专利名称：一种用于振动检测的调制解调系统及方法
技术领域：
本发明涉及振动检测技术领域，尤其涉及一种用于振动检测的调制解调系统及方法。
背景技术：
随着激光多普勒测振技术的飞速发展，它已具有通常方法无法达到的精度和灵敏
度，并且可以远距离、非接触的测量各种微弱振动目标的运动速度及微小变化。激光多普勒
测振技术的高精度，抗干扰能力强，是获得高精度振动测量的有力技术手段。 激光多普勒测振技术的发展，不仅取决于激光技术本身的长期发展，同时还取决
于各种新方法的产生和器件的快速发展。激光多普勒的振动检测方法对实现有效振动检测
起到至关重要的作用。 多普勒相干测振原理是系统发出相干激光束照射到被检测物体表面，表面振动导 致到达物体表面的信号光发生多普勒频移。通过相干检测的方法可以测量多普勒频移，从 而获得物体振动的速度，振幅，频率等，从方式上可分为零差检测和外差检测两种。外差检 测中，将频率为fs的激光多普勒信号与经过声光调制器产生固定频移f+fM的变化的参考光 发生混频。探测器输出差频为AfD= f+fM-fs，再由高通滤波消除直流漂移，鉴频后获得多
普勒频移。 外差检测是利用载波技术将参考光转换成相位调制信号进行测量，提高了光电信 号的信噪比，具有抗干扰能力强，测量速度高，易于实现高测量分辨力等特点，因而在高精 密测量中一般采用外差检测的方式。
发明内容
( — )要解决的技术问题 本发明的主要目的在于提供一种用于振动检测的调制解调系统及方法，该方法利 用PZT产生的固定调相法进行调制，通过此方法可以测量出物体表面的微小振动，具有高
精度、非接触、频率响应快等显著特点。
( 二 )技术方案 为达到上述目的，本发明提供了一种用于振动检测的调制解调系统，该系统包括
振动测量的光路系统部分和后期振动信号解调部分，利用该振动测量的光路系统部分中的
PZT驱动电源对PZT产生的固定角频率w。振动，从而实现对参考光进行相位调制，调制后 的参考光与载有振动信息的信号光发生拍频，通过该后期振动信号解调部分对拍频信号的 解调来检测物体表面的微小振动。 上述方案中，所述振动测量的光路系统部分包括He-Ne激光器l、分光棱镜2、全反 射镜3、PZT 4、光学天线5、振动物体6、PZT驱动电源7和光电探测器8，其中
He-Ne激光器1发射出激光经过分光棱镜2变成两束激光，其中透过分光棱镜2的 一路为信号光，该信号光经过光学天线5照射到振动物体6上，经由振动物体6反射被光学天线5接收，最后到达分光棱镜2 ;而另一路被分光棱镜2反射的为参考光，该参考光到达 全反射镜3，全反射镜3被PZT 4进行了固定相位调制，经由PZT 4调制全反射镜3进行反 射参考光，到达分光棱镜2，此时参考光与信号光在分光棱镜2处发生了干涉并被光电探测 器8接收，最终得到振动测量的电信号。 上述方案中，所述PZT 4作为相位调制器用于进行相位调制，产生固定的相位变 化，PZT驱动电源7给PZT 4—个角频率"。的驱动信号，使PZT 4发生固定频率"。振动， 使其对参考光进行相位调制，最终与信号光发生光拍干涉。
上述方案中，所述光电探测器8为APD 。 上述方案中，所述后期振动信号解调部分包括第一混频器24、第二混频器25、第 一乘法器30、第二乘法器31、减法器32、第一低通滤波器26、第二低通滤波器27、第一微分 处理器28、第二微分处理器29、积分处理器33、高通滤波器34、本振信号21、第一混频信号 22和第二混频信号23，其中 本振信号21分为两路一路与第一混频信号22Gcos (" 。t)经第一混频器24混频 后经过第一低通滤波器26后又分成两部分，其中一部分到达第二乘法器31，另一部分经由 第一微分处理器28处理后到达第一乘法器30 ; 本振信号21分出的另一路与第二混频信号23Hcos(2"。t)经第二混频器25发生 混频后通过第二低通滤波器27后也变为两路一路到达第一乘法器30，另一路经第二微分 处理器29处理后到达第二乘法器31 ; 在第一乘法器30处的信号与在第二乘法器31处的信号在减法器32处相减后经
积分处理器33作用后通过高通滤波器34最终振动信号35被解调出来。 为达到上述目的，本发明提供了一种用于振动检测的调制解调方法，该方法应用
于所述的用于振动检测的调制解调系统，该方法利用PZT驱动电源对PZT产生的固定角频
率w。振动从而实现对参考光进行相位调制，调制后的参考光与载有振动信息的信号光发
生拍频，通过对拍频信号的解调来检测物体表面的微小振动。 上述方案中，所述振动测量的光路系统部分包括He-Ne激光器l、分光棱镜2、全反 射镜3、PZT 4、光学天线5、振动物体6、PZT驱动电源7和光电探测器8，其中
