CN112815970A - 干涉系统中高精度椭圆拟合装置与椭圆拟合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种干涉系统中高精度椭圆拟合装置与椭圆拟合方法。该方法包括以下步骤：步骤一在干涉仪中引入相位调制信号；步骤二，激光信号通过光纤干涉仪生成两路干涉信号；步骤三，通过双路光电探测器将干涉信号转换为两路电信号；步骤四，两路电信号通过数据采集卡(ADC)转换为两路数字信号；步骤五，根据两路数字信号做基于椭圆拟合算法的数字化解调，得到待测信号。本发明技术方案通过在干涉仪中引入大幅度相位调制信号，使两路干涉信号组成的椭圆有足够长的弧度，解决现有技术中椭圆拟合算法在小椭圆弧度时反演椭圆参数不准确的问题，实现高精度的椭圆拟合与小幅度信号的解调。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体的，涉及一种在干涉系统中引入相位调制实现高精度椭圆拟合装置与椭圆拟合方法。
背景技术
常用的椭圆拟合方法主要有3类：基于HOUGH变换的椭圆拟合方法，基于不变矩方法，基于最小二乘法。在这3种方法中，最小二乘法是在随机误差为正态分布时，由最大似然法推出的一个最优估计值，它可使测量误差的平方和最小，因此也被视为从一组测量值中求出一组未知量的最可信赖的方法之一。基于最小二乘法的椭圆拟合算法在干涉系统中常用于双路干涉信号的椭圆拟合与矫正，抑制解调结果的非线性失真。例如，在传统的零差正交激光干涉仪中利用椭圆拟合算法得到双路干涉信号的椭圆拟合参数并将其矫正为正交状态，实现位移、加速度、声压等物理量的准确测量；在基于3×3耦合器的光纤干涉仪中利用椭圆拟合算法实现双路干涉信号120度相差至90度相差的转变，方便后续的信号处理与解调。然而，当采样的数据点包含噪声或者仅包含椭圆的一小部分弧线时，椭圆的反演参数不准确，无法实现高精度的椭圆拟合。因此，在干涉系统中，椭圆拟合算法不能用于小幅度待测信号的解调。
发明内容
本发明的目的在于提供一种干涉系统中高精度椭圆拟合装置与椭圆拟合方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
干涉系统中高精度椭圆拟合装置，包括信号发生器、激光器、干涉仪、双路光电探测器、数据采集模块与数据处理模块；
所述信号发生器与激光器在干涉仪中引入相位调制信号，干涉仪输出包含相位调制信号的双路干涉信号；
所述的双路光电探测器与所述干涉仪连接，双路光电探测器用于将双路干涉信号转换为双路电信号；
所述数据采集模块与双路光电探测器连接，数据采集模块用于采集所述的双路电信号并将双路电信号转换为双路数字信号；
所述数据处理模块与数据采集模块连接，数据处理模块根据所述双路数字信号做基于椭圆拟合算法的数字化解调，得到待测信号。
根据上述干涉系统中高精度椭圆拟合装置的椭圆拟合方法，包括以下步骤：
步骤一，在干涉仪中引入相位调制信号；
步骤二，激光信号通过所述干涉仪生成双路干涉信号；
步骤三，通过双路光电探测器将所述的双路干涉信号转换为双路电信号；
步骤四，将所述的双路电信号通过ADC转换为双路数字信号；
步骤五，根据所述的双路数字信号做基于椭圆拟合算法的数字化解调，得到待测信号。
作为本发明的进一步方案，所述干涉仪是非平衡迈克尔逊光纤干涉仪，由光纤耦合器、法拉第旋镜构成。
作为本发明的进一步方案，所述干涉仪是平衡迈克尔逊光纤干涉仪，由光纤耦合器、相位调制器、法拉第旋镜构成。
作为本发明的进一步方案，所述的干涉仪是空间光干涉仪，由偏振控制器、分束镜、相位调制器和λ/8玻片组成。
