光外差干涉对超声振动信号的解调.docx

光外差干涉对超声振动信号的解调张志伟1，2，3郝华伟1( 中北大学信息与通信工程学院1 ，电子测试技术重点实验室2 ，仪器科学与动态测试教育部重点实验室3 ，太原 030051)摘 要 为了解调出微弱超声振动信号，设计了具有较高检测灵敏度的外差干涉系统。实验没有采用特殊的线偏振激光，而是采用普通氦氖激光器作为光源，然后通过 PBS 来产生相同的线偏振光; 再让两束 P 光在光电检测器中形成外差干涉。实验 结果显示，获得了幅值较大的外差干涉信号，幅值将近 70 mV，频率达到了 79. 37 MHz，与标准的 80 MHz 的相对误差频率仅为 0. 7% ; 同时得到当振动信号频率为 5 kHz，幅值为 1 V 时通过解调获得的超声振动信号最明显。关键词 外差干涉中图法分类号 TN247;激光超声线偏振光文献标志码 A相敏检测在我们通常使用的超声检测中，产生超声波的装置是由压电或压磁换能器所产生的。由于有限的 带宽，超声波的传播只能在固体或液体中，并且需要 使用耦合剂来耦合样品才能进行超声波的检测。激 光超声技术从 20 世纪 70 年代开始，因其频带较宽、 模式多样、时间空间分辨率较高的特点，在无损探伤 领域的关注和应用越来越广泛，已发展成为超声学 的一个重要分支1，2。而且由于激光超声微弱的振 动信号及幅值的特 性35。我们多用光学检测方 法。光学检测超声可分成两类: 一类是非干涉法，如 狭缝法、刀刃法等; 另一类是干涉法，主要包括外差 干涉法、差分干涉法和多光束干涉法等6。外差干 涉法较常用7，且最大的特点是将微弱激光超声加载到高频范围内处理，从而避开 1 / f 的低频噪声干扰。通常的外差干涉系统，因使用的光学器件多，会 出现许多杂光，信噪比低，对微弱激光超声信号的检 测会不利，因此，本文使用偏振分光棱镜使出射光为 线偏振光，改善传统的干涉光路系统，使用压电振动 代替超声装置，实验得到了外差信号，并且解调出了 超声振动信号，而且结构简单，成本较低。角棱镜、反射镜 M2、偏振分光棱镜 PBS，在偏振分光棱镜上发生全透射通过的为 P 光，再在分光棱镜 BS 上发生全透射不改变原来的偏振态仍然为 P 光。1 级光经过反射镜 M1、偏振分光棱镜 PBS，在 PBS 上 发生全透射产生 P 光，再在分光棱镜 BS 上发生全 透射，到达样品，经样品反射后再通过分光棱镜 BS 反射，而分光棱镜 BS 不改变偏振态，产生的还是 P 光，调整光路使 0 级光和 1 级光重合，重合的两束 P 光汇聚到光电检测器上发生干涉。图 1 光外差对微弱激光超声信号检测示意图1激光外差干涉系统的组成图 1 为本文所设计的对微弱激光超声信号检测图 2 为实物图。与传统的线偏振外差干涉系统相比本系统的优点如下:第一，光源发出的激光经布拉格器件产生两束 光( 0 级光和 1 级光) ，频差为 80 MHz，高频率更好 地抑制了低频部分的噪声，而且得到的布拉格衍射 光能量分布比较集中。第二，对于 0 级光和 1 级光在发生干涉之前，没的示意图。采用功率为大于 2 mW 的 DH-HN250 氦氖激光器作为光源，发出的光的波长为 632. 8nm，光束通过布拉格器件产生频率不同的两束光: 0 级光和 1 级光8，9，其频差为 80 MHz。0 级光通过三有使用传统的 1 波片来改变振动方向，而是直接2013 年 11 月 5 日收到第一作者简介: 郝华伟( 1989) ，男，硕士生，研究方向: 光外差干涉 信号。E-mail: hhwyxc 163 com。2采用 PBS 发生全透射产生 P 光。这避免了在使用 波片来改变振动方向时的较大误差。而且减少了器10 期郝华伟，等: 光外差干涉对超声振动信号的解调225件的使用，使对光路的调试更加容易，同时干扰因素也减少。第三，最后在汇聚到光电检测器时没有使用透 镜，虽然透镜可以使光强增加，增加干涉光的幅值， 但是在聚焦点的精确控制上有一定的难度，同时由 于使用的是开放式的光路，所以会同时把一些污染 光给聚焦进去，对信号造成污染，使噪声增加。