信号的偏置电压，VBia的大小不超过envelope(VNosie)的10％。
6.一种基于光电振荡器的传感测量方法，其特征在于，通过权利要求1至5中任意一项所述装置实现，根据未施加振荡信号时传感测量装置输出的噪声信号包络电压设置起振信号判别电压，根据通带分割模块所选带通分割装置的参数设置各路待检测片段信号的带宽及中心频率，将起振信号判别电压输入通带信号检测模块，将光电振荡器输出的振荡信号送入通带分割模块，收集终端处理模块输出的数据流。
7.根据权利要求6所述一种基于光电振荡器的传感测量方法，其特征在于，根据未施加振荡信号时传感测量装置输出的噪声信号包络电压设置起振信号判别电压的方法为：检测未施加振荡信号时传感测量装置输出的噪声信号包络电压，转动可调稳定电压源的输出调节旋钮使其输出电压大于噪声信号包络电压的稳定直流电压值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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