本发明涉及振动检测领域，尤其涉及一种用于外差干涉光路的振动测量系统(测振系统)的信号解调装置和方法。
背景技术：
激光多普勒测振技术具有非接触、远距离、灵敏度高、精度高的特点，已经广泛应用于民用、工业生产、军事及航空等领域。
如图1所示，激光多普勒测振系统包括干涉光路和电路信号处理两部分，由于外差干涉光路抗干扰性强与精度高的特点，目前测振系统中干涉光路部分通常采用外差光路法，外差干涉光路典型特点就是光路中有频移器(eom或者aom)使信号光或参考光产生一定的频移，频移量就是干涉后载波的频率。
激光多普勒测振系统的核心就是光学干涉系统和信号解调单元，系统的高精度主要依赖于这两部分的性能，外差光路得到干涉光信号后，系统进行光电信号转换、信号调理和信号解调，信号解调的精度直接决定了系统精度。
常见的基于外差干涉光路的振动测量系统中，所采用的频移器件(aom或者eom)，最小的频移量为40mhz，如此高的载波如果按照香侬采样定理的要求进行采样，则采样时钟速率要达到几百mhz甚至ghz，由此，这样采用高频载波的好处就是系统抗干扰性强，但缺点是载波越高要求后端采样率也越高，对信号采集模块和信号处理系统的设计带来一定难度，使信号采集电路的设计变得困难，后续信号的处理复杂度和难度均大幅增加。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于外差干涉测振系统的信号解调方法，以期至少部分地解决上述技术问题。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种用于外差干涉测振系统的信号解调装置，其特征在于，包括：
外差干涉光路，用于产生经过振动信号调制的载波调制信号s(t)，并产生aom驱动参考信号faom；
信号采集模块，用于将所述载波调制模拟信号s(t)转换为载波调制数字信号s(n)，并将所述aom驱动参考信号faom转换为数字信号；
本振信号模块，用于基于数字faom信号产生两路单位正交信号i0和q0，其中所述两路单位正交信号i0和q0的信号频率与载波调制数字信号s(n)的信号频率相同，数据速率与信号采集模块的采样率相同；
混频模块，用于将载波调制数字信号s(n)与所述两路单位正交信号i0和q0进行混频，得到两路正交信号is和qs，所述正交信号is和qs同时保留了倍频和基带成分；
数据抽取模块，用于对所述正交信号is和qs降低数据速率和滤波，滤除其部分倍频成分，保留基带成分；
滤波模块，用于对所述正交信号is和qs进一步滤波，经过滤波模块处理后，消除倍频成分，得到正交信号ib和qb，所述正交信号只保留了基带信号；
cordic相位计算模块，用于对滤波模块处理后的所述正交信号ib和qb的相位进行计算；
相位补偿模块，针对目标相位信号
数据输出模块，用于将相位补偿模块输出的数字相位信号转换为模拟位移信号后输出。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种用于外差干涉测振系统的信号解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将外差干涉光路中的光信号转换成电信号，产生载波调制模拟信号s(t)，所述载波调制模拟信号s(t)中含有目标相位信息；产生aom驱动信号faom；
步骤2，将所述载波调制信号s(t)转换为数字信号s(n)；将所述aom驱动信号faom离散化成数字信号；
步骤3，本振信号模块基于所述aom驱动信号faom产生单位正交信号i0和q0，然后单位正交信号i0和q0与载波调制信号s(n)进行混频，得到两路正交信号is和qs，所述正交信号is和qs中同时保留倍频与基带成分；
步骤4，数据抽取模块对混频后的两路正交信号is和qs信号进行抽取和滤波，滤除混频产生的部分高频成分，其保留基带信号；
步骤5，滤波模块对上述得到的正交信号is和qs整形和进一步滤波，得到正交信号ib和qb，ib和qb只保留基带信号；
步骤6，coridic相位计算模块对上述得到的正交信号ib和qb根据坐标旋转原理进行相位计算，得到原始相位
步骤7，相位补偿模块对超出cordic相位计算模块量程的相位计算结果
步骤8，将上述得到的相位信号
基于上述技术方案可知，本发明的信号解调方法相对于现有技术具有如下优点：
(1)针对外差干涉测振系统中40mhz载波信号的振动调制信号，利用欠采样采样技术，用低于nyquist频率以下的采样率进行采样，数据率的降低能够有效的降低信号后端处理复杂度；
(2)在fpga中实现数字混频、数字抽取、数字滤波、相位计算功能，实现了目标信号的解调，得到了物体振动信息，通过在fpga中利用数字方法实现了核心模块的设计，提高了系统的可移植性和修改性；
(3)本发明利用模/数转换和数/模转换，将信号变化到数字域处理，最后将目标信号转换成模拟信号输出，这样做的优点是算法的抗干扰性强，准确度高，保证了外差干涉测振系统的输出精度。
