（光学工程专业论文）数字式有源零差激光干涉仪的解调方法研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学忙论文 摘要 随着科学技术的进步，激光干涉测量技术向着更高的精度和更大的动态 范围方向发展，对其解调技术的要求也越来越高。相位生成载波( p g c ) 解 调方法是高灵敏度解调技术之一，而对数字化的p g c 解调方法的研究更具有 现实意义和实用性，在振动测量、加速度测量、水声信号测量等方面都得到 了很好的应用。 本论文的主要工作是对低频微小振动信号进行解调，搭建了基于数字信 号处理器( d s p ) 的p g c 解调系统，论文工作的内容集中在数字实现中关键 参数的选择、p g c 解调系统算法的实现、系统硬件电路的设计与调试等几个 方面。具体内容包含以下几点： 1 讨论了p g c 的调制与解调原理，根据本课题的信号解调性能指标设 置了系统各参量。 2 设计了信号采集、前端处理电路和基于t m s 3 2 0 v c 5 4 16 d s p 的数字 解调电路，实现了p g c 解调系统的软件算法编程。 3 研究了数字p g c 解调系统的噪声及其传递规律，推导并确定了系统 理论最小可检测振动信号。 4 搭建了实验平台，对纳米振动平台产生的微小振动信号进行了测试。 系统实现了对频率范围1 0 2 0 0 h z 低频振动信号的高精度实时测量，其振幅 分辨率优于纳米量级，动态范围大约为1 0 0 d b 。 关键词：激光干涉；振动钡4 量；相位生成载波；d s p a bs t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , l a s e ri n t e r f e r o m e t r yt e c h n o l o g y d e v e l o p st oh i # e ra c c u r a c ya n dg r e a t e rd y n a m i cr a n g e a tt h es a _ r n et i m e ，t h e d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi sd e m a n d e dh i g h e ra n dh j 班e f _ i nt h e h o m o d y n e d e m o d u l a t i o nm e t h o d s ，t h ed e t e c t i o nt e c h n i q u eo fp h a s eg e n e r a t e dc a r r i e ro g c ) d e m o d u l a t i o ni so n eo ft h e h i g hs e n s i t i v i t yd e t e c t i o nm e t h o d s i th a sm o r e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a b i l i t y t o s t u d yd i g i t a lp g cd e m o d u l a t i o n m e t h o d t h e r e f o r e ，p g cd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ew i l lb ev e r yu s e f u li nv i b r a t i o n m e a s u r e m e n t 、a c c e l e r a t i o nm e a s u r e m e n ta n d s u b m a r i n es o u n d s i g n a l m e a s u r e m e n t , e t c i nt h i sp a p e r , t h em a i nw o r ki st od e m o d u l a t el o w - f r e q u e n c ym i c r o v i b r a t i o n s i g n a l b a s e do i ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) t e c h n o l o g y , l a s e rv i b r a t i o n m e a s u r e m e n ts i g n a ld e m o d u l a t i o nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o c e s s i n gp l a t f o r mi s e s t a b l i s h e d t h ec o n t e n to ft h i s p a p e ri s f o c u s e do nt h