作为本发明的进一步方案，所述干涉仪是非平衡迈克尔逊光纤干涉仪或空间光干涉仪，步骤一在干涉仪中引入相位调制信号的方法为：
信号发生器生成第一调制信号，激光器根据所述第一调制信号生成调制后的激光信号，调制后的激光信号经过干涉仪生成包含调制信号的双路干涉信号；
作为本发明的进一步方案，所述干涉仪是平衡迈克尔逊光纤干涉仪或空间光干涉仪，步骤一在干涉仪中引入相位调制信号的方法为：
所述信号发生器生成第二调制信号，所述干涉仪中相位调制器根据所述第二调制信号生成包含调制信号的所述双路干涉信号；
作为本发明的进一步方案，步骤五具体包括：
利用椭圆拟合算法对所述的双路数字信号进行椭圆参数反演计算；
根据得到的椭圆参数对所述的双路数字信号进行矫正，得到相位差90度、幅值相同的双路正交信号；
对得到的双路正交信号做数字化解调，得到待测信号。
作为本发明的进一步方案，所述干涉仪中两路反射光通过所述光纤耦合器形成相位差非π的所述双路干涉信号。
作为本发明的进一步方案，所述的调制信号的相位变化不小于π/2，拟合用的椭圆弧度不小于1/4个圆弧，调制频率是待测信号频率与幅度乘积的两倍以上。
本发明的有益效果：
本发明所述椭圆拟合方法通过在干涉仪中引入大幅度相位调制信号，使两路干涉信号组成的椭圆有足够长的弧度，解决当采样的数据点仅包含椭圆的一小部分弧线时，椭圆反演参数不准确的问题，实现了高精度的椭圆拟合与小幅度信号的解调。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的干涉系统中引入相位调制实现高精度椭圆拟合的装置的结构示意图；
图2示出了相同椭圆在π/20、π/10及π/2不同弧度下根据椭圆拟合算法反演出的椭圆；
图3是图1系统结构中使用相位调制深度π/2，频率20KHz的相位调制前后，1KHz待测信号幅度变化在0.155rad时，基于椭圆拟合算法的反正切解调结果对比图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供一种干涉系统中高精度椭圆拟合装置，包括激光器为RIO可调谐激光器，中心波长为1550.10nm，双路光电探测器为Thorlabs平衡光电探测器PDB450C，数据采集模块包括NI USB6351数据采集卡，数据处理模块为计算机。
下面结合图1、图2及图3对本发明在干涉系统中引入相位调制实现高精度椭圆拟合的方法进行详细说明。
步骤一，信号发生器生成频率为20kHz和幅度为3.2V的正弦波信号，用作第一调制信号，可调谐激光器根据第一调制信号生成调制后的激光信号；
步骤二，经信号发生器生成频率为10KHz和幅度为0.002V的正弦信号，用作调制压电陶瓷生成待测信号；
步骤三，调制后的激光信号通过3×3光纤耦合器，经非平衡臂迈克尔逊干涉仪生成两路干涉信号；
步骤四，通过Thorlabs平衡光电探测器将两路干涉信号转换为两路电信号；
步骤五，将两路电信号通过ADC转换为两路数字信号；
步骤六，在计算机中对两路数字信号做基于椭圆拟合算法的反正切解调。
如图2所示，当两路干涉信号相位变化较小时，采集到的数据仅包含椭圆的一小部分弧线，基于椭圆拟合算法反演的椭圆不准确。采集的数据包含π/2椭圆弧度时，反演椭圆与原始椭圆完全吻合，π/10和π/20弧度的反演椭圆与原始椭圆有明显偏差。因此，在3×3光纤耦合干涉系统中，椭圆拟合算法不能用于小幅度待测信号的解调。
图3出示了在干涉系统中引入π/2，频率20KHz的相位调制前后小幅度待测信号的解调均方根频谱结果。施加在压电陶瓷的待测信号幅度为0.155rad，频率为1KHz。其中，无相位调制解调结果有明显的谐波失真，幅值约有0.8rad。相位调制后解调结果无谐波失真，幅值约有0.155rad。两者相比，相位调制后系统解调结果正常。
