一種激光相位載波多普勒振動信號的檢測系統及解調方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種激光相位載波多普勒振動信號的檢測系統，并設及一種激光相位 載波多普勒振動信號的解調方法，尤其設及一種基于正交解調的一種激光相位載波多普勒 振動信號的檢測系統及解調方法。
【背景技術】
[0002] 振動檢測技術目前應用越來越廣泛，而且要求越來越高，要求能夠對待測目標微 小的振動幅度進行檢測，從而獲取更多信息或及時發現所存在的隱患，即對于振動偵聽技 術而言，希望能檢測到的物體振動幅度越小越好，而據化terB等發表的Randomspeckle ModulationTechniqueforLaserInte;rfe;romet;ry中報道；夕h差干設檢測的精度表達如 下公式所示： a二林/40 )(化vB/P n ) 1/2K-1 其中^為波長，h為普朗克常數，B為帶寬，P為接收功率，n為光電轉換效率，V為 激光波長，K為常數。
[0003] 由此可知，當B越小時，可探測到的物體振動值越小，而采用傳統的聲光移頻方法 作為外差移頻，其B值一般大于40MHz，因此相對B值較小的移相器件其探測精度更高。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的是為解決目前采用聲光移方法作為外差移頻時帶寬B值太大，導致 振動檢測靈敏度低的技術問題。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明提供一種激光相位載波多普勒振動信號的檢測系 統，包括信號發生單元、光路單元和解調單元； 所述信號發生單元包括信號發生器，信號發生器的輸出信號分為兩路，第一路經信號 處理器后輸出兩路正交信號sin(Csin(Wt))和COS(Csin(Wt))，第二路經DA轉換器 后輸出相移驅動信號Sin(Ot); 所述光路單元包括激光器和電光調制器，激光器輸出的光經分束器分為信號光和參考 光，參考光輸入電光調制器的信號輸入端，信號光輸入第一分光棱鏡，所述信號發生單元輸 出的相移驅動信號Sin(Ot)輸入電光調制器的電信號驅動端，電光調制器在相移驅動信 號Sin(Ot)的作用下輸出的相移參考光輸入到第二分光棱鏡；通過第一分光棱鏡的信號 光在待測目標表面反射后形成的返回信號光再次進入第一分光棱鏡，返回信號光再反射到 第二分光棱鏡，返回信號光與相移參考光在第二分光棱鏡中混合并干設形成干設光，干設 光輸入光電探測器后經處理器輸出干設信號； 所述解調單元包括四個乘法器、兩個低通濾波器、兩個微分器、一個減法器和一個積分 器，解調單元的輸入端連接來自所述信號發生單元的兩路正交信號sin(Csin(Ot))及COS (Csin(?t))和來自光路單元的干設信號，干設信號經AD轉換器后分為兩路，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一低通濾波器后分為兩路，其中一路經一微分器后送 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另一低通濾波器后 分為兩路，其中一路經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 所述電光調制器調制載波引起的移相頻率； 所述第一分光棱鏡正對所述待測目標的一側，待測目標的另一側設有振動信號源，為 待測目標提供振動信號。
[0006] 進一步地，所述激光器為窄線寬半導體激光器，工作波長為1550nm，頻率穩定度為 1(T，功率穩定度為1%。
[0007] 進一步地，所述電光調制器的調制頻率范圍為lOKHz。
[0008] 進一步地，所述光電探測器為內置前級放大的PIN型探測器。
[0009] 進一步地，所述解調單元為在FPGA中通過數字邏輯實現的硬件模塊。