ec h o i c eo ft h e k e y p a r a m e t e r s ，t h er e a l i z a t i o no ft h ep g ca l g o r i t h mu s i n gd i g i t a ls y s t e m ，a n dt h e d e s i g na n dd e b u g g i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i t t h ed e t a i l e dc o n t e n t sa l es h o w na s f o l l o w s ： 1 - t h ep g cm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt h e o r yi sd is c u s s e ds y s t e m i c a l l y t h e s y s t e mp a r a m e t e r sa r ed e r i v e df r o ms i g n a ld e m o d u l a t i o np e r f o r m a n c e i n d i c e s 2 s i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t ，f r o n t - e n d p r o c e s s i n gc i r c u i t a n d d i g i t a l d e m o d u l a t i o nc i r c u i tb a s e do nt m s 32 0 v c 5 416 d s pi sd e s i g n e d t h es o f t w a r e p r o g r a m m eo fp g ca lg o r i t h m si sr e a l i z e d 3 t h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mn o i s ea n di t st r a n s f e rl a wa r er e s e a r c h e d t h r o u g hd e r i v i n g ，t h es y s t e mm i n i m u md e t e c t e dv i b r a t i o ns i g 叫i sd e t e r m i n e d 4 t h et e s t i n gp l a t f o r mi sc o n s t r u c t e da n dt h ew e a kv i b r a t i o n s i g n a lp r o d u c e d b yn a n o m e t e rv i b r a t i o np l a t f o r mi sm e a s u r e d h i 曲a c c u r a c ym e a s u r e m e n to ft h e l o w f r e q u e n c y v i b r a t i o n s i g n a l sr a n g i n g f r o m10 - 2 0 0 h zc o m e s t r u e ，t h e 哈尔滨t 程大学硕十学值论文 m e a s u r i n gr e s o l u t i o ni sb e t t e rt h a nin t o ，a n dt h ed y n a m i cr a n g ei sa b o mlo o d b k e y w o r d s ：l a s e ri n t e r f e m m e t e r ；v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ；p g c ；d s p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：地 日期： 伽g 年占月r 日 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 高精度振动测量的目的与意义 振动是广泛存在于自然界和人类社会生活中的一种动态物理现象，是我 们观察到的某一平衡位置上的往复运动，如大地的振动、水轮机组的振动、 桥梁和机床的振动、飞机机翼的颤动、汽车运行时发动机和车体的振动等等。 随着现代科学技术的飞速发展，在实际工程中对上述振动的监测提出了越来 越高的要求，因此振动测量在航空航天、交通运输、机械制造、石油、电力、 冶金和化工等领域占有越来越重要的地位 1 - 6 】。振动测量的主要应用领域有： 地震监测及工程地质勘察，大型水轮发电机组的振动监测和故障诊断，桥梁、 大坝、高层建筑的振动监测，精密设备的隔振地基评测，机床的运动精度测 量等等。可见，高精度的振动测量具有重要的现实意义 7 1 。