一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法
【专利摘要】本发明属于光学干涉测量技术领域，涉及了一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法。本发明包括：干涉信号经过光电转换后进入信号处理电路单元，信号处理单元的第一级为带通滤波器、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，滤波器的输出信号做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关于载波频率ω0的单倍频项的幅值平方，对其开方运算后作为误差信号并以负反馈方式送给信号处理单元的第二级。本发明结构简单，无需微分运算，闭环结构能够保证相位解调的长期稳定性，并降低解调精度对激光器、光电转换等元件的精度性能和稳定性的要求。
【专利说明】
-种相位载波式激光干溃信号闭环解调方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学干设测量技术领域，设及了一种相位载波式激光干设信号闭环解 调方法。
【背景技术】
[0002] 广泛应用于光学干设型传感器的相位解调算法为PGC算法，其原理是利用输入信 号与本地调相波进行差频处理，得到两路被测相位的正交值，再利用正交值与原始信号进 行交叉微分相乘，通过=角函数关系与积分处理得到被测相位值。在80年代数字电路不是 很发达的情况下该算法的提出很好的解决了工程实际化的问题。但是该算法存在几个问 题，首先是其工作的动态范围受调相波信号影响很大，另外该系统工作在开环状态下，没有 反馈回路保证系统的长期工作稳定性。PGC算法中还有一个比较严重的问题就是很容易受 到伴生调幅的影响，由于PGC算法需要一个调相波信号对干设仪进行调制，在直接调制激光 器相位过程中容易引人伴随的幅度变化，该变化会使最终数据结果产生较大的谐波失真。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种在相位载波型光学干设仪上引入了反馈机制，实现了 相位的闭环解调的相位载波式激光干设信号闭环解调方法。
[0004] 本发明的目的是运样实现的：
[0005] -种相位载波式激光干设信号闭环解调方法，干设信号经过光电转换后进入信号 处理电路单元，
[0006] 干设信号为：
[0007]
[000引其中A为干设后光强的直流分量，B为干设后光强的交流分量，口 (0为干设相位变化 值，
[0009]
[0010] 其中％，A巧，0,片），從巧分别为干设初相位，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，《 0为调制频率，且
[0011]
[0012] C为调制深度，干设信号的贝赛尔展开为：
[0013]
[0014] 信号处理单元的第一级为带通滤波器、乘法器和低通滤波器，滤波器的中屯、频率 等于相位载波频率，滤波器带宽小于相位载波频率，滤波器的输出信号做自相关后再送入 低通滤波器，得到干设信号的贝塞尔展开式中关于载波频率《0的单倍频项的幅值平方，对 其开方运算后作为误差信号并W负反馈方式送给信号处理单元的第二级；
[0015] 由由,1、,、麻燕责Mn的带補池淋柴々h巧ク巨的一你谐淋分量为；
[0016]
[0017]
[001 引
[0019]
[0020] PID控制器产生的控制信号经放大器放大用于驱动压电陶瓷元件在干设仪光路上 产生补偿相位，当反馈系统平衡后，卿+ A+巧=0
[0021] PID控制器输出的控制信号与巧的成正比，当系统达到稳态时，0的与&的+斯相 对应，由此可得被测量信号。
[0022] 所述的补偿相位的引入方式是光纤干设装置的参考臂末端连接自聚焦透镜并与 固定在压电陶瓷上的平面反射镜正交，该压电陶瓷受PID控制器控制。
[0023] 所述的补偿相位的引入方式是将PID控制器的输出信号与相位载波信号叠加共同 作用于光路。
[0024] 本发明的有益效果在于:结构简单，无需微分运算，闭环结构能够保证相位解调的 长期稳定性，并降低解调精度对激光器、光电转换等元件的精度性能和稳定性的要求。
【附图说明】
[0025] 图1为一种相位载波式激光干设信号闭环解调方法的流程图。
[0026] 图2为相位载波式激光干设信号闭环解调方法的结构图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0028] 本发明属于光学干设测量技术领域，设及了一种相位载波激光干设信号的闭环解 调方法。本发明提供了一种相位载波式激光干设信号闭环解调方法，主要包括，干设信号经 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PID控制器，PID产生一个相位补偿 信号，并将该补偿信号在干设仪中产生相应的补偿相位，使闭环系统残差收敛到最小，此时 PID控制器的输出值正比于被测信号产生的相位。该方法可获得稳定性和精度更高的测量 效果。
[0029] 图2中1、激光器光源，2、光纤禪合器，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、带通滤波器，9、乘积运算，10、低通滤波器，11、开 方运算，12、PID控制器，13、压电陶瓷驱动器，14、解调出的相位信号，15、压电陶瓷。
[0030] 在相位调制迈克尔逊干设仪中，参考臂末端的反射镜与受反馈信号控制的压电陶 瓷连接。干设光信号经光电探测和AD采样送入可编程逻辑器件(FPGA)，在FPGA中实现带通 滤波、自乘、低通滤波和开方运算后，再进行PID运算，产生相位补偿信号，该信号由PID控制 器输出，经DA转换后送给压电陶瓷驱动器驱动连接在反射镜上的压电陶瓷，并在传感臂内 产生补偿相位。该补偿相位包含了被测信号产生的相位，通过频率分离或其他方法可得到 被测信号。
[0031 ]经光电探测之后的干设信号为：
[0032]