而且 两束光经过 PBS 后形成 P 光本身的噪声就已经比 较少了。在相敏检波器处相乘并整理得:0 + 4tu( t)I( t)U( t) W( t)AA cos 2f+ =B11 AAcos( 2f t + )=ss12cos(4fB t+ 0 + s )4u( t)+0s 1 AA cos4u( t)+( 3)12调整相位使 0 与 s 相差 90，并通过低通滤波 器滤除上式的第一项，又 ( 4 / ) u( t) 很小以致接近于 0，所以可得:I( t)1 AA sin 4u( t) 2AA=u( t) = Ku( t)112( 4)因此 输 出 电 流 正 比 于 其 中 比 例 系 数K=( 2 / ) AA1超声振动位移，据此可检测超声信息。实验结果分析经过调试光路，在示波器上可以观察到明显的 差拍信号如图 4 所示。它的频率为 79. 37 MHz，与 理想的 80 MHz 的频率相对误差只有 0. 7% ，幅值为3图 2 光外差对微弱激光超声信号检测实物图mV，接近 70 mV，比传统的光路的幅值要大出将66近 15mV。2 微弱超声信号检测原理若样品表面有超声脉冲 u( t) ，则 1 级光经样品 表面反射后由于多普勒效应发生 ( 4 / ) u( t) 的相位移10。与 0 级参考光发生干涉作用，经光电探测 器输出含有相位调制的电流信 号，其 表 达 式 可 写为11，12:U( t) = Acos2fB t+ 0 4+u( t)( 1)式( 1) 中，fB 为 80 MHz，u( t) 为超声振动位移，A 为信号幅值，0 为初始相位。其中标准参考信号也是由布拉格器件输出，其 表达式为:图 4 差拍 80 MHz 的信号W( t)= A1 cos( 2fs t + s )( 2)经过 Matlab 处理，在振动的样品上解调出了振动超声信号的处理图像如图 5 所示。实验中得到了 振动信号的幅值从 100 mV 到 2 V 时的信号的解调 处理图像，其中选了比较典型的幅值为 400 mV 频式( 2) 中，fs= 80 MHz。 在实验中，信号处理电= fB路可由放大器、相敏检波器( 乘法器) 和低通滤波器等部分组成，其原理框图如图 3 所示。率为 4 kHz、幅 值 为 400频 率 为 5 kHz、幅 值mV为 1 V 频率为 5 kHz、幅值为 1 V 频率为 6 kHz 的图像的对比如下。由图 5 解调出来的波形对比可知当振动信号幅 值相同，频率小的，解调出的信号的幅值大，趋向于 平稳所用时间长。当振动信号的频率相同时，幅值图 3 超声信号检测原理框图待测信号 U( t) 经过放大后与参考信号 W( t)226科 学 技 术与 工 程14 卷外差信号接近于 70 mV，频率也接近 80 MHz，对检测微弱超声信号的研究很有利，而且解调出来了振 动信号的波形，对下一步的激光超声的探测有指导 性的作用。参 考 文 献钱梦骤 激光超声检测技术及其应用 上海计量测试，2003; 30( 1) :47张淑义 激光超声与材料无损评价 应用声学，1992; 11( 4) : 16 Li X F，Wang C H，Xiang H B，et al Finite element simulation of ul- trasonic guided waves generated by a pulsed laser in human skin In-strument of Science Technology，2006; 34( 6) : 711725Qi L H，Ni Q L，Chen B Experimental investigation of laser-pro- ducedplasma EUV source based on liquid target Opt Precision Eng，2005; 13( 5) : 604607Ma P，Hu J P，Chen S L，et al High laser damage threshold coatingsand damage testing technology Opt Precision