一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统及解调方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统，并设及一种激光相位 载波多普勒振动信号的解调方法，尤其设及一种基于正交解调的一种激光相位载波多普勒 振动信号的检测系统及解调方法。
【背景技术】
[0002] 振动检测技术目前应用越来越广泛，而且要求越来越高，要求能够对待测目标微 小的振动幅度进行检测，从而获取更多信息或及时发现所存在的隐患，即对于振动侦听技 术而言，希望能检测到的物体振动幅度越小越好，而据化terB等发表的Randomspeckle ModulationTechniqueforLaserInte;rfe;romet;ry中报道；夕h差干设检测的精度表达如 下公式所示： a二林/40 )(化vB/P n ) 1/2K-1 其中^为波长，h为普朗克常数，B为带宽，P为接收功率，n为光电转换效率，V为 激光波长，K为常数。
[0003] 由此可知，当B越小时，可探测到的物体振动值越小，而采用传统的声光移频方法 作为外差移频，其B值一般大于40MHz，因此相对B值较小的移相器件其探测精度更高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为解决目前采用声光移方法作为外差移频时带宽B值太大，导致 振动检测灵敏度低的技术问题。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系 统，包括信号发生单元、光路单元和解调单元； 所述信号发生单元包括信号发生器，信号发生器的输出信号分为两路，第一路经信号 处理器后输出两路正交信号sin(Csin(Wt))和COS(Csin(Wt))，第二路经DA转换器 后输出相移驱动信号Sin(Ot); 所述光路单元包括激光器和电光调制器，激光器输出的光经分束器分为信号光和参考 光，参考光输入电光调制器的信号输入端，信号光输入第一分光棱镜，所述信号发生单元输 出的相移驱动信号Sin(Ot)输入电光调制器的电信号驱动端，电光调制器在相移驱动信 号Sin(Ot)的作用下输出的相移参考光输入到第二分光棱镜；通过第一分光棱镜的信号 光在待测目标表面反射后形成的返回信号光再次进入第一分光棱镜，返回信号光再反射到 第二分光棱镜，返回信号光与相移参考光在第二分光棱镜中混合并干设形成干设光，干设 光输入光电探测器后经处理器输出干设信号； 所述解调单元包括四个乘法器、两个低通滤波器、两个微分器、一个减法器和一个积分 器，解调单元的输入端连接来自所述信号发生单元的两路正交信号sin(Csin(Ot))及COS (Csin(?t))和来自光路单元的干设信号，干设信号经AD转换器后分为两路，其中一路与 COS(Csin(Ot))-并送入第一乘法器相乘，另一路与sin(Csin(Ot))-并送入第二乘 法器相乘；第一乘法器输出的乘积经一低通滤波器后分为两路，其中一路经一微分器后送 入第=乘法器，另一路直接送入第四乘法器，第二乘法器输出的乘积经另一低通滤波器后 分为两路，其中一路经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 法器输出的乘积和第四乘法器输出的乘积送入减法器，减法器输出的差送入积分器；《为 所述电光调制器调制载波引起的移相频率； 所述第一分光棱镜正对所述待测目标的一侧，待测目标的另一侧设有振动信号源，为 待测目标提供振动信号。
[0006] 进一步地，所述激光器为窄线宽半导体激光器，工作波长为1550nm，频率稳定度为 1(T，功率稳定度为1%。
[0007] 进一步地，所述电光调制器的调制频率范围为lOKHz。
[0008] 进一步地，所述光电探测器为内置前级放大的PIN型探测器。
[0009] 进一步地，所述解调单元为在FPGA中通过数字逻辑实现的硬件模块。