近几十年来，科 学研究不断地向微观领域发展，由毫米级、微米级逐步发展到亚微米级、纳 米级，因此高精度的微小振动测量成为振动测量领域里主要的研究方向之一。 振动测量的检测方法有很多，本课题采用光学测量方法中的激光干涉测量法 检测低频纳米振动是由于此测量方法具有灵敏度和精度高、动态范围大、电 气绝缘、非接触等优点，是实现高精度振动测量的主要方法。 目前针对激光干涉仪输出信号检测的解调方法有很多种，比如主动零差 解调法、合成外差解调法、伪外差解调法、相位生成载波解调法等等。其中 相位生成载波解调法因其高灵敏度、大动态范围和优良的线性度而成为高灵 敏度检测技术。而基于数字信号处理( d s p ) 技术的解调系统又在很大程度 上改善了模拟解调系统的稳定性和灵活性。本课题的目的就是采用激光干涉 测试技术和基于d s p 技术的相位生成载波解调法实现低频微小振动信号的 高精度测量。 1 2 激光干涉信号解调方法的国内外研究现状 哈尔滨t 程入学硕+ 学位论文 在激光干涉测量系统中，解调单元是其重要组成部分，是保证传感器实 现准确测量的主要单元之一，而且还会影响到测量的分辨率、动态范围等性 能指标。解调单元能否实现准确的解调主要依赖于其采用的解调方法。虽然 激光干涉仪具有高的灵敏度，但由于存在外界环境导致的各种随机相位漂移， 信号衰落严重，所以抗衰落检测问题也是选择解调方法的一个主要因素。现 在常用的解调方法主要有零差相位解调法和外差相位解调法【s - l o 。零差解调 法又包括无源零差相位解调法，有源零差相位解调法和相位载波零差法。外 差解调法包括经典外差法和合成外差解调法。下面将对各种解调方法做一个 简单的介绍。 1 无源零差相位解调法 无源零差相位解调法也称被动零差相位解调法，实质上是采用电路正交 偏置的开环解调方法，即在干涉仪光路中不加入偏置移相器，而通过电路方 法直接检测被测的相位差。下面以典型的m z 干涉仪来说明其原理。 检测 系统 图1 1 无源零差相位解调法框图 典型的m z 干涉仪检测系统如图1 1 所示。从3 d b 分路器的两个输出臂 中输出的电压为： v l ( t ) = v o l + 口e o s 【s ) + 丸一以】) ( 1 一1 ) v 2 ( t ) = v o z - 口c o s s ( t ) + 丸一以】) ( 卜2 ) 两路电压信号经过信号处理合成后为： 巧( f ) = 2 口v oe o s s ( t ) + 织一咖】 ( 1 3 ) 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 为了测出相位调制信号s o ) ，可以构造一个与圪0 ) 正交的信号巧o ) ，即： ( t ) = 2 a v os i n s ( t ) + 纯一办】 ( 1 4 ) 将上面两个正交信号通过模拟运算电路算出混合相位的微分，最后将信 号积分后运用滤波器将相位调制量s ( ) 滤出。无源零差法的关键是找到获取 正交信号的电路方法。 2 有源零差相位解调法 有源零差相位解调法也称主动零差相位解调法，其实质是在干涉仪光路 中加入正弦调制器作为产生交流偏置的移相器，使之产生交变相移彳( f ) ，即： a ( t ) ：a c o s o g 。t ( 卜5 ) 根据解调方式的不同，有源零差法又可以分为开环相位解调法和闭环相 位解调法两大类。开环相位解调法，即通过电路方法或计算机软件方法直接 解调出调制相位差s ( f ) 。开环解调法的缺点是动态范围小，灵敏度较低。闭 环相位解调法，即利用反馈信号控制外加干涉仪中的相位调制器，使之产生 的相移对信号相移s ( f ) 进行实时的跟踪补偿，保证相位检测系统工作在正交 零相位差状态，从而将信号相移s ( f ) 的检测转换为对调制器补偿相移的检测。 由于系统始终工作在零相位差正交状态下，系统的输出接近于零，因而动态 范围远大于开环相位解调系统，而且抗干扰能力及稳定性均优于开环系统。 这种方法的一种典型应用如图1 2 所示： 图1 2 有源零差相位解调法框图 相位调制器加入到参考臂中，其调制量受输出反馈控制。差分放大器的 3 哈尔滨工程大学硕士学能论文 输出为： v 3 ( t ) = 2 a v oc o s s ( t ) + 丸一办一彳o ) 】= 2 a v os i n s ( t ) + 织一办一彳( f ) - - “g - ( 1 6 ) 二 为保证系统工作在直流正交偏置零相位差状态，需使正交条件： s ( ，) + 以一诈一彳( ，) = m 万一x 2 ( 1 7 ) 成立。在这个正交条件下，相位解调系统的输出职( f ) 的值应为零，当信号产 生的相移使系统偏离正交状态时，k ( ，) 就不再为零，从而产生一个误差信号， 将此信号作为反馈信号控制调制器a ，使之产生相应的补偿相移彳( f ) 去抵消 s ( f ) 变化产生的影响，将系统重置到正交状态，即实现补偿相移a ( t ) 的变化 跟踪信号相移s o ) 的变化。 