一种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作点控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作点控制方法，其核心包括误差信号提取与补偿信号生成两部分、通过直接高频调制光源的方式从单路干涉信号中提取出误差信号、通过低频控制信号对光源直接调制的方式生成补偿信号消除相位漂移，通过高频、低频调制信号的配合直接调节干涉光源频率，实现干涉传感闭环工作点无源控制，保证干涉测量系统始终工作在最灵敏的线性区域。该方法完全基于原始干涉系统，在保证系统的可靠性与稳定性同时，解决了相位漂移问题，为干涉信号解调方案提供了一种新的无源闭环工作点控制方法；本发明适合干涉型传感器信号解调工作。
【专利说明】
一种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作点控制 方法
技术领域：
[0001] 本发明涉及干涉测量解调算法，特别是涉及一种非平衡干涉测量系统混合频率调 制的无源工作点控制方法，属于光学领域。
【背景技术】：
[0002] 相位漂移现象是干涉测量中普遍存在的问题，对解调结果的准确度具有巨大影 响。相位漂移主要是由于外界环境变化与自身不稳定因素相互叠加而诱发干涉仪初始相位 的随机变化，引起系统工作点偏离正交工作点，导致解调信号起伏、衰落乃至消失。为了从 干涉信号中准确的恢复出待测信号，出现了多种解调算法。闭环工作点控制法就是众多解 调算法中的一种，其通过实时反馈补偿机制使干涉仪始终运行在正交工作点附近，消除相 位衰落影响，从而实现高灵敏度、高稳定度的线性解调，精确恢复出待测信号。
[0003] 传统的闭环工作点控制法是指在干涉型传感器参考光路中引入压电陶瓷作为相 位调制器，通过压电陶瓷的位移生成补偿信号，由于有源器件的引入，大大降低了系统的可 靠性和稳定性，提高了系统的复杂性；同时该方法需要干涉仪输出两个互补的干涉信号以 生成相位跟踪信号，大大限制了该方法的普适性。
【发明内容】
：
[0004] 本发明的目的在于提供一种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作点控 制方法。
[0005] 本发明采用的技术方案是：
[0006] -种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作点控制方法，其特征在于:所 述非平衡干涉测量系统包括干涉光源以及测量用的非平衡干涉仪，通过直接调制干涉光源 的方式实现该测量系统无源工作点的控制，通过对干涉光源先进行高频调制信号直接调制 获取该测量系统误差信号，该误差信号经处理后转换为低频调制控制信号，将高频调制控 制信号与低频调制控制信号混合，共同调制干涉光源，实现干涉光源的混合频率调制，通过 高频调制控制信号提取出干涉测量系统的误差信号，通过低频调制控制信号获取干涉测量 系统的补偿信号消除相位漂移，进而实现该测量系统的闭环工作点的无源控制，保证该测 量系统始终工作在最灵敏的线性区域。
[0007] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的干涉光源应采取调制性能稳定，调制带 宽合适的激光器，以确保整个调制过程顺利进行。
[0008] 作为上述技术方案的进一步改进，干涉光源应采取功率稳定好、频率稳定好、窄线 宽、抗干扰能力强的激光器，以保证干涉传感器本底噪声最小。
[0009] 作为上述技术方案的进一步改进，干涉光源为半导体激光器光源。
[0010] 所述的误差信号是指干涉探测系统工作点偏离正交工作点的程度，该值主要受相 位漂移影响，指示干涉探测系统的工作状态;所述的误差信号提取是指通过对干涉光源施 加高频余弦调制控制信号，经干涉型传感器生成具有一定特征的干涉信号，实现相应误差 信号的提取。
[0011]所述的补偿信号用于补偿干涉测量系统因外界因素导致的相位漂移，补偿信号有 效消除相位漂移，将干涉测量系统工作点拉回正交工作点；所述的补偿信号生成是指通过 对干涉光源施加低频调制控制信号，生成一定的频移信号，经干涉型传感器作用转换为补 偿相位信号。