[0033] 其中：Ii，l2分别为两束干设光光强，A为干设后光强的直流分量，B为干设后光强的 交流分量，梦的为干设相位变化值，表达式为：
[0034]
[0035] 其中上式中的挪，A 口，巧的，0.(0分别为干设初相位，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A巧与光源调制幅度V 有关。
[0036]
[0037] 其中n为光纤折射率，1为两臂臂长差，C为光速，调制电流为i = iocos O化，则光源 引起的频率变化为V = AVCOS CO化，得到调制信号引起的相位变化量为：
[00；3 引
[0039]其中C为调制深度，是与光纤干设仪W及调制相关的固定常量，则干设信号形式 为：
[0040
[0041
[0042
[0043] 其中Jm(C)为某一调制深度C下的不同高阶系数。
[0044] 用中屯、频率为《0且k = 0的带通滤波器滤波处理之后得到干设信号在相位调制频 率《止的一次分量?/,(邸叫A的+脚+似:〇]cos邸，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，得到干设信号的贝塞 尔化essel)展开式中关于载波频率W 0的单倍频项的幅值平方备々O S虹:[巧U) +妍t巧斯][1 -触2邱小
[0045] 对所得信号进行开方运算箱
并作为误差信号W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电陶瓷元件，压电陶瓷产生形变 带动固定其上的反射镜位移，在干设仪末端形成新的光程变化W补偿之前产生的光程变 化，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。W上过程中PID控制器 输出的控制信号与巧々)成正比，当系统达到稳态时，锭的与将納+ ?相对应，由此可得被测 量信号。
[0046] 相位载波式激光干设信号闭环解调方法，干设信号经过光电转换后进入信号处理 电路单元，信号处理单元的第一级为带通滤波器、乘法器和低通滤波器，滤波器的中屯、频率 等于相位载波频率，滤波器带宽小于相位载波频率，滤波器的输出信号做自相关后再送入 低通滤波器，得到干设信号的贝塞尔(Bessel)展开式中关于载波频率CO 0的单倍频项的幅 值平方，对其开方运算后作为误差信号并W负反馈方式送给信号处理单元的第二级:PID控 制器，控制器产生的控制信号经放大器放大用于驱动压电陶瓷元件在干设仪光路上产生补 偿相位，由于负反馈机制将最终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WPID控制器的输出信号正比于被测信号；
[0047] 相位载波式激光干设信号闭环解调方法，补偿相位的引入方式可W是光纤干设装 置的参考臂末端连接自聚焦透镜并与固定在压电陶瓷上的平面反射镜正交，该压电陶瓷受 PID控制器控制；
[0048] 补偿相位的引入方式还可W是将PID控制器的输出信号与相位载波信号叠加共同 作用于光路；
[0049] 其信号处理过程的数学表达如下；
[0化日]平诫倍耳责.
[0化1 ]
[0化2] 其中A为干设后光强的直流分量，B为干设后光强的交流分量，抑Z)为干设相位变化 值，表达式为：
[0化3]
[0054] 其中热，卸，f/)、(/)，科e約分别为干设初相位，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，《 0为调制频率，且
[0化5]
[0056]。刃调制株思，十设信号的贝寒尔展开为：
[0化7]
[005引由中屯、频率为《0的带通滤波器处理之后的一次谐波分量为：
[0化9]
[0060]
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] PID控制器输出的控制信号与巧的成正比，当系统达到稳态时，巧.的与A的+挪相 对应，由此可得被测量信号。
【主权项】
1. 一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法，其特征在于:干涉信号经过光电转换 后进入信号处理电路单元， 干涉信号为：其中A为干涉后光强的直流分量，B为干涉后光强的交流分量，p(〇为干涉相位变化值，其中外:，Δ梦，代(?），仍(?)分别为干涉初相位，调制信号引起的相位变化，被测信号 弓丨起的相位变化，补偿相位，ω〇为调制颇率，曰C为调制深度，干涉信号的贝赛尔展开为：信号处理单元的第一级为带通滤波器、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，滤波器的输出信号做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关于载波频率ω〇的单倍频项的幅值平方，对其开 方运算后作为误差信号并以负反馈方式送给信号处理单元的第二级； 由中心频率为ω 〇的带通滤波器处理之后的一次谐波分量为：自乘后揭经低通滤波之后得开方之后得PID控制器产生的控制信号经放大器放大用于驱动压电陶瓷元件在干涉仪光路上产生 补偿相位，当反馈系统平衡后，％+的+仍=〇 PID控制器输出的控制信号与只00成正比，当系统达到稳态时，終〇)与朽(〇+外相对 应，由此可得被测量信号。2. 根据权利要求1所述的一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法，其特征在于:所 述的补偿相位的引入方式是光纤干涉装置的参考臂末端连接自聚焦透镜并与固定在压电 陶瓷上的平面反射镜正交，该压电陶瓷受PID控制器控制。3. 根据权利要求1所述的一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法，其特征在于:所 述的补偿相位的引入方式是将PID控制器的输出信号与相位载波信号叠加共同作用于光 路。
【文档编号】G01B9/02GK105953725SQ201610297893
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】温强, 廖为桂
【申请人】哈尔滨工程大学