为了获得正交条件，将信号电压k ( f ) 积分后反馈至调制器a ，即： 圪( t ) = g 【。v 3 ( t ) d t ( 1 8 ) 式中，g ：积分电路的增益系数；t o ：积分时间。调制器产生的相移彳( t ) 正比 于反馈电压圪( f ) ，即： 彳o ) = g v 4 p ) ( 1 9 ) 式中g 为比例系数。在跟踪条件下，v a t ) 专0 ，则可以得到： s ( t ) = g v 4 ( ，) 一九+ 谚+ 朋万- r 1 2 ( 1 1 0 ) 可见，s ( 0 是圪) 的线性函数，可从v 4 ( t ) 中滤出s 0 ) 。 这种解调方法的优点在于结构简单，电学复杂性低，信号畸变小，系统 处于线性状态。该方法的缺点主要是由于反馈电压的范围受供电电压的限制， 需要对检测系统进行复位，所以要设法消除复位对测量的影响。另外，此种 方法也易受光功率波动的影响。 3 相位生成载波解调法 相位载波调制解调法是一种既吸收了无源零差法在干涉仪中不需要加入 有源相位调制器的优点，又避免了其相位零偏置噪声检测灵敏度低、非线性 误差大、动态范围小等缺点，是具有很大应用前景的零差相位检相法。1 9 8 2 年n r l 的a d a n d r i d g e 等人最早报导了p g c 检测技术及结果【l l j 。p g c 检测 原理是通过对检测信号进行高频调制，从而在干涉仪中引入检测信号带宽外 4 哈尔滨工程人学硕十学位论文 的某一频率的大幅度相位调制信号，使所检测信号成为这些大幅度载波的边 带，用相关检测和微分一交叉相乘方式分离激光干涉仪的交流传感信号和低频 随机相位漂移，再通过高通滤波器得到稳定的传感信号输出。高频调制的 p g c 检测灵敏度可达9 x 1 0 巧r a d 、动态范围可达1 4 0 d b 。 在激光干涉测量系统中可以有两个途径实现相位载波调制： ( 1 ) 采用p z t 元件。在激光干涉仪的一端反射镜粘上p z t 元件，把载 波信号加到p z t 元件上，利用其在载波信号的驱动下产生的电致伸缩效应， 引起干涉仪臂长发生变化，导致最后输出光波相位差随载波信号有规律的变 化，从而实现相位调制，通常把这种调制方式叫外调制。它可以使干涉仪实 现零光程差工作，降低了对光源相干性和相位噪声的要求，但由于这种调制 不得不使用电缆，致使传感器结构复杂，体积增大，不利于实现全光纤和大 规模组阵。 ( 2 ) 采用半导体激光器直接调频。其基本机理是：某些光源，如日本 h i t a c h i 公司生产的h l 8 3 1 4 e 、h l 8 3 1 4 g 型g a a i a s 双异质结半导体激光器及 h l p l 4 0 0 型半导体激光器等，输出激光波长( 频率) 与输出光功率有关，即 与其注入激励电流有关，具有独特的调制特性，在一定发光功率范围内光源 输出光频随调制电流的变化而近似线性变化，我们称这种调制方式为内调制。 它的优点是可以省去p z t 调相器，有利于实现传感器全光纤和遥测。但为了 把激光器的频移转换为相对相移，必须要求干涉仪两臂有非零光程差，这使 得相位噪声增大，限制了最小可测信号。另外，直接调制光源还会产生伴生 调幅的问题，使解调过程变得复杂。 由于本课题的激光振动测量系统不需要考虑全光系统和组阵，所以本系 统的解调单元选择了外调制的相位生成载波解调法。 4 经典外差解调法 经典外差相位解调法的示意图如图1 3 所示。在参考臂中加入一个声光 调制器( a o m ) ，使参考光产生频移。设声光调制的频率为缈。，干涉仪的 输出信号为： 矿( f ) = 2 c t v oc o s , o 。t + j ( f ) + 识一砟】 ( 1 11 ) 由于调制频率彩。为约1 0 0 k h z 的中频，可以通过锁相环等电路形式将相 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 位直接检出。 外差法的特点是要在干涉仪光路加入含有空气光路的声光调制器，其缺 点是功耗大，而且体光学器件插入光纤会带来许多消极因素。 振荡器 图1 3 外差法相位解调法 5 合成外差解调法 合成外差法实质上是一种有源开环零差法，但它采用了外差技术，使它 具有外差法的优点，同时又避免了外差法的缺点。该方法是利用压电陶瓷对 干涉仪进行相位调制，然后经过滤波、混频等一系列信号处理，合成一个与 经典外差法中类似的输出信号，再利用f m 解调技术把信号解调出来。 合成外差法的优点是对光信号的幅度波动和偏振态变化不敏感，缺点是 相移和振幅失配会导致输出信号不是纯粹的外差信号，降低了检测的灵敏度。 因此，这种方法不适合本课题所需要的高灵敏度微小振动信号测量。 1 3 课题的研究方法与本文的研究工作 本课题研究了激光纳米振动测量系统的解调方法，构建了基于d s p 的低 频振动信号解调的软硬件系统。此种振动测量系统利用了光学测量的高精度、 高分辨率、抗电磁干扰能力强和相位生成载波解调法( p g c ) 的高灵敏度、 大动态范围和优良的线性度等特点，使得激光振动测量系统的振幅分辨率优 6 哈尔滨工程大学硕十学衍论文 于纳米量级，动态范围可达1 0 0 d b 。 