[0012] 作为上述技术方案的进一步改进，所述高频调制控制信号的频率数量级高于干涉 光源的待测信号的频率，以防止与干涉光源的待测信号混淆。
[0013] 作为上述技术方案的进一步改进，高频调制信号幅值的设置要综合考虑光源调制 特性、干涉系统臂差等因素，形成合适的相位调制深度，保证误差信号的提取精度。
[0014] 所述的高频调制控制信号和低频调制控制信号混合时采用加法器混合，作为上述 技术方案的进一步改进，所述的加法器应采取性能良好的加法器，以尽量降低噪声的引入， 影响干涉光源工作的稳定性。
[0015] 作为上述技术方案的进一步改进，反馈系统采样周期要根据待测信号确定，以保 证低频控制信号频率与待测信号不会混淆。
[0016] 本发明的理论依据是：
[00?7] 无论是Mach-zehnder干涉仪还是Mache 1 son干涉仪，其输出干涉信号都可以表示 为
[0018] / -- A + B cos(^, + φ：ι + ) Cl)
[0019] 式中A和B是与输入光功率有关的常数，B还与干涉条纹对比度相关；
[0020] # =钓+ %+麫是干涉仪参考臂和信号臂总的相位差；
[0021 ]蚝为干涉仪两臂初始相位差，与臂长差直接相关；
[0022] %为外界环境变化(温度变化、机械振动等）引起的随机相位噪声，一般情况下为 低频大信号；
[0023] 死为待测相位信号，与待测物理量直接相关，一般为高频小信号，即c〇Sg d ;结合 上述实际情况与三角函数性质，可将公式(1)简化为
[0024] / .:< Ssin(识,-f ^>")sin 识、 (2)
[0025] 可见，若％ +死(η为整数）时，系统响应最大，处于最灵敏的区域，此时 系统处于正交工作点；但见受外界环境变化影响会产生随机漂移，导致系统偏离最佳工作 点，即相位衰落现象;极端情况下％ +灼(η为整数），则直接造成待测相位信号消隐，无 法实现信号的解调工作，可见，要实现系统长时间稳定工作，必须有效控制相位衰落现象。
[0026] 闭环工作点控制方法通过实时提取指示系统工作点状态的误差信号，并根据误差 信号生成相应的补偿信号，消除相位漂移，形成系统闭环，从而保证％ +仍，长时间稳定的锁 定在正交工作点区域。
[0027] 误差信号提取：当向光源施加高频余弦调制时，干涉信号中引入了一个大幅度的 相位信号，此时公式(1)须改写为
[0028] I =A+Bcos(Ccos( ω t) + Φ ) (3)
[0029] 由于大幅高频余弦调制信号的引入，原本的正弦干涉信号变为具有一定特征的调 制干涉波形，具体如图1所示，其中C为调制深度，与余弦信号幅值相关，具体如图1所示，在 一定范围内，C与Δ Vi+ Δ v2呈正比关系，C值增大，则Δ V# Δ v2的值也增大，反之，Δ Vi+ Δ v2 的值也减小；Φ为干涉仪两臂总相位差，一般由于待测相位较小，Φ即为系统工作点，若Φ = ηπ±π/2,系统处于正交工作点，调制后的干涉波形呈上下对称波形，Δ Vi= Δ V2, Δ V = 0; 若φ乒nJI±JI/2,则Δ Δ V2, Δ V乒〇,所以，Δ V可作为指示系统工作状态的闭环工作点控 制?目号。ω为调制频率，
[0030] 通过设定合适的调制深度C，使Δ V# Δ ν2的值处于较理想范围内。采集一段足够长 的数据，保证数据段内连续出现波峰、波谷、波峰与波谷、波峰、波谷，且前两个波峰幅值基 本相同，后两个波谷基本相同，这样即可获得处于前两波峰中间的波谷值V valle3y，处于两波 谷中间的波峰值Vpuk，整段数据中值Vidian，这样
[0031] AVl = Vvalley-Vmedian (4)
[0032] AV2 = Vmedian-Vpeak (5)
[0033] 误差彳目号Δ V= Δ Vi_ Δ V2，从而完成了误差彳目号的提取。
[0034]补偿信号的生成:根据干涉原理，前述干涉仪两臂总的相位差也可表示为
[0036]相应的相位差变化量可表示为
[0038] 式中，c为真空中光速，nl为光程差，v为光频。可见，改变光程差、光频与折射率中 的任意一项，均可在干涉系统中生成相应的相位变化，从而补偿系统相位漂移，实现工作点 控制，这就是闭环工作点控制方法的理论基础。
