一種激光相位載波多普勒振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)及解調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種激光相位載波多普勒振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)，并設(shè)及一種激光相位 載波多普勒振動(dòng)信號(hào)的解調(diào)方法，尤其設(shè)及一種基于正交解調(diào)的一種激光相位載波多普勒 振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)及解調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)目前應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而且要求越來(lái)越高，要求能夠?qū)Υ郎y(cè)目標(biāo)微 小的振動(dòng)幅度進(jìn)行檢測(cè)，從而獲取更多信息或及時(shí)發(fā)現(xiàn)所存在的隱患，即對(duì)于振動(dòng)偵聽(tīng)技 術(shù)而言，希望能檢測(cè)到的物體振動(dòng)幅度越小越好，而據(jù)化terB等發(fā)表的Randomspeckle ModulationTechniqueforLaserInte;rfe;romet;ry中報(bào)道；夕h差干設(shè)檢測(cè)的精度表達(dá)如 下公式所示： a二林/40 )(化vB/P n ) 1/2K-1 其中^為波長(zhǎng)，h為普朗克常數(shù)，B為帶寬，P為接收功率，n為光電轉(zhuǎn)換效率，V為 激光波長(zhǎng)，K為常數(shù)。
[0003] 由此可知，當(dāng)B越小時(shí)，可探測(cè)到的物體振動(dòng)值越小，而采用傳統(tǒng)的聲光移頻方法 作為外差移頻，其B值一般大于40MHz，因此相對(duì)B值較小的移相器件其探測(cè)精度更高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為解決目前采用聲光移方法作為外差移頻時(shí)帶寬B值太大，導(dǎo)致 振動(dòng)檢測(cè)靈敏度低的技術(shù)問(wèn)題。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種激光相位載波多普勒振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)系 統(tǒng)，包括信號(hào)發(fā)生單元、光路單元和解調(diào)單元； 所述信號(hào)發(fā)生單元包括信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)分為兩路，第一路經(jīng)信號(hào) 處理器后輸出兩路正交信號(hào)sin(Csin(Wt))和COS(Csin(Wt))，第二路經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器 后輸出相移驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sin(Ot); 所述光路單元包括激光器和電光調(diào)制器，激光器輸出的光經(jīng)分束器分為信號(hào)光和參考 光，參考光輸入電光調(diào)制器的信號(hào)輸入端，信號(hào)光輸入第一分光棱鏡，所述信號(hào)發(fā)生單元輸 出的相移驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sin(Ot)輸入電光調(diào)制器的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)端，電光調(diào)制器在相移驅(qū)動(dòng)信 號(hào)Sin(Ot)的作用下輸出的相移參考光輸入到第二分光棱鏡；通過(guò)第一分光棱鏡的信號(hào) 光在待測(cè)目標(biāo)表面反射后形成的返回信號(hào)光再次進(jìn)入第一分光棱鏡，返回信號(hào)光再反射到 第二分光棱鏡，返回信號(hào)光與相移參考光在第二分光棱鏡中混合并干設(shè)形成干設(shè)光，干設(shè) 光輸入光電探測(cè)器后經(jīng)處理器輸出干設(shè)信號(hào)； 所述解調(diào)單元包括四個(gè)乘法器、兩個(gè)低通濾波器、兩個(gè)微分器、一個(gè)減法器和一個(gè)積分 器，解調(diào)單元的輸入端連接來(lái)自所述信號(hào)發(fā)生單元的兩路正交信號(hào)sin(Csin(Ot))及COS (Csin(?t))和來(lái)自光路單元的干設(shè)信號(hào)，干設(shè)信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器后分為兩路，其中一路與 COS(Csin(Ot))-并送入第一乘法器相乘，另一路與sin(Csin(Ot))-并送入第二乘 法器相乘；第一乘法器輸出的乘積經(jīng)一低通濾波器后分為兩路，其中一路經(jīng)一微分器后送 入第=乘法器，另一路直接送入第四乘法器，第二乘法器輸出的乘積經(jīng)另一低通濾波器后 分為兩路，其中一路經(jīng)另一微分器后送入第四乘法器，另一路直接送入第=乘法器；第=乘 法器輸出的乘積和第四乘法器輸出的乘積送入減法器，減法器輸出的差送入積分器；《為 所述電光調(diào)制器調(diào)制載波引起的移相頻率； 所述第一分光棱鏡正對(duì)所述待測(cè)目標(biāo)的一側(cè)，待測(cè)目標(biāo)的另一側(cè)設(shè)有振動(dòng)信號(hào)源，為 待測(cè)目標(biāo)提供振動(dòng)信號(hào)。
[0006] 進(jìn)一步地，所述激光器為窄線寬半導(dǎo)體激光器，工作波長(zhǎng)為1550nm，頻率穩(wěn)定度為 1(T，功率穩(wěn)定度為1%。
[0007] 進(jìn)一步地，所述電光調(diào)制器的調(diào)制頻率范圍為lOKHz。
[0008] 進(jìn)一步地，所述光電探測(cè)器為內(nèi)置前級(jí)放大的PIN型探測(cè)器。
[0009] 進(jìn)一步地，所述解調(diào)單元為在FPGA中通過(guò)數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)的硬件模塊。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明還提供一種激光相位載波多普勒振動(dòng)信號(hào)的解調(diào) 方法，采用正交鎖相+DCM解調(diào)方法，包括如下步驟： (1) 選擇兩路正交信號(hào)Sin(Csin(Ot))及COS(Csin(Ot))和一路模擬干設(shè)信號(hào)， 模擬干設(shè)信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器后分為兩路數(shù)字干設(shè)信號(hào)，作為解調(diào)輸入?yún)?shù)；《為調(diào)制載波引 起的移相頻率； (2) 其中一路數(shù)字干設(shè)信號(hào)與COS(Csin(Ot))-并送入第一乘法器相乘，另一路數(shù) 字干設(shè)信號(hào)與Sin(Csin(Ot))-并送入第二乘法器相乘； (3) 第一乘法器輸出的乘積經(jīng)低通濾波器后分為兩路，其中一路經(jīng)微分后送入第=乘 法器，另一路直接送入第四乘法器；第二乘法器輸出的乘積經(jīng)低通濾波器后分為兩路，其中 一路經(jīng)微分后送入第四乘法器，另一路直接送入第=乘法器； (4) 第=乘法器輸出的乘積和第四乘法器輸出的乘積相減得到差值； (5) 對(duì)上述差值進(jìn)行積分得到積分值，解調(diào)出振動(dòng)信號(hào)。
[001U進(jìn)一步地，當(dāng)步驟（1)中所述數(shù)字干設(shè)信號(hào)為^+Scos[Can(郵+￡)COS哼+泌^時(shí)， 所述第一乘法器輸出的乘積經(jīng)低通濾波后的信號(hào)為SCcos巧:每，所述第二乘法器輸出的乘 積經(jīng)低通濾波后的信號(hào)為SCsin#);其中，^為干設(shè)場(chǎng)直流強(qiáng)度，S為干設(shè)光強(qiáng)度調(diào)制 值，C為正弦系數(shù)，《為調(diào)制載波引起的移相頻率，1)<：03嘴￡為振動(dòng)信號(hào)源引起待測(cè)目標(biāo)的 振動(dòng)量，禱)為環(huán)境擾動(dòng)引起的振動(dòng)量，巧句=Dcos邸+棘）。
[0012] 進(jìn)一步地，步驟（4)中所述差值為滬打護(hù)供。
[001引進(jìn)一步地，步驟（5)中所述積分值為護(hù)C2/貞貨，解調(diào)出的振動(dòng)信號(hào)為 身巧二￡)COS汾/ +的句。
