一种相位载波式激光干涉信号双频点闭环解调方法与流程

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双频点闭环解调方法。

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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在相位载波型光学干涉型仪上引入了双频点反馈机制，实现了灵敏度更高的相位载波式激光干涉信号双频点闭环解调方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种相位载波式激光干涉信号双频点闭环解调方法，在调制深度为1.6至2.8的条件下，干涉信号经过光电转换后输入至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，2号混频信器输出信号经低通滤波器后，再进行信号处理转化为正弦，将两路信号叠加构成误差信号，在叠加的时候将所有分量取同号，并以负反馈方式将误差信号送给控制器，该控制器产生的控制信号输入给一个相位调制器，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。

所述的2号混频信器输出信号经低通滤波器后，再进行信号处理转化为正弦是将贝塞尔函数的二次项系数与2号混频信器输出信号经低通滤波后信号的平方差开平方，其符号取与1号混频器后的低通滤波器输出信号相同。

对于光纤干涉型传感器，补偿相位的引入方式可以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起相位调制作用的压电陶瓷上的平面反射镜平行，且与压电陶瓷的伸缩运动方向正交。

补偿相位的引入方式是将控制器的输出信号叠加到相位载波信号中。

本发明的优势在于：充分利用了干涉信号的载波分量，当噪声的功率随频率衰减时，该方法可提高解调算法的分辨率，与广泛应用于光学干涉型传感器的相位解调算法为PGC算法相比，还具有可无微分运算子、闭环结构能够保证相位解调的长期稳定性并对激光器稳定性的要求相对较低，同时也降低了解调精度对光电转换等元件的精度性能和稳定性的要求等优点。

附图说明

图1为一种相位载波式激光干涉信号双频点闭环解调方法的流程图。

图2为一种相位载波式激光干涉信号双频点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。本发明提供了一种相位载波式激光干涉信号双频点提取误差信号的闭环解调方法，主要包括，在某一干涉深度下，干涉信号分别与载波信号及其倍频信号混频后，再分别经低通滤波后，将滤波器的输出信号叠加作为误差信号，将这一误差信号送给PID控制器，PID产生一个相位补偿信号，并将该补偿信号在干涉仪中产生相应的补偿相位，使PID控制器输入收敛到最小，此时PID控制器的输出值正比于被测信号产生的相位。

干涉仪的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J_m(C)为某一调制深度C下的贝塞尔函数值。

为了使叠加后的信号质量更好，可将C的取值范围限定在1.6至2.8之间。干涉信号经过光电转换后输至2个混频器，混频信号分别为cosω₀和cos2ω₀，ω₀为干涉仪相位载波频率。干涉信号在混频器中与混频信号cosω₀和cos2ω₀相乘，之后送入低通滤波器，滤除掉含ω₀的高频项，分别得到和信号之后经信号处理得到正弦即：

取其符号与相同并与相加送给控制器，该控制器产生的控制信号输入给一个相位调制器(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，由相关理论可知在闭环稳定的前提下，其开环增益(主要是控制器的增益)与补偿精度成正比。以上过程中控制器输出的控制信号与成正比，当系统达到稳态时，与相对应，由此可得被测量信号，所以控制器的输出信号对应于被测相位信号，干涉相位信号得到解调。

如图2所示，实施本发明主要分两部分，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双频点闭环相位解调方法，由2个混频器、低通滤波器、信号处理部分、求和运算、控制器、相位调制器构成。在相位调制迈克尔逊干涉仪中，参考臂末端的反射镜与受反馈信号控制的相位调制器连接，干涉仪产生干涉光信号，经光电探测器转换为电信号，由AD采样器采样送入FPGA芯片来实现：与cosω₀和cos2ω₀混频、低通滤波、余弦转换为正弦以及信号叠加等，之后所得总输出信号送至控制器，控制器输出控制信号给相位调制器，再由相位调制器在传感臂内产生补偿相位。对控制器的输出信号滤波可得被测信号。

附图说明：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芯片，10、控制器，11、解调出的相位信号，12、相位调制器。