He-Ne激光器1发射出激光经过分光棱镜2变成两束激光，其中透过分光棱镜2的 一路为信号光，该信号光经过光学天线5照射到振动物体6上，经由振动物体6反射被光学 天线5接收，最后到达分光棱镜2 ;而另一路被分光棱镜2反射的为参考光，该参考光到达 全反射镜3，全反射镜3被PZT 4进行了固定相位调制，经由PZT 4调制全反射镜3进行反 射参考光，到达分光棱镜2，此时参考光与信号光在分光棱镜2处发生了干涉并被光电探测 器8接收，最终得到电信号。 上述方案中，所述后期振动信号解调部分包括第一混频器24、第二混频器25、第 一乘法器30、第二乘法器31、减法器32、第一低通滤波器26、第二低通滤波器27、第一微分 处理器28、第二微分处理器29、积分处理器33、高通滤波器34、本振信号21、第一混频信号 22和第二混频信号23，其中 本振信号21分为两路一路与第一混频信号22Gcos (" 。t)经第一混频器24混频 后经过第一低通滤波器26后又分成两部分，其中一部分到达第二乘法器31，另一部分经由 第一微分处理器28处理后到达第一乘法器30 ;
本振信号21分出的另一路与第二混频信号23Hcos (2 " 。t)经第二混频器25发生 混频后通过第二低通滤波器27后也变为两路一路到达第一乘法器30，另一路经第二微分 处理器29处理后到达第二乘法器31 ; 在第一乘法器30处的信号与在第二乘法器31处的信号在减法器32处相减后经 积分处理器33作用后通过高通滤波器34最终振动信号35被解调出来。
(三)有益效果 本发明提供的这种用于振动检测的调制解调系统及方法，光路结构简单，利用了 PZT的振动产生一个固有的相位调制，后期通过相位解调，可以检测出物体表面的微小振 动，此方法具有高精度、非接触、频率响应快等显著特点。
图1为本发明提供的用于振动检测的调制解调系统中振动测量的光路系统部分 的结构示意图； 图2为本发明提供的用于振动检测的调制解调系统中后期振动信号解调部分的 结构示意图。 图中He-Ne激光器l、分光棱镜2、全反射镜3、PZT 4、光学天线5、振动物体6、PZT 驱动电源7、光电探测器8、第一混频器24、第二混频器25、第一乘法器30、第二乘法器31、 减法器32、第一低通滤波器26、第二低通滤波器27、第一微分处理器28、第二微分处理器 29、积分处理器33、高通滤波器34、本振信号21、第一混频信号22、第二混频信号23。
具体实施例方式
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，对本发明进一步详细说明。 本发明提供的这种用于振动检测的调制解调系统，包括振动测量的光路系统部分 和后期振动信号解调部分，利用该振动测量的光路系统部分中的PZT驱动电源对PZT产生 的固定角频率w。振动，从而实现对参考光进行相位调制，调制后的参考光与载有振动信息
的信号光发生拍频，通过该后期振动信号解调部分对拍频信号的解调来检测物体表面的微 小振动。 如图1所示，图1为本发明提供的用于振动检测的调制解调系统中振动测量的光 路系统部分的结构示意图。振动测量的光路系统部分包括He-Ne激光器1、分光棱镜2、全 反射镜3、PZT 4、光学天线5、振动物体6、PZT驱动电源7和光电探测器8。
其中，He-Ne激光器1发射出激光经过分光棱镜2变成两束激光，其中透过分光棱 镜2的一路为信号光，该信号光经过光学天线5照射到振动物体6上，经由振动物体6反射 被光学天线5接收，最后到达分光棱镜2 ;而另一路被分光棱镜2反射的为参考光，该参考 光到达全反射镜3，全反射镜3被PZT 4进行了固定相位调制，经由PZT 4调制全反射镜3 进行反射参考光，到达分光棱镜2，此时参考光与信号光在分光棱镜2处发生了干涉并被光 电探测器8接收，最终得到电信号。 PZT 4作为相位调制器用于进行相位调制，产生固定的相位变化，PZT驱动电源7 给PZT 4—个角频率"。的驱动信号，使PZT 4发生固定频率"。振动，使其对参考光进行