[0039] 专利中采取光频调节的方式生成补偿信号，将指示干涉系统工作状态的误差信号 A V进行相应处理后，生成低频控制信号直接驱动光源形成一定频移，该频移经臂长差转化 后在系统工作点Φ中引入了补偿相位信号爲^，这样系统工作点变为
[0041]系统工作点被拉回正交工作点处，消除了系统相位漂移。
[0042]本发明的有益效果是：
[0043] 本发明通过对光源进行混合频率调制的方式实现了闭环工作点无源控制，通过直 接对干涉光源高频调制从干涉信号中提取误差信号，不需要要求系统输出两路互补的干涉 信号，简化了系统，同时通过低频调节干涉光源，直接控制光频生成补偿相位信号，不需要 在干涉传感器参考光路中引入压电陶瓷作为相位调制器，保证了传感光路无源，提高了系 统的可靠性和稳定性，光源混合频率调制的闭环工作点无源控制方法完全基于原始干涉系 统，在保证系统的可靠性与稳定性同时，解决了相位漂移问题，为干涉信号解调方案提供了 一种新的无源闭环工作点控制方法。
[0044] 本发明的优点是：
[0045] 1.通过直接对干涉光源高频调制的方式从单路干涉信号中提取出误差信号，无须 输出两路互补的干涉信号，简化了系统；
[0046] 2.通过低频调节干涉光源的方式，直接控制光频生成补偿相位信号，不需要在干 涉传感器参考光路中引入压电陶瓷作为相位调制器，保证了传感光路无源，提高了系统的 可靠性和稳定性；
[0047] 3.完全基于原始干涉系统，充分利用系统原有器件性能，不增加额外器件，解决了 相位漂移问题，为干涉信号解调方案提供了一种新的无源闭环工作点控制方法。
【附图说明】：
[0048] 下面将结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步说明
[0049] 图1干涉信号相位调制原理图（内调制）；
[0050] 图2为光源混合频率调制控制流程图，其中1、激光控制器;2、半导体激光器;3、干 涉装置;4、信号处理模块;5、信号发生器;6、加法器。
[0051] 图3光源混合频率调制的闭环工作点无源控制光热干涉测试系统，其中1、信号发 生器;2、加法器;3、半导体激光器、4、光纤环形器;5、光纤准直器;6、高反镜;7、压电陶瓷;8、 信号发生器;9、锁相放大器；10、光电探测器；11、误差信号提取模块；12、减法器；13、积分 器;14、带通滤波器；
[0052]图4开环状态下、系统工作点的随机漂移 [0053]图5闭环状态下、系统工作点变化趋势；
[0054] 图6闭环状态下、干涉仪输出信号(a)短时间(b)长时间；
【具体实施方式】：
[0055] -种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作点控制方法，所述非平衡干涉 测量系统包括干涉光源以及测量用的非平衡干涉仪，通过直接调制干涉光源的方式实现该 测量系统无源工作点的控制，通过对干涉光源先进行高频调制信号直接调制获取该测量系 统误差信号，该误差信号经处理后转换为低频调制控制信号，将高频调制控制信号与低频 调制控制信号混合，共同调制干涉光源，实现干涉光源的混合频率调制，通过高频调制控制 信号提取出干涉测量系统的误差信号，通过低频调制控制信号获取干涉测量系统的补偿信 号消除相位漂移，进而实现该测量系统的闭环工作点的无源控制，保证该测量系统始终工 作在最灵敏的线性区域。
[0056] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的干涉光源应采取调制性能稳定，调制带 宽合适的激光器，以确保整个调制过程顺利进行；
[0057] 作为上述技术方案的进一步改进，干涉光源应采取功率稳定好、频率稳定好、窄线 宽、抗干扰能力强的激光器，以保证干涉传感器本底噪声最小；
[0058]作为上述技术方案的进一步改进，干涉光源为半导体激光器光源，
[0059] 所述的误差信号是指干涉探测系统工作点偏离正交工作点的程度，该值主要受相 位漂移影响，指示干涉探测系统的工作状态;所述的误差信号提取是指通过对干涉光源施 加高频余弦调制控制信号，经干涉型传感器生成具有一定特征的干涉信号，实现相应误差 信号的提取。