综上所述，本发明提供了一种在干涉系统中引入相位调制实现高精度椭圆拟合的装置与方法。该方法通过在干涉仪中引入大幅度相位调制信号，使两路干涉信号组成的椭圆有足够长的弧度，解决当采样的数据点仅包含椭圆的一小部分弧线时，椭圆反演参数不准确的问题，实现高精度的椭圆拟合与小幅度信号的解调。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.干涉系统中高精度椭圆拟合装置，其特征在于，包括信号发生器、激光器、干涉仪、双路光电探测器、数据采集模块与数据处理模块；
所述信号发生器与激光器在干涉仪中引入相位调制信号，干涉仪输出包含相位调制信号的双路干涉信号；
所述的双路光电探测器与所述干涉仪连接，双路光电探测器用于将双路干涉信号转换为双路电信号；
所述数据采集模块与双路光电探测器连接，数据采集模块用于采集所述的双路电信号并将双路电信号转换为双路数字信号；
所述数据处理模块与数据采集模块连接，数据处理模块根据所述双路数字信号做基于椭圆拟合算法的数字化解调，得到待测信号。
2.根据权利要求1所述的干涉系统中高精度椭圆拟合装置的椭圆拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在干涉仪中引入相位调制信号；
步骤二，激光信号通过所述干涉仪生成双路干涉信号；
步骤三，通过双路光电探测器将所述的双路干涉信号转换为双路电信号；
步骤四，将所述的双路电信号通过ADC转换为双路数字信号；
步骤五，根据所述的双路数字信号做基于椭圆拟合算法的数字化解调，得到待测信号。
3.根据权利要求1所述的干涉系统中高精度椭圆拟合装置，其特征在于，所述干涉仪是非平衡迈克尔逊光纤干涉仪，由光纤耦合器、法拉第旋镜构成。
4.根据权利要求1所述的干涉系统中高精度椭圆拟合装置，其特征在于，所述干涉仪是平衡迈克尔逊光纤干涉仪，由光纤耦合器、相位调制器、法拉第旋镜构成。
5.根据权利要求1所述的在干涉系统中引入相位调制实现高精度椭圆拟合的装置，其特征在于，所述的干涉仪是空间光干涉仪，由偏振控制器、分束镜、相位调制器和玻片组成。
6.根据权利要求3或5所述的干涉系统中高精度椭圆拟合装置的椭圆拟合装置，其特征在于，步骤一在干涉仪中引入相位调制信号的方法为：
信号发生器生成第一调制信号，激光器根据所述第一调制信号生成调制后的激光信号，调制后的激光信号经过干涉仪生成包含调制信号的双路干涉信号。
7.根据权利要求4或5所述的干涉系统中高精度椭圆拟合装置的椭圆拟合装置，其特征在于，步骤一在干涉仪中引入相位调制信号的方法为：
所述信号发生器生成第二调制信号，所述干涉仪中相位调制器根据所述第二调制信号生成包含调制信号的所述双路干涉信号。
8.根据权利要求2所述的干涉系统中高精度椭圆拟合装置的椭圆拟合方法，其特征在于，步骤五具体包括：
利用椭圆拟合算法对所述的双路数字信号进行椭圆参数反演计算；
根据得到的椭圆参数对所述的双路数字信号进行矫正，得到相位差90度、幅值相同的双路正交信号；
对得到的双路正交信号做数字化解调，得到待测信号。
9.根据权利要求3或4所述的在干涉系统中引入相位调制实现高精度椭圆拟合的装置，其特征在于，所述干涉仪中两路反射光通过光纤耦合器形成相位差非π和0的所述双路干涉信号。
10.根据权利要求2所述的干涉系统中高精度椭圆拟合装置的椭圆拟合方法，其特征在于，所述的调制信号相位变化不小于π/2，拟合的椭圆弧度不小于1/4个圆弧，调制频率是待测信号频率与幅度乘积的两倍以上。
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