6相位调制，最终与信号光发生光拍干涉。光电探测器8为APD。 如图2所示，图2为本发明提供的用于振动检测的调制解调系统中后期振动信号 解调部分的结构示意图。后期振动信号解调部分包括第一混频器24、第二混频器25、第一 乘法器30、第二乘法器31、减法器32、第一低通滤波器26、第二低通滤波器27、第一微分处 理器28、第二微分处理器29、积分处理器33、高通滤波器34、本振信号21、第一混频信号22 和第二混频信号23。 其中，本振信号21分为两路一路与第一混频信号22Gcos (" 。t)经第一混频器24 混频后经过第一低通滤波器26后又分成两部分，其中一部分到达第二乘法器31，另一部分 经由第一微分处理器28处理后到达第一乘法器30 ; 本振信号21分出的另一路与第二混频信号23Hcos (2 " 。t)经第二混频器25发生 混频后通过第二低通滤波器27后也变为两路一路到达第一乘法器30，另一路经第二微分 处理器29处理后到达第二乘法器31 ; 在第一乘法器30处的信号与在第二乘法器31处的信号在减法器32处相减后经
积分处理器33作用后通过高通滤波器34最终振动信号35被解调出来。 基于图1和图2所示的用于振动检测的调制解调系统，本发明还提供了一种用于
振动检测的调制解调方法，该方法利用PZT驱动电源对PZT产生的固定角频率co。振动从
而实现对参考光进行相位调制，调制后的参考光与载有振动信息的信号光发生拍频，通过
对拍频信号的解调来检测物体表面的微小振动。 在振动测量的光路系统部分，He-Ne激光器1发射出激光经过分光棱镜2变成两 束激光，其中透过分光棱镜2的一路为信号光，该信号光经过光学天线5照射到振动物体6 上，经由振动物体6反射被光学天线5接收，最后到达分光棱镜2 ;而另一路被分光棱镜2 反射的为参考光，该参考光到达全反射镜3，全反射镜3被PZT4进行了固定相位调制，经由 PZT4调制全反射镜3进行反射参考光，到达分光棱镜2，此时参考光与信号光在分光棱镜2 处发生了干涉并被光电探测器8接收，最终得到电信号。 在后期振动信号解调部分，本振信号21分为两路一路与第一混频信号 22Gcos (co 。t)经第一混频器24混频后经过第一低通滤波器26后又分成两部分，其中一部 分到达第二乘法器31 ，另一部分经由第一微分处理器28处理后到达第一乘法器30 ;本振信 号21分出的另一路与第二混频信号23Hcos(2"。t)经第二混频器25发生混频后通过第二 低通滤波器27后也变为两路一路到达第一乘法器30，另一路经第二微分处理器29处理后 到达第二乘法器31 ;在第一乘法器30处的信号与在第二乘法器31处的信号在减法器32处 相减后经积分处理器33作用后通过高通滤波器34最终振动信号35被解调出来。
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，所应理解的是，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。
权利要求
一种用于振动检测的调制解调系统，其特征在于，该系统包括振动测量的光路系统部分和后期振动信号解调部分，利用该振动测量的光路系统部分中的PZT驱动电源对PZT产生的固定角频率ω0振动，从而实现对参考光进行相位调制，调制后的参考光与载有振动信息的信号光发生拍频，通过该后期振动信号解调部分对拍频信号的解调来检测物体表面的微小振动。
2. 根据权利要求1所述的用于振动检测的调制解调系统，其特征在于，所述振动测量 的光路系统部分包括He-Ne激光器(1)、分光棱镜(2)、全反射镜(3) 、 PZT(4)、光学天线 (5)、振动物体(6)、PZT驱动电源(7)和光电探测器(S)，其中:He-Ne激光器(1)发射出激光经过分光棱镜(2)变成两束激光，其中透过分光棱镜(2) 的一路为信号光，该信号光经过光学天线(5)照射到振动物体(6)上，经由振动物体(6)反 射被光学天线(5)接收，最后到达分光棱镜(2);而另一路被分光棱镜(2)反射的为参考 光，该参考光到达全反射镜(3)，全反射镜(3)被PZT(4)进行了固定相位调制，经由PZT(4) 调制全反射镜(3)进行反射参考光，到达分光棱镜(2)，此时参考光与信号光在分光棱镜 (2)处发生了干涉并被光电探测器(8)接收，最终得到振动测量的电信号。
3. 根据权利要求2所述的用于振动检测的调制解调系统，其特征在于，所述PZT(4)作 为相位调制器用于进行相位调制，产生固定的相位变化，PZT驱动电源(7)给PZT(4) —个 角频率"。的驱动信号，使PZT(4)发生固定频率"。振动，使其对参考光进行相位调制，最 终与信号光发生光拍干涉。
4. 根据权利要求2所述的用于振动检测的调制解调系统，其特征在于，所述光电探测 器(8)为APD。