本课题的具体工作包括以下几方面： 1 设计了基于d s p 的数字式相位生成载波( p g c ) 信号调制与解 调方案，并进行了方案理论分析与论证。给出了p g c 的调制与解调的 原理，针对本课题的信号解调性能指标设置了系统各参量，包括载波频 率的选择、载波幅度的设定、采样频率的选择、动态范围的设定、抗混 叠滤波器的特性分析、以及影响系统最大可测信号和最小可测信号的因 素分析及解决方案。 2 硬件电路设计与实现。硬件电路包括两个主要的部分：一是信 号前端处理部分，包括信号采集通道、抗混叠滤波电路、载波p z t 驱 动电路等几个功能模块。信号采集通道又包括光电探测器、前置放大器 和带通滤波器。二是基于d s p 的p g c 解调电路，包括数模和模数转换 电路、f l a s h 电路、与计算机通信电路等等。设计各个单元电路时，首先 分析并计算了电路的参数，然后构建硬件电路，最后实现系统功能。 3 系统软件程序的设计。基于解调硬件电路的设计思想，绘制了软件解 调流程图，采用汇编语言和c 语言混合编程实现了实时p g c 信号解调软件 算法，主要包括一倍频和二倍频载波发生、低通滤波器、微分交叉相乘( d c m ) 算法、数字微分器和数字积分器的算法、降采样和高通滤波器的设计，并且 构建了数据存储环节以备后续处理。根据p g c 调制解调原理，在c c s 中仿 真了干涉信号的输出及解调，并根据仿真结果，对整个系统软件算法进行了 优化。 4 数字p g c 解调系统的噪声与其传递规律的研究。通过讨论p g c 解调 方法中的部分关键参数和研究硬件电路噪声、a d 量化噪声和数字化p g c 算 法噪声等，确定了系统最小可检测信号。可为提高系统性能、修改各部分设 计的参数提供依据。 5 系统实验。首先进行了解调系统仿真实验，然后搭建了实验平台，对 幅度为5 0 r i m ，频率为1 0 一2 0 0 h z 的振动信号进行实验。实验结果表明，基于 d s p 技术的p g c 解调方案，消除了模拟p g c 电路所固有的直流温度漂移， 抑制了低频噪声的影响，增强了系统的环境适应能力和抗干扰能力。最后分 析了解调系统的性能，包括动态范围、线性度等等。 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章基于p g c 原理的激光干涉信号解调方法 本章介绍零差激光干涉仪的p g c 信号解调原理，讨论了p g c 信号解调 过程中的若干理论问题。 2 1 基于有源零差的激光干涉仪光路 系统框图如图2 1 所示，系统的光路部分采用迈克尔逊干涉仪结构。 振 动 测 量 反 射 镜 图2 1 基于迈克尔逊干涉仪的系统框图 迈克尔逊干涉仪由激光器、准直仪、起偏器、分光镜、固定有参考反射 镜的p z t 和测量反射镜组成。其工作原理是：由光源发出的高稳定度的单频 激光投射到准直仪上，经分束器将入射光线分成两束。其中一束作为信号光 进入测量臂，经振动测量镜反射后返回。另一束参考光被装有信号调制的压 电陶瓷的参考镜反射。参考光和信号光分别照射到分束器后，同时照射到光 电探测器上形成干涉条纹，探测器将干涉光信号转变为电信号后，由1 言号处 理电路进行后续处理。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 光学原理指出，光在相交区域内，形成一组稳定的明、暗相间或彩色条 纹的现象，称为光的干涉现象。而通过干涉条纹的变化，也就可以测定相当 于光波波长数量级的距离的变化，即光的干涉测量原理【1 2 】。 下面由光学原理分析发生干涉使光强的变化，参考光和信号光描述为复 振幅形式： 岛( p ，) = 彳一e x p m 甜一仍) 】( 2 1 ) l e s ( p ，) = a 2e x p 一歹( 甜一仍) 】 其中，0 3 为光源频率。两束光在光电探测器上发生干涉，合成电场为： e ( p ，f ) = e r ( p ，t ) + e s ( p ，f ) ( 2 2 ) 光强( 平均能量) 正比于振幅的平方，或复振幅与其共轭的乘积，于是： 1 ( p ，t ) = e ( p ，t ) e ( p ，t ) = e r ( p ，t ) + b ( p ，) 】【乓( p ，f ) + e s ( p ，f ) 】 ( 2 3 ) = a ? + 么；+ 么l 么2 k 张一如+ p 一，张+ 仍】 即： i ( p ，f ) = 1 1 + 1 2 + 2 4 u 2c o s 文p ) ( 2 4 ) 式中j 。= a ；和1 2 = 4 ；分别是两柬光单独在探测器处的强度，文p ) = 仍一仍 是两束光在探测器处的位相差。 2 2 怒调电路方案 系统的电路部分主要是由光电转换处理电路和数字p g c 解调电路组成， 解调框图如图2 2 所示。探测器输出的信号先经过前置放大和抗混叠滤波电 路进行调理，使其达到模数转换器( a d ) 采集的要求。