一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统的制作方法

本发明涉及光学干涉精密测量，尤其涉及一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统。

背景技术：

1、具有亚波长分辨率的光学干涉仪在许多光学计量应用中有广泛的应用，例如长度测量、引力波检测、波前感测和表面轮廓分析等。在引力波探测领域，已使用外差干涉仪方案实现了在mhz频率下具有pm/√hz精度的高动态范围激光干涉测量，以读取测试质量块的运动，该技术也可应用于地面探测器的辅助读出系统，例如用于悬浮点干涉测量等。在太极计划与其他未来大地测量任务中，尤其是在测量多个测试质量的所有自由度的飞行任务时，降低光学复杂性是急需解决的问题。经典的外差干涉法需要复杂的设置来生成具有恒定频率差的两个相干光束，通常涉及具有相关联的频率生成和rf功率放大的两个声光调制器（aom），成本高昂，因此不太适用于未来多个测试质量多自由度的需求。目前有多种使用不同相位调制技术的新干涉仪方案，如数字干涉测量（di）和深度相位调制（dpm）等来简化未来引力物理实验部分的光学复杂性。dpm需要在每个干涉仪的一个干涉仪臂中的相位调制器，不利于控制成本。

2、因此，如何提出一种不依赖于高成本的声光调制器实现满足引力波探测要求的高精度解调系统/方法是亟待解决的难题之一。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，无需依赖高成本的声光调制器，简化了光路结构，降低了系统的复杂性，减少了设备成本。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，包括光学部分和电学部分；

3、所述光学部分包括：

4、激光器，产生深度频率调制的激光；

5、不等臂干涉仪，对所述激光进行零差干涉并将探测到的干涉光信号转化为干涉电流信号；

6、所述电学部分包括：

7、跨阻放大器，将所述干涉电流信号转化为基于深度频率调制表示的电压信号；

8、模数转换器，以大于调制速率规定倍数的采样频率，将所述电压信号进行数字化；

9、主控板，对所述电压信号进行正交解调；在调制频率的谐波处用正弦和余弦对所述电压信号进行正交解调，消去调制相位，得到幅值平方；通过一次谐波和二次谐波的幅值平方的比值得到相位的正切值，并用反正切读出相位。

10、在本发明第一方面的某些实施例中，所述基于深度频率调制表示的电压信号为：

11、

12、其中， a是信号幅度，组合了光功率和光电二极管效率的恒定因子， κ是对比度，是角调制频率；是调制相位；

13、利用贝塞尔函数将输出信号展开成较高的分量：

14、

15、其中， m为有效调制深度；

16、直流项为：

17、

18、谐波幅值为：

19、

20、其中，是贝塞尔函数，是相应的谐波幅值， k = 2κa是公共振幅因子；

21、交流项为：

22、

23、第 n次谐波可以表示为：

24、。

25、在本发明第一方面的某些实施例中，采用所述电压信号的交流项进行正交解调。

26、在本发明第一方面的某些实施例中，所述正交解调的过程如下：

27、

28、

29、

30、

31、因此：

32、

33、

34、其中，为电压信号的交流项；和分别为正交分量和同相分量。

35、在本发明第一方面的某些实施例中，使用数字低通滤波器滤除所述正交分量和同相分量中的交流信号；得到：

36、

37、。

38、在本发明第一方面的某些实施例中，消去调制相位，得到幅值平方的方法如下：

39、。

40、在本发明第一方面的某些实施例中，通过一次谐波和二次谐波的幅值平方的比值得到相位的正切值的方法如下：

41、

42、对于有效调制深度 m，贝塞尔系数是常数。

43、在本发明第一方面的某些实施例中，所述主控板还进行反馈控制，输出一调制信号，用于调谐激光器的频率调制强度；以一次谐波和三次谐波的幅值平方的差构造控制回路的误差函数，控制所述频率调制强度，在误差函数达到最小值时，固定有效调制深度。