[0014] 本發(fā)明可W采用電光調(diào)制器EOM(Electro化ticMo化Iator))調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué) 移相，利用正交鎖相+DCM(DifferentiateCrossMultiply,微波交叉相乘)解調(diào)法實(shí)現(xiàn)振 動(dòng)信號(hào)的解調(diào)。采用電光移相的方法，帶寬B值可W小到幾KHz,作為載波，帶寬B值非常 小，可大大提高振動(dòng)檢測(cè)的靈敏度。本發(fā)明提供的基于電光調(diào)制方法調(diào)制的激光多普勒正 交解調(diào)偵聽(tīng)方法，能夠W較低的成本大幅改善傳統(tǒng)零差檢測(cè)法的抗環(huán)境擾動(dòng)性，同時(shí)與傳 統(tǒng)的基于聲光移頻激光多普勒振動(dòng)檢測(cè)方法精度更高，且系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的 環(huán)境適應(yīng)性。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為信號(hào)發(fā)生單元原理框圖； 圖2為光路單元原理框圖； 圖3為解調(diào)單元原理框圖； 圖4為解調(diào)算法計(jì)算流程圖； 圖5為解調(diào)出的振動(dòng)信號(hào)波形圖。
[0016] 圖中；1激光器；2分束器；3電光調(diào)制器；4待測(cè)目標(biāo)；5振動(dòng)信號(hào)源；6第一分光棱 鏡；7第二分光棱鏡；8光電探測(cè)器；9信號(hào)發(fā)生器；10信號(hào)處理器；11DA轉(zhuǎn)換器、12AD轉(zhuǎn) 換器；I第一乘法器；II第二乘法器；III第=乘法器；IV第四乘法器。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 現(xiàn)在結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。該些附圖均為簡(jiǎn)化的示意 圖，僅W示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成，且其不應(yīng)理 解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0018] 如圖1-3所示，本發(fā)明的一種激光相位載波多普勒振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)包括圖1 所示的信號(hào)發(fā)生單元、圖2所示的光路單元和圖3所示的解調(diào)單元； 信號(hào)發(fā)生單元包括信號(hào)發(fā)生器9,信號(hào)發(fā)生器9的輸出信號(hào)分為兩路，第一路經(jīng)信號(hào)處 理器10后輸出兩路正交信號(hào)Sin(Csin(Ot))和COS(Csin(Ot)),第二路經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器 后輸出相移驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sin(Ot); 光路單元包括激光器1和電光調(diào)制器3,激光器1為窄線寬半導(dǎo)體激光器，工作波長(zhǎng)為 1550nm，頻率穩(wěn)定度為1(T7,功率穩(wěn)定度為1%，電光調(diào)制器3的調(diào)制頻率范圍為lOKHz，激光 器1輸出的光經(jīng)分束器2分為信號(hào)光和參考光，參考光輸入電光調(diào)制器3的信號(hào)輸入端，信 號(hào)光輸入第一分光棱鏡6,信號(hào)發(fā)生單元輸出的相移驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sin(Ot)輸入電光調(diào)制器3 的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)端，電光調(diào)制器3在相移驅(qū)動(dòng)信號(hào)Sin(Ot)的作用下輸出的相移參考光輸 入到第二分光棱鏡7 ;通過(guò)第一分光棱鏡6的信號(hào)光在待測(cè)目標(biāo)4表面反射后形成的返回 信號(hào)光再次進(jìn)入第一分光棱鏡6,返回信號(hào)光再反射到第二分光棱鏡7,返回信號(hào)光與相移 參考光在第二分光棱鏡7中混合并干設(shè)形成干設(shè)光，干設(shè)光輸入光電探測(cè)器8后經(jīng)處理器 輸出干設(shè)信號(hào)，光電探測(cè)器8為內(nèi)置前級(jí)放大的PIN型探測(cè)器； 解調(diào)單元為在FPGA中通過(guò)數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)的硬件模塊，包括四個(gè)乘法器、兩個(gè)低通濾波 器、兩個(gè)微分器、一個(gè)減法器和一個(gè)積分器，解調(diào)單元的輸入端連接來(lái)自信號(hào)發(fā)生單元的兩 路正交信號(hào)Sin(Csin(Ot))及COS(Csin(Ot))和來(lái)自光路單元的干設(shè)信