由数字信号处理器 ( d s p ) 内部的定时器给a d 提供采样时钟，a d 按照采样时钟的频率进行数 据采集，再将采集的数据通过缓冲串口加载到d s p ，d s p 接收到干涉信号后 存储数据，并应用这些数据在采样周期内完成一次p g c 解调运算，最后通过 缓冲串口把运算结果传送至计算机，输出最终解调模拟信号。除了实现算法 的解调，d s p 还负责通过数模转换器( d a ) 输出载波信号加载到p z t 上， 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 用于信号调制。 激光干涉仪的输出均可表示为【l l 】： 1 = a + b c o s ( c e o s ( o + 矽o ) ) ( 2 - 5 ) 式中a 是与激光器输出光功率有关的直流项；b = k a ，k 1 0 时，选取k = d ，才不至于造成最后解调出来的信号失真，这里k 为保壁的b e s s e l 函数的阶次。 鬯敛+ 戤 h 浊盯4 t - - i li 图2 3 干涉仪输出频谱 从频谱图上可以看出，要避免因频谱发生重叠而造成信号失真，应满足 以下式： e k s k c 0 3 ( 2 - 2 1 ) 即：k 旦 ( 2 2 2 ) 2 c o s 当系统调制频率缉和信号频率q 确定后，为保证解调信号不畸变，此式 给出了k 的最大值，即c o 。的最高边频次数。由k 与待测信号幅度的关系，则 在p g c 零差检测方案中，系统动态范围的上限，也就是输入最大信号幅度d 满足： 1 3 哈尔滨工程大学硕+ 学何论文 d 旦一i ( d 2 0 j 。d = 8k h z ( 2 2 5 ) 考虑存在一些误差，所以选载波频率彩，= 1 0 z 。 2 3 2 采样频率的选取 1 4 哈尔滨丁程大学硕十学 ! 寺：论文 根据奈奎斯特采样定理【l6 】：一个频谱受限信号x ( f ) 的最高频率为厶，则 x ( f ) 可以用不大于t = 1 ( 2 f r o ) 的时间间隔进行采样的采样值唯一的确定。即 为了避免采样后的信号频谱混叠，采样频率必须大于等于原信号的最高频率 的两倍，这样采样信号能够保留原信号的全部信息，通过理想滤波器后就可 以把原信号还原出来。 本系统采样频率的大小是由被采样的信号即激光干涉仪输出的干涉信号 的频带宽度决定的。由前面分析，在忽略振幅很小的边频分量时，输出信号 的有效频谱宽度是有限的。通常规定，凡是振幅小于未调制载波振幅1 的 边频分量均可忽略不计，保留下来的频谱分量即确定了输出信号的频谱宽度。 如果选取c = 2 3 7 r a d ( 后面会分析) ，表2 1 给出了m = 2 3 7 时。( 聊) 的 0 - 6 阶贝塞尔函数值。 表2 1 以( 2 3 7 ) n 0123 4 56 勿 2 3 7o 0 1 80 5 2 60 4 2 6o 1 9 30 0 6 2o 0 1 50 0 0 3 从表2 1 可以看出，歹。( 2 3 7 ) 贝塞尔函数值随着玎的增加而迅速下降。 ，( 2 3 7 ) o 0 1 且以( 2 3 7 ) 6 c o c + 2 + 吮 ( 2 2 6 ) 选取低采样频率意味着可以降低用数字化处理实现p g c 功能时对a d 采 样速率的要求和增加d s p 实时处理数据的时间。在本系统中，根据载波频率 哈尔滨t 程人学硕士学 ：寺：论文 1 0 k h z 和所测信号频率范围为1 0 - 2 0 0 h z ，代入式( 2 - 2 6 ) ，得到： 彩7 6 x1 0 + 2 1 0 + 5 = 8 5 k h z ( 2 2 7 ) 上式中，边带带宽钆选为1 0 k h z ( 最大不超过载波频率) ，滤波器过渡带带 宽选为5 k h z ，那么选择采样频率为1 0 0 k h z 。 2 3 3 抗混叠滤波器的选取 虽然之前讨论由于b e s s e l 高阶函数衰减特性，在忽略振幅很小的边频分 量时输出信号的有效频谱宽度是有限的，但是如果不对输出信号进行处理， 直接采样还是会造成一定的频谱混叠，所以需要将干涉仪输出的模拟信号在 频谱上进行限制。 4 00 0 c k hz 8 n 0 0 c k hz4 0 0 0 c k h2 j - 0 1 矿广- 轭1 i 砸一厂一丽丽 。 _ 、 x ： ； 、 1 01 0 0 k i i z rp h 辩r 自。啦d o 睁 带n a a e ( b ) 图2 4f i l t e r c a d 设计抗混叠滤波器 1 6 o 2 4 6 8 宙i一口蔷一融泰a羔一 哈尔滨1 j 程大学硕十学位论文 数字信号原理指出i l8 j ：由于a d 转换器的精度有限，当信号混叠程度小 于a d 自身的信噪比时，混叠效果将可以忽略。当采样率和载波频率确定后， 抗混叠滤波器的阶数也就确定了。我们选取抗混叠滤波器的参数为 厶= 4 0k h z ，岛= 8 0 k h z 。采用f i l t e r c a d 软件设计抗混叠滤波器，如 图2 4 。 