[0010] 为了解决上述技术问题，本发明还提供一种激光相位载波多普勒振动信号的解调 方法，采用正交锁相+DCM解调方法，包括如下步骤： (1) 选择两路正交信号Sin(Csin(Ot))及COS(Csin(Ot))和一路模拟干设信号， 模拟干设信号经AD转换器后分为两路数字干设信号，作为解调输入参数；《为调制载波引 起的移相频率； (2) 其中一路数字干设信号与COS(Csin(Ot))-并送入第一乘法器相乘，另一路数 字干设信号与Sin(Csin(Ot))-并送入第二乘法器相乘； (3) 第一乘法器输出的乘积经低通滤波器后分为两路，其中一路经微分后送入第=乘 法器，另一路直接送入第四乘法器；第二乘法器输出的乘积经低通滤波器后分为两路，其中 一路经微分后送入第四乘法器，另一路直接送入第=乘法器； (4) 第=乘法器输出的乘积和第四乘法器输出的乘积相减得到差值； (5) 对上述差值进行积分得到积分值，解调出振动信号。
[001U进一步地，当步骤（1)中所述数字干设信号为^+Scos[Can(邮+￡)COS哼+泌^时， 所述第一乘法器输出的乘积经低通滤波后的信号为SCcos巧:每，所述第二乘法器输出的乘 积经低通滤波后的信号为SCsin#);其中，^为干设场直流强度，S为干设光强度调制 值，C为正弦系数，《为调制载波引起的移相频率，1)<：03嘴￡为振动信号源引起待测目标的 振动量，祷)为环境扰动引起的振动量，巧句=Dcos邸+棘）。
[0012] 进一步地，步骤（4)中所述差值为沪打护供。
[001引进一步地，步骤（5)中所述积分值为护C2/貞货，解调出的振动信号为 身巧二￡)COS汾/ +的句。
[0014] 本发明可W采用电光调制器EOM(Electro化ticMo化Iator))调制来实现光学 移相，利用正交锁相+DCM(DifferentiateCrossMultiply,微波交叉相乘)解调法实现振 动信号的解调。采用电光移相的方法，带宽B值可W小到几KHz,作为载波，带宽B值非常 小，可大大提高振动检测的灵敏度。本发明提供的基于电光调制方法调制的激光多普勒正 交解调侦听方法，能够W较低的成本大幅改善传统零差检测法的抗环境扰动性，同时与传 统的基于声光移频激光多普勒振动检测方法精度更高，且系统光学结构简单，具有良好的 环境适应性。
【附图说明】
[0015] 图1为信号发生单元原理框图； 图2为光路单元原理框图； 图3为解调单元原理框图； 图4为解调算法计算流程图； 图5为解调出的振动信号波形图。
[0016] 图中；1激光器；2分束器；3电光调制器；4待测目标；5振动信号源；6第一分光棱 镜；7第二分光棱镜；8光电探测器；9信号发生器；10信号处理器；11DA转换器、12AD转 换器；I第一乘法器；II第二乘法器；III第=乘法器；IV第四乘法器。
【具体实施方式】
[0017] 现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。该些附图均为简化的示意 图，仅W示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，且其不应理 解为对本发明的限制。
[0018] 如图1-3所示，本发明的一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统包括图1 所示的信号发生单元、图2所示的光路单元和图3所示的解调单元； 信号发生单元包括信号发生器9,信号发生器9的输出信号分为两路，第一路经信号处 理器10后输出两路正交信号Sin(Csin(Ot))和COS(Csin(Ot)),第二路经DA转换器 后输出相移驱动信号Sin(Ot); 光路单元包括激光器1和电光调制器3,激光器1为窄线宽半导体激光器，工作波长为 1550nm，频率稳定度为1(T7,功率稳定度为1%，电光调制器3的调制频率范围为lOKHz，激光 器1输出的光经分束器2分为信号光和参考光，参考光输入电光调制器3的信号输入端，信 号光输入第一分光棱镜6,信号发生单元输出的相移驱动信号Sin(Ot)输入电光调制器3 的电信号驱动端，电光调制器3在相移驱动信号Sin(Ot)的作用下输出的相移参考光输 入到第二分光棱镜7 ;通过第一分光棱镜6的信号光在待测目标4表面反射后形成的返回 信号光再次进入第一分光棱镜6,返回信号光再反射到第二分光棱镜7,返回信号光与相移 参考光在第二分光棱镜7中混合并干设形成干设光，干设光输入光电探测器8后经处理器 输出干设信号，光电探测器8为内置前级放大的PIN型探测器； 解调单元为在FPGA中通过数字逻辑实现的硬件模块，包括四个乘法器、两个低通滤波 器、两个微分器、一个减法器和一个积分器，解调单元的输入端连接来自信号发生单元的两 路正交信号Sin(Csin(Ot))及COS(Csin(Ot))和来自光路单元的干设信