附图说明
图1为现有技术的外差干涉测振系统的组成方框示意图；
图2为本发明的外差干涉测振系统中振动信号解调的流程框架结构图；
图3为本发明中信号变换的流程图；
图4为本发明的外差干涉测振系统的信号解调方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种带通采样方法来实现振动信号的解调，在fpga中实现，这种解调方法将采样率降低到nyquist频率以下，该方案具有采样率低的特点。
具体地，本发明公开了一种用于外差干涉测振系统的信号解调装置，包括：
外差干涉光路，用于产生经过振动信号调制的载波调制信号s(t)，并产生aom驱动参考信号faom；
信号采集模块，用于将所述载波调制模拟信号s(t)转换为载波调制数字信号s(n)，并将所述aom驱动参考信号faom转换为数字信号；
本振信号模块，用于基于数字faom信号产生两路单位正交信号i0和q0，其中所述两路单位正交信号i0和q0的信号频率与载波调制数字信号s(n)的信号频率相同，数据速率与信号采集模块的采样率相同；
混频模块，用于将载波调制数字信号s(n)与所述两路单位正交信号i0和q0进行混频，得到两路正交信号is和qs，所述正交信号is和qs同时保留了倍频和基带成分；
数据抽取模块，用于对所述正交信号is和qs降低数据速率和滤波，滤除其部分倍频成分，保留基带成分；
滤波模块，用于对所述正交信号is和qs进一步滤波，经过滤波模块处理后，得到信号ib和qb，正交信号ib和qb正交信号只保留了基带信号；
cordic相位计算模块，用于对滤波模块处理后的所述正交信号ib和qb的相位进行计算；
相位补偿模块，针对目标相位信号
数据输出模块，用于将相位补偿模块输出的数字相位信号
作为优选，所述载波调制模拟信号
作为优选，信号采集模块将载波调制模拟信号s(t)进行离散化处理，离散化后的载波调制数字信号s(n)的表达式为
作为优选，所述数据采样模块的采样率fs满足f0＜fs＜2f0(f0为模拟载波频率)，则离散化后的载波频率为fc＝fs-f0。
作为优选，离散化的信号s(n)在混频模块与本振模块产生的单位正交信号i0及q0混频，混频公式如下：
is路：
qs路：
混频后，得到正交化的is、qs两路信号，包括倍频项与基带项；
作为优选，数据抽取模块滤波之后，所述正交信号is和qs消除了部分倍频项，经过进一步滤波后，得到正交信号ib和qb，ib和qb只保留基带项，表达式为：
ib路：
qb路：
作为优选，cordic相位计算模块依据坐标旋转原理得到目标相位信号
作为优选，相位补偿模块基于cordic相位计算模块对可能产生[-π，π]之外的
本发明还公开了一种用于外差干涉测振系统的信号解调方法，包括以下步骤：
步骤1，将外差干涉光路中的光信号转换成电信号，产生载波调制模拟信号s(t)，所述载波调制模拟信号s(t)中含有目标相位信息；产生aom驱动信号faom；
步骤2，将所述载波调制信号s(t)转换为数字信号s(n)；将所述aom驱动信号faom离散化成数字信号；
步骤3，本振信号模块基于所述aom驱动信号faom产生单位正交信号i0和q0，然后单位正交信号i0和q0与载波调制信号s(n)进行混频，得到两路正交信号is和qs，所述正交信号is和qs中同时保留倍频与基带成分；
步骤4，数据抽取模块对混频后的两路正交信号is和qs信号进行抽取和滤波，滤除混频产生的部分高频成分，其保留基带信号；
步骤5，滤波模块对上述得到的正交信号is和qs整形和进一步滤波，得到正交信号ib和qb，ib和qb只保留基带信号；
步骤6，coridic相位计算模块对上述得到的正交信号ib和qb根据坐标旋转原理进行相位计算，得到原始相位
步骤7，相位补偿模块对超出cordic相位计算模块量程的信号进行补偿，得到真实相位
步骤8，将上述得到的相位信号
作为优选，步骤(1)中所述载波调制模拟信号
作为优选，步骤(2)中信号采集模块将载波调制模拟信号，s(t)进行离散化处理，离散化后得到的载波调制数字信号
作为优选，离散化的信号s(n)在混频模块与本振模块产生的单位正交信号i0及q0混频，混频公式如下：
is路：
qs路：
混频后，得到正交化的is、qs两路信号，包括倍频项与基带项；
作为优选，数据抽取模块滤波之后，所述正交信号is和qs消除了倍频项，得到正交信号ib和qb，ib和qb只保留基带项，表达式为：
ib路：
qb路：
作为优选，采用cordic相位计算模块计算ib和qb两路信号的相位
作为优选，相位补偿模块基于cordic相位计算模块对可能产生[-π，π]之外的
在一个具体实施方式中，本发明的用于外差干涉测振系统的信号解调装置，包括：
外差干涉光路，产生aom输出的参考频率信号faom，产生载波调制信号s(t)，载波调制信号含有目标信号；