[0010] 為了解決上述技術問題，本發明還提供一種激光相位載波多普勒振動信號的解調 方法，采用正交鎖相+DCM解調方法，包括如下步驟： (1) 選擇兩路正交信號Sin(Csin(Ot))及COS(Csin(Ot))和一路模擬干設信號， 模擬干設信號經AD轉換器后分為兩路數字干設信號，作為解調輸入參數；《為調制載波引 起的移相頻率； (2) 其中一路數字干設信號與COS(Csin(Ot))-并送入第一乘法器相乘，另一路數 字干設信號與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低通濾波器后分為兩路，其中一路經微分后送入第=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低通濾波器后分為兩路，其中 一路經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) 對上述差值進行積分得到積分值，解調出振動信號。
[001U進一步地，當步驟（1)中所述數字干設信號為^+Scos[Can(郵+￡)COS哼+泌^時， 所述第一乘法器輸出的乘積經低通濾波后的信號為SCcos巧:每，所述第二乘法器輸出的乘 積經低通濾波后的信號為SCsin#);其中，^為干設場直流強度，S為干設光強度調制 值，C為正弦系數，《為調制載波引起的移相頻率，1)<：03嘴￡為振動信號源引起待測目標的 振動量，禱)為環境擾動引起的振動量，巧句=Dcos邸+棘）。
[0012] 進一步地，步驟（4)中所述差值為滬打護供。
[001引進一步地，步驟（5)中所述積分值為護C2/貞貨，解調出的振動信號為 身巧二￡)COS汾/ +的句。
[0014] 本發明可W采用電光調制器EOM(Electro化ticMo化Iator))調制來實現光學 移相，利用正交鎖相+DCM(DifferentiateCrossMultiply,微波交叉相乘)解調法實現振 動信號的解調。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，可大大提高振動檢測的靈敏度。本發明提供的基于電光調制方法調制的激光多普勒正 交解調偵聽方法，能夠W較低的成本大幅改善傳統零差檢測法的抗環境擾動性，同時與傳 統的基于聲光移頻激光多普勒振動檢測方法精度更高，且系統光學結構簡單，具有良好的 環境適應性。
【附圖說明】
[0015] 圖1為信號發生單元原理框圖； 圖2為光路單元原理框圖； 圖3為解調單元原理框圖； 圖4為解調算法計算流程圖； 圖5為解調出的振動信號波形圖。
[0016] 圖中；1激光器；2分束器；3電光調制器；4待測目標；5振動信號源；6第一分光棱 鏡；7第二分光棱鏡；8光電探測器；9信號發生器；10信號處理器；11DA轉換器、12AD轉 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。
【具體實施方式】
[0017] 現在結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。該些附圖均為簡化的示意 圖，僅W示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成，且其不應理 解為對本發明的限制。
[0018] 如圖1-3所示，本發明的一種激光相位載波多普勒振動信號的檢測系統包括圖1 所示的信號發生單元、圖2所示的光路單元和圖3所示的解調單元； 信號發生單元包括信號發生器9,信號發生器9的輸出信號分為兩路，第一路經信號處 理器10后輸出兩路正交信號Sin(Csin(Ot))和COS(Csin(Ot)),第二路經DA轉換器 后輸出相移驅動信號Sin(Ot); 光路單元包括激光器1和電光調制器3,激光器1為窄線寬半導體激光器，工作波長為 1550nm，頻率穩定度為1(T7,功率穩定度為1%，電光調制器3的調制頻率范圍為lOKHz，激光 器1輸出的光經分束器2分為信號光和參考光，參考光輸入電光調制器3的信號輸入端，信 號光輸入第一分光棱鏡6,信號發生單元輸出的相移驅動信號Sin(Ot)輸入電光調制器3 的電信號驅動端，電光調制器3在相移驅動信號Sin(Ot)的作用下輸出的相移參考光輸 入到第二分光棱鏡7 ;通過第一分光棱鏡6的信號光在待測目標4表面反射后形成的返回 信號光再次進入第一分光棱鏡6,返回信號光再反射到第二分光棱鏡7,返回信號光與相移 參考光在第二分光棱鏡7中混合并干設形成干設光，干設光輸入光電探測器8后經處理器 輸出干設信號，光電探測器8為內置前級放大的PIN型探測器； 解調單元為在FPGA中通過數字邏輯實現的硬件模塊，包括四個乘法器、兩個低通濾波 器、兩個微分器、一個減法器和一個積分器，解調單元的輸入端連接來自信號發生單元的兩 路正交信號Sin(Csin(Ot))及COS(Csin(Ot))和來自光路單元的干設信