[0060] 所述的补偿信号用于补偿干涉测量系统因外界因素导致的相位漂移，补偿信号有 效消除相位漂移，将干涉测量系统工作点拉回正交工作点；所述的补偿信号生成是指通过 对干涉光源施加低频调制控制信号，生成一定的频移信号，经干涉型传感器作用转换为补 偿相位信号。
[0061] 作为上述技术方案的进一步改进，所述高频调制控制信号的频率数量级高于干涉 光源的待测信号的频率，以防止与干涉光源的待测信号混淆。
[0062] 作为上述技术方案的进一步改进，高频调制信号幅值的设置要综合考虑光源调制 特性、干涉系统臂差等因素，形成合适的相位调制深度，保证误差信号的提取精度。
[0063] 所述的高频调制控制信号和低频调制控制信号混合时采用加法器混合，作为上述 技术方案的进一步改进，所述的加法器应采取性能良好的加法器，以尽量降低噪声的引入， 影响干涉光源工作的稳定性。
[0064] 作为上述技术方案的进一步改进，反馈系统采样周期要根据待测信号确定，以保 证低频控制信号频率与待测信号不会混淆。
[0065] 如图2所示为本发明的具体控制流程图，所述的干涉光源选择为半导体激光器，所 述的干涉光源的混合频率调制信号含有两部分:一部分为用于生成指示系统工作状态的高 频调制信号，该部分采用高频余弦信号(大于l〇 3Hz)，以防止与待测信号（102Hz左右)发生混 淆；另一部分为补偿系统相位漂移的低频工作点控制信号，该部分通常工作点漂移相对缓 慢(小于10 1?)，稳定条件下甚至趋于直流信号，这样形成了一个高频、中频、低频三种信号 互不干扰、相互配合的合理搭配。光源混合频率调制的闭环工作点无源控制方法通过干涉 光源高频调制的方式，从干涉信号中提取误差信号，同时低频调节干涉光源，直接控制光频 生成补偿相位信号，实现闭环工作点的无源控制。光源混合频率调制的闭环工作点无源控 制方法完全基于原始非平衡干涉系统，在保证系统的可靠性与稳定性同时，解决了相位漂 移问题，为干涉信号解调方案提供了一种新的无源闭环工作点控制方法。
[0066] 具体实施流程为：
[0067] (1)在首次运行中，信号发生器5生成一定幅度的高频余弦频率调制信号，经加法 器6后注入到激光器控制器1，此时加法器的另一路无输入信号，处于零状态；
[0068] (2)高频余弦频率调制信号经激光控制器1转化后注入到半导体激光器2中，半导 体激光器2生成具有相应调制深度的频率载波激光，作为干涉装置3的干涉光源；
[0069] (3)载波激光注入到干涉装置3后、经非平衡干涉仪作用，生成具有一定特征的干 涉信号；
[0070] (4)上述干涉信号随后输入到信号处理模块4中，经处理提取出误差信号，进一步 根据误差信号生成低频控制信号，信号处理模块4最后输出低频控制信号；
[0071] (5)低频控制信号与信号发生器5生成的高频调制信号输入加法器6,生成混合频 率调制信号注入到激光控制器1中；
[0072] (6)混合频率调制信号经激光控制器1注入到半导体激光器2中，生成混合频率载 波信号，作为干涉装置3的干涉光源；
[0073] (7)载波激光注入到干涉装置3后、经非平衡干涉仪作用，其中的低频控制信号转 化为补偿相位信号，用于消除相位漂移引起的工作点偏移，而高频调制信号生成具有一定 特征的干涉信号；
[0074] (8)上述干涉信号随后输入到信号处理模块4中，重复步骤4到8,从而形成一个完 整的闭环反馈控制系统，实现系统工作点的无源闭环控制；
[0075] 图3为光源混合频率调制的闭环工作点无源控制光热干涉测试系统，该方法不仅 限于这一种干涉结构，与干涉结构无关，采用图中所示结构只为演示整个算法并进行相应 验证。采用压电陶瓷7作为信号发生源、信号发生器8发出的控制信号、在干涉仪中生成待测 相位信号(信号发生器8发出的控制信号同时输入到锁相放大器9中、作为解调信号的参考 信号）。干涉装置采用上述的混合频率调制工作点无源控制方法、相应干涉信号经过带通滤 波器14滤除高频与低频信号后交由锁相放大器9进行解调。