信号采集模块，用于将模拟的载波调制信号s(t)转换为数字信号s(n)，便于后续数字信号处理模块处理；
本振信号模块，用于产生特定频率的i0、q0正交化正弦波；混频模块，用于将本振信号模块产生的i0和q0信号和载波信号s(n)的混频，实现载波信号s(t)的正交化，得到is和qs两路信号；
数据抽取模块，用于对混频后的is和qs两路信号进行抽取，降低is和qs的数据速率；
滤波模块，用于消除混频产生is和qs的倍频项，保留含有振动信息的基带信号ib和qb；
cordic相位计算模块，计算基带信号ib和qb两路信号的原始相位
信号输出模块，将数字化的目标相位信号
在一个具体实施方法中，如图2所示，本发明的用于外差干涉信号的解调系统包括：
外差干涉光路，提供载波调制信号和本振信号模块的参考输入，作为模拟信号向数字信号转换的信号采集模块，该信号采集模块核心单元是一个nbits的a/d芯片，采样率为fs(f0＜fs＜2f0)将f0＝40mhz载波离散成nbits的离散信号，离散后的信号频率fc＝fs-f0；
干涉光路中aom频移器输出的参考频率信号faom，通过数据采集模块将其离散化，然后作为本振信号模块的参考输入信号，本振信号模块产生两路单位正交信号i0和q0，其频率为fc，数据速率为fs(fs＞2fc)，用于和离散化的外差干涉信号进行混频；
离散化的外差干涉信号s(n)和本振信号模块产生的两路正交信号i0和q0在混频模块进行混频，得到含有2fc的高频项和相位调制的基带项，此时数据速率为fs；
经过混频后的信号进入数据抽取模块，该模块核心单元为cic滤波器，经过1/r的抽取，得到的数据速率为fr＝fs/r，fr越小，后续的滤波器的设计越容易，还要考虑到nyquist定律，保证波形的平滑；在数据抽取的同时，2fc的高频成分得到滤除，只保留了相位调制的基带项；
滤波模块，采用fir滤波器设计，经过cic模块抽取和滤波后的is、qs两路信号进入fir模块进行进一步滤波，得到平滑的低频波形，fir通带截止频率为4khz，这有效的滤除了目标频带信号引起的振动分量，保留基带信号ib和qb；
经过抽取和滤波的两路正交信号进入相位计算模块，相位计算模块是是基于坐标旋转原理计算正交两路信号相位
上述方案中，所述的信号采集模块包括a/d采集芯片及其外围电路部分，混频模块，本振信号模块，cic模块，fir模块，相位计算模块和相位补偿模块是在fpga中实现的，这些模块采用verilog语言实现，数据输出模块由d/a转换芯片及外围滤波电路组成。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，做出更详细的说明：
如图1所示，本发明的外差干涉振动测量系统有光学部分和电学部分，电学部分包括光电探测、信号调理和信号解调部分，光学部分实现光信号的分频、偏转、调制、发射、接收和干涉功能，然后经过光电转换输出载波调制信号，电学部分实现了模拟信号调理和信号解调部分。如图2所示，在一个优选实施例中，本发明提供的振动信号的解调方法是针对载波频率为40mhz的振动调制信号，目标振动频率为4khz以下的物体振动信号的解调；
如图2所示，载波调制信号经过信号采集系统以采样频率fs进行采样，得到数字化的信号s(n)，此时载波频率由f0＝40mhz转变为fc，fc＝fs-f0；
将aom频移器输出的参考信号离散化，将其作为本振信号模块的输入参考信号，本振信号模块产生两路正交信号i0和q0，这两路正交信号频率为fc，数据速率为fs，这样才可以正确地与离散化的载波调制信号混频；
离散化的载波调制信号s(n)和本振信号模块产生的i0和q0两路信号混频，得到is和qs两路正交信号，其中is和qs含有倍频2fc信号和振动调制相位基带项
经过混频后的信号，由于数据速率过高，直接进入低通滤波器会给滤波器的设计带来一定难度，因此需要降低数据速率，将cic滤波器抽取率设r，经过抽取后数据速率为fr＝fs/r，目标信号最大频率为4khz；
抽取后的信号，进入到fir滤波器，fir有效滤除含有2fc的倍频项，只保留了低频振动调制相位项，得到含有基带信息的正交项ib和qb；
滤波后的两路基带信号ib和qb进入到cordic相位计算模块，cordic相位计算模块通过坐标旋转方法将目标相位
针对超出上述相位计算范围的相位值，需要相位补偿模块进行相位补偿，通过折叠值
数据输出模块将解调后的数字信号d(n)转换成模拟信号d(t)输出，并且进行滤波，滤除位移夹杂的噪声或异常点，得到平滑的输出波形；至此，完成整个算法的实现。
本发明的上述算法可以通过fpga编程实现，也可以根据其原理移植到其它通用平台上，只要其中的主要步骤与本申请技术方案一致，均应该包含在本发明的保护范围之内。
也即是说，以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。