本系统选择l i n e a rt e c h n o l o g y 公司的l t c l 0 6 8 芯片实现抗混叠滤波器。 2 3 4 动态范围的讨论 系统的动态范围定义为： d y n a m i c r a n g e ：2 01 9s i g n a l 懈( d b ) ( 2 2 8 ) s l g n q t 田濂 其中，s i g n a l m 。和s i g n a l a 分别表示在不失真的前提下，最大可检测的信号 幅度与最小可检测的信号幅度。动态范围是表征系统对不同强度信号探测能 力的主要指标，它规定了系统所能不失真解调的信号的幅度范围。对系统动 态范围的讨论分为动态范围上限和动态范围下限。 1 动态范围上限 影响系统动态范围上限的因素，即限制最大可检测信号幅度的因素有低 通滤波器的约束特性和有限的载波频率【l 引。 低通滤波器的约束特性体现在：在实际应用时，由于低通滤波器的非理 想性都存在一定的过渡带。设滤波器的过渡带宽为a 颤o ，参考图2 4 ( b ) ，式 ( 2 2 1 ) 修改为式( 2 2 9 ) ： k c o + 缈 缈，一砌。 ( 一),22 9 七 0 c - a ( o 2 吐 ( 2 - 3 0 ) 即：d c o c - a ( o( 2 3 1 ) 2 c o $ 从上式可以看出系统动态范围的上限受低通滤波器的过渡带宽影响：过 1 7 哈尔滨丁程大学硕十学传论文 渡带宽越宽，动态范围上限越小。 同理，很明显，载波频率敛也会影响系统动态范围上限：吐越大， 动态范围上限越大。图2 5 给出了理想情况下，当，= 1 0 0 h z 时，最大可 检测信号幅度与载波频率的关系曲线( 假设a c o = 0 ) 。 051 01 52 02 53 03 54 04 55 05 56 0 载波频率，k h z 。 图2 5z 取1 0 0 h z 时解调系统动态范围上限分布图 但是为了增大动态范围上限，无限制的提高载波频率也是不可取 的。因为外调制中载波频率受到p z t 元件的限制，随着频率要求的提 高，p z t 的尺寸必将要减小，小的尺寸将导致干涉仪无法正常工作。另 外一个重要原因是；a d 采样频率和d s p 实时处理数据也限制了载波频 率不能太大。 2 动态范围下限 系统动态范围的下限由系统噪声本底决定。影响系统噪声本底的因 素很多【1 1 , 1 9 - 2 1 ，主要包括激光器幅度噪声、相位噪声、电路噪声、数字 量化噪声以及p g c 解调噪声等等。 ( 1 ) 激光器幅度噪声的影响 激光器功率波动误差，也称为激光器幅度误差。为讨论问题方便，假设 激光器幅度噪声为，且为白噪声。在 7 。影响下，干涉仪接收到的信号变为： i = 4 ( 1 + 玎1 ) + b o + ) c o s ( c c o s 国。t + ( f ) ) ( 2 3 2 ) 上式便是激光器幅度噪声对系统噪声本底影响的数学模型，由参考文献 1 8 o 0 o o 0 o 0 ； 您 加 坫 m 5 。焉k、趟罂妒姆嚣轺口k璐 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 】可知，p g c 系统的本底噪声随着激光器幅度噪声幅度起伏的增加而基本 呈线性增大的趋势。 ( 2 ) 干涉仪的相位噪声的影响 激光器的频率引起的误差主要来自于两个方面，一是激光器的光谱存在 一定的宽度，二是激光的中心频率会发生漂移。二者通过干涉仪光路后，会 以相位误差的形式体现在干涉信号中。系统本底噪声的主要贡献来自于干涉 仪的相位噪声。光源线宽和中心频率漂移作用在非平衡干涉仪上产生相位噪 声n ，对探测信号式( 2 - 5 ) 的影响是直接在其相位上加噪声，此时式( 2 - 5 ) 变为： i = a + b c o s c c o s c o o t + 矽o ) + 力2 】 ( 2 3 3 ) 从上式不难看出，光源相位误差混合在信号产生的相位中，仅有不在信 号频段的噪声可以通过滤波方法消除。在非平衡干涉仪中，影响干涉仪系统 噪声本底的光源相位噪声是由于光源存在线宽而产生的。设光源线宽为瓯， 那么相位噪声刀，为： ：型蘸， ( 2 3 4 ) 聆，= 一d 。 l z j ， c 甩：与干涉仪两臂光程差刀，和瓯的乘积成正比，减小刀，或成都可以降低 相位噪声，那么要获得较大的动态范围下限，减小干涉仪两臂差和激光器线 宽都是有帮助的。在本系统中，由于不要求必须是非平衡干涉仪，所以实验 中应尽量调节干涉仪两臂差使其趋于零。 由上所述，对激光器进行选择时，不仅要考虑光源自身的特性如中心波 长、频谱宽度和出射光功率等，还要考虑系统中光学器件特性对光源的要求， 以及光源制造工艺水平和实际应用情况等。根据系统方案和实际的应用情况， 我们选择相干长度长、稳定性好的h e n e 激光器作为系统光源，其中心波长 为0 6 3 3 岬，频率稳定度为1 1 0 - 9 ，其出射光功率为0 8 m w 。 电路噪声、数字量化噪声以及p g c 解调噪声对动态范围下限的影 响将在第五章进行详细分析。 