具体的工作点控制流程上述完 全一致，半导体激光器3经信号发生器1发出的高频余弦信号调制后生成载波激光、载波激 光经光纤环形器4后传输到光纤准直器5,一部分光直接被端面反射回光纤中作为参考臂， 另一部分光经透射后传输到与压电陶瓷7相连的高反镜6,经高反镜6反射后再次回到光纤 内与参考光形成干涉信号，经光纤环形器4转换方向后被光电探测器10转化为电信号、该信 号经误差信号提取模块11处理后提取出误差信号，经过减法器12后得到差值信号，经积分 器13处理形成低频工作点控制信号，与信号发生器1发出的高频调制信号经加法器2混合， 生成了混合频率调制信号、注入半导体激光器3,从而形成了一个完整的闭环控制。锁相放 大器9接收经带通滤波器14滤波处理后的干涉信号进行解调、解调出待测相位信号。
[0076] 图4为上述系统在开环状态下、工作点漂移情况、可见由于环境等外界因素影响、 相位漂移严重、导致系统工作点大幅震荡、严重影响系统正常工作。
[0077] 图5为上述系统在闭环状态下、工作点变化趋势情况、由于采取了闭环工作点控 制、光源实时接收混合频率调制信号补偿各种因素引起的相位漂移、从而将系统工作点控 制在正交点附近、保证系统稳定工作。
[0078] 图6为闭环状态下干涉仪输出信号、图中（a)为系统短时间解调信号输出、可见由 于系统工作点稳定、输出信号幅值稳定、图中（b)为系统长时间解调信号输出、由于数据点 较多、无法直接看到输出信号波形、但是从整体趋势上可以清晰看到、由于工作点控制、解 调信号长时间处于稳定状态。
【主权项】
1. 一种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作点控制方法，其特征在于:所述 非平衡干涉测量系统包括干涉光源以及测量用的非平衡干涉仪，通过对干涉光源先进行直 接高频调制的方式直接获取该测量系统误差信号，该误差信号经处理后转换为低频调制控 制信号，将高频调制控制信号与低频调制控制信号混合，共同调制干涉光源，实现干涉光源 的混合频率调制；高频调制信号提取干涉测量系统的误差信号，低频调制控制信号生成干 涉测量系统的补偿信号消除相位漂移，进而实现该测量系统的闭环工作点的无源控制，保 证该测量系统始终工作在最灵敏的线性区域。2. 根据权利要求1所述的一种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作点控制方 法，其特征在于:所述的干涉光源为半导体激光器光源。3. 根据权利要求1-2任一项所述的一种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作 点控制方法，其特征在于:所述的误差信号是指干涉探测系统工作点偏离正交工作点的程 度，该值主要受相位漂移影响，指示干涉探测系统的工作状态;所述的误差信号提取是指通 过对干涉光源施加高频余弦调制控制信号，经干涉型传感器生成具有一定特征的干涉信 号，实现相应误差信号的提取。4. 根据权利要求1-2任一项所述的一种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作 点控制方法，其特征在于:所述的补偿信号用于补偿干涉测量系统因外界因素导致的相位 漂移，补偿信号有效消除相位漂移，将干涉测量系统工作点拉回正交工作点;所述的补偿信 号生成是指通过对干涉光源施加低频调制控制信号，生成一定的频移信号，经干涉型传感 器作用转换为补偿相位信号。5. 根据权利要求1-2任一项所述的一种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作 点控制方法，其特征在于:所述高频调制控制信号的频率数量级高于干涉光源的待测信号 的频率。6. 根据权利要求1-2任一项所述的一种非平衡干涉测量系统混合频率调制的无源工作 点控制方法，其特征在于:所述的高频调制控制信号和低频调制控制信号混合时采用加法 器混合。
【文档编号】G01B9/02GK106091920SQ201610397465
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】李树旺, 邵士勇, 饶瑞中, 朱文越
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院