5. 根据权利要求1所述的用于振动检测的调制解调系统，其特征在于，所述后期振动 信号解调部分包括第一混频器(24)、第二混频器(25)、第一乘法器(30)、第二乘法器(31)、 减法器(32)、第一低通滤波器(26)、第二低通滤波器(27)、第一微分处理器(28)、第二微分 处理器(29)、积分处理器(33)、高通滤波器(34)、本振信号(21)、第一混频信号(22)和第 二混频信号(23)，其中本振信号(21)分为两路一路与第一混频信号(22)Gcos("。t)经第一混频器(24)混 频后经过第一低通滤波器(26)后又分成两部分，其中一部分到达第二乘法器(31)，另一部 分经由第一微分处理器(28)处理后到达第一乘法器(30);本振信号(21)分出的另一路与第二混频信号(23)Hcos(2"。t)经第二混频器(25)发 生混频后通过第二低通滤波器(27)后也变为两路一路到达第一乘法器(30)，另一路经第 二微分处理器(29)处理后到达第二乘法器(31);在第一乘法器(30)处的信号与在第二乘法器(31)处的信号在减法器(32)处相减后 经积分处理器(33)作用后通过高通滤波器(34)最终振动信号(35)被解调出来。
6. —种用于振动检测的调制解调方法，该方法应用于权利要求1所述的用于振动检测 的调制解调系统，其特征在于，该方法利用PZT驱动电源对PZT产生的固定角频率co。振动 从而实现对参考光进行相位调制，调制后的参考光与载有振动信息的信号光发生拍频，通 过对拍频信号的解调来检测物体表面的微小振动。
7. 根据权利要求6所述的用于振动检测的调制解调方法，其特征在于，所述振动测量 的光路系统部分包括He-Ne激光器(1)、分光棱镜(2)、全反射镜(3) 、 PZT(4)、光学天线(5)、振动物体(6)、PZT驱动电源(7)和光电探测器(S)，其中:He-Ne激光器(1)发射出激光经过分光棱镜(2)变成两束激光，其中透过分光棱镜(2) 的一路为信号光，该信号光经过光学天线(5)照射到振动物体(6)上，经由振动物体(6)反 射被光学天线(5)接收，最后到达分光棱镜(2);而另一路被分光棱镜(2)反射的为参考 光，该参考光到达全反射镜(3)，全反射镜(3)被PZT(4)进行了固定相位调制，经由PZT(4) 调制全反射镜(3)进行反射参考光，到达分光棱镜(2)，此时参考光与信号光在分光棱镜 (2)处发生了干涉并被光电探测器(8)接收，最终得到电信号。
8.根据权利要求6所述的用于振动检测的调制解调方法，其特征在于，所述后期振动 信号解调部分包括第一混频器(24)、第二混频器(25)、第一乘法器(30)、第二乘法器(31)、 减法器(32)、第一低通滤波器(26)、第二低通滤波器(27)、第一微分处理器(28)、第二微分 处理器(29)、积分处理器(33)、高通滤波器(34)、本振信号(21)、第一混频信号(22)和第 二混频信号(23)，其中本振信号(21)分为两路一路与第一混频信号(22)Gcos("。t)经第一混频器(24)混 频后经过第一低通滤波器(26)后又分成两部分，其中一部分到达第二乘法器(31)，另一部 分经由第一微分处理器(28)处理后到达第一乘法器(30);本振信号(21)分出的另一路与第二混频信号(23)Hcos(2"。t)经第二混频器(25)发 生混频后通过第二低通滤波器(27)后也变为两路一路到达第一乘法器(30)，另一路经第 二微分处理器(29)处理后到达第二乘法器(31);在第一乘法器(30)处的信号与在第二乘法器(31)处的信号在减法器(32)处相减后 经积分处理器(33)作用后通过高通滤波器(34)最终振动信号(35)被解调出来。
全文摘要
本发明涉及振动检测技术领域，公开了一种用于振动检测的调制解调系统及方法。该系统包括振动测量的光路系统部分和后期振动信号解调部分，利用该振动测量的光路系统部分中的PZT驱动电源对PZT产生的固定角频率ω0振动，从而实现对参考光进行相位调制，调制后的参考光与载有振动信息的信号光发生拍频，通过后期振动信号解调部分对拍频信号的解调来检测物体表面的微小振动。利用本发明提供的这种用于振动检测的调制解调系统及方法，光路结构简单，利用了PZT的振动产生一个固有的相位调制，后期通过相位解调，可以检测出物体表面的微小振动，此方法具有高精度、非接触、频率响应快等显著特点。
文档编号G01H9/00GK101706317SQ20091024169
公开日2010年5月12日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者何军, 周燕, 曾华林, 李丽艳 申请人:中国科学院半导体研究所