2 4 本章小结 1 9 哈尔滨工程大学硕七学位论文 本章首先介绍了激光纳米振动测量系统的总体设计框图，给出光路结构 并对其进行了简单的分析。然后介绍了解调电路方案，着重分析了p g c 调制 解调方法涉及的若干问题，包括载波频率、采样频率的选取和影响系统动态 范围的因素等等。对本章节问题的深入讨论，将对后续的方法实现提供坚实 的理论依据。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第3 章解调系统硬件电路设计 这一章将介绍解调系统硬件电路设计，从对d s p 芯片的选择、总体硬件 系统框图，到各主要功能模块都进行了详细的介绍。 3 1d s p 芯片选型 数字信号处理( d s p ) 芯片是整个解调系统的核心，因此选择d s p 芯片 是非常重要的一个环节。在众多可供选择的d s p 型号中确定合适的片种，可 从d s p 处理器的运算速度、片上资源、功耗，以及价格、封装、开发工具等 等方面考虑1 2 引。 本系统选择t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ( 以下简称为v c 5 4 1 6 ) d s p 处理 器1 2 4 ，是基于以下原则： ( 1 ) 运算速度：v c 5 4 1 6 的指令速度可以达到1 6 0 m i p s ，在该系统中， 完全可以达到实时处理的要求。 ( 2 ) 片上硬件资源：v c 5 4 1 6 具有片内存储器，可以有效地减少片外存 储器容量。v c 5 4 1 6 片内r o m 容量为1 6 k 1 6 b i t ，片内r a m 容量为 1 2 8 k x1 6 b i t 位。v c 5 4 1 6 片内外设丰富，包括软件可编程等待状态发生器、 主机接口( h p i 接口) 、时钟发生器、3 个多通道缓冲串口( m c b s p ) 等。 ( 3 ) 接口能力：v c 5 4 1 6 可以很方便与通用片外存储器无缝连接，当用 户使用低速的片外存储器时，v c 5 4 1 6 可以自动在接口信号中插入等待时间。 其m c b s p 具有灵活的接口功能，可以实现全速双工通信，直接与多媒体数 字信号编解码器的工业标准接口：有模拟接口和串行a d c d a c 的接口，可 方便地进行外围电路设计。 ( 4 ) 开发工具：t i 公司提供方便的d s p 开发系统，如软件平台c o d e c o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) ，支持软件仿真，用户可以在做出目标板之前，利用 c c s 作算法仿真，与硬件设计同步实行。t i 提供的硬件平台包括各种类型的 硬仿真器，如x d s 5 1 0 可以将仿真头直接插入目标板，对系统进行实时软硬 2 1 哈尔滨工程大学硕十学位论文 件调试，或者用户可以直接在d s k p l u s 、e v m 板等系统上进行硬件仿真。 3 2 系统硬件电路框图 根据3 1 节选择的d s p 芯片，我们组建了基于t m s 3 0 2 v c 5 4 1 6 数字信号 处理器的相位生成载波解调硬件系统，其总体框图如图3 1 所示，其中包括 数据采集、数据处理及通信部分等模块。 干涉仪 输出信 光 电 转 换 电 路 载波信号 送入干涉 抗 混 叠 滤 波 电 路 a d c d a c p z t 驱动电路 c p l d x c 9 5 1 4 4 x l f l a s hil s r a m 图3 1 硬件系统框图 异步串行 通信 收发器 t l l 6 c 5 5 0 看门狗电路llp c 机 硬件系统中c p l d 芯片选用了x i l i n x 公司的x c 9 51 4 4 x l 系列。c p l d 芯片的主要用途是控制a d 转换器的采样时序，保存采样结果以及控制d a 时序输出载波信号。外接存储芯片选择了美国a m d 公司的a m 2 9 l v 8 0 0 b 闪 存( f l a s h ) 芯片和i c 6 1 l v 6 4 1 6 的s r a m 芯片。s r a m 芯片用于存储系统 运行中的程序和数据；f l a s h 芯片用于烧制程序文件，以便在系统加电时， 将程序复制到s r a m 中。看门狗电路的作用是可以在程序出错后将d s p 强 行复位，重新加载程序执行。本设计中异步串行通信收发器t l l 6 c 5 5 0 用于 实现d s p 和p c 机之间的数据通信，其主要功能包括发送各种控制命令和接 收来自d s p 的数据。 p 砣钉 s 娶影脚裟 哈尔滨工程大学硕七学位论文 3 3 模数转换器 3 3 1 模数转换器的选择 加转换器将光电探测器输出的模拟信号转化成数字信号，再送入d s p 处理器进行数字解调。因此模数转换器件( a d c ) 对数字系统的设计和技术 指标的保证起着重要的作用。 描述a d c 的两个最重要的技术指标是：转换位数和最高采样频率疋。 2 3 2 节确定的系统采样频率为选择a