44、在本发明第一方面的某些实施例中，所述误差函数如下：

45、 ]。

46、在本发明第一方面的某些实施例中，所述跨阻放大器和模数转换器之间还包括模拟低通滤波器，将高于采样频率一半的部分截止，保留信号中低频部分，消除高频噪声。

47、第二方面，本发明提供一种基于深度频率调制的高精度相位解调方法，包括以下步骤：

48、s1，产生深度频率调制的激光；

49、s2，对所述激光进行零差干涉并将探测到的干涉光信号转化为干涉电流信号；

50、s3，将所述干涉电流信号转化为基于深度频率调制表示的电压信号；

51、s4，以大于调制速率规定倍数的采样频率，将所述电压信号进行数字化；

52、s5，对所述电压信号进行正交解调；在调制频率的谐波处用正弦和余弦对所述电压信号进行正交解调，消去调制相位，得到幅值平方；通过一次谐波和二次谐波的幅值平方的比值得到相位的正切值，并用反正切读出相位。

53、在本发明第二方面的某些实施例中，所述步骤s5之后还包括：

54、s6，进行反馈控制，输出一调制信号，用于调谐信号源的频率调制强度；以一次谐波和三次谐波的幅值平方的差构造控制回路的误差函数，控制所述频率调制强度，在误差函数达到最小值时，固定有效调制深度。

55、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

56、1、本发明采用了不等臂零差干涉仪与数字调制技术的结合，比使用传统外差干涉仪光路简单，并且消除了声光调制器的使用，降低了成本。

57、2、本发明提供反馈控制，能够消除环境变化对干涉仪臂长差的影响，从而实现对有效调制深度的固定，得出准确的相位。

58、3、本发明能满足引力波探测中的精度需求，可以达到pm级别。

技术特征：

1.一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，其特征在于，包括光学部分和电学部分；

2.根据权利要求1所述的一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，其特征在于，所述基于深度频率调制表示的电压信号为：

3.根据权利要求1或2所述的一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，其特征在于，采用所述电压信号的交流项进行正交解调。

4.根据权利要求3所述的一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，其特征在于，所述正交解调的过程如下：

5.根据权利要求4所述的一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，其特征在于，使用数字低通滤波器滤除所述正交分量和同相分量中的交流信号；得到：

6.根据权利要求5所述的一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，其特征在于，消去调制相位，得到幅值平方的方法如下：

7.根据权利要求6所述的一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，其特征在于，通过一次谐波和二次谐波的幅值平方的比值得到相位的正切值的方法如下：

8.根据权利要求1或6所述的一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，其特征在于，所述主控板还进行反馈控制，输出一调制信号，用于调谐激光器的频率调制强度；以一次谐波和三次谐波的幅值平方的差构造控制回路的误差函数，控制所述频率调制强度，在误差函数达到最小值时，固定有效调制深度。

9.根据权利要求8所述的一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，其特征在于，所述误差函数如下：

10.根据权利要求1所述的一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，其特征在于，所述跨阻放大器和模数转换器之间还包括模拟低通滤波器，将高于采样频率一半的部分截止，保留信号中低频部分，消除高频噪声。

技术总结
本发明公开了一种基于深度频率调制的高精度相位解调系统，涉及光学干涉精密测量技术领域。包括光学部分和电学部分；所述光学部分包括激光器，产生深度频率调制的激光；不等臂干涉仪，将激光转化为干涉电流信号；电学部分包括跨阻放大器，将干涉电流信号转化为基于深度频率调制表示的电压信号；模数转换器，以大于调制速率规定倍数的采样频率，将电压信号进行数字化；主控板，对电压信号进行正交解调；在调制频率的谐波处用正弦和余弦对电压信号进行正交解调；通过一次谐波和二次谐波的幅值平方的比值得到相位的正切值，并用反正切读出相位。本发明无需依赖高成本的声光调制器，简化了光路结构，降低了系统的复杂性，减少了设备成本。

技术研发人员：郑艺多,梁新栋,姚未来,孙晨颖,王李金,陈世文,张贻伟,贾建军
受保护的技术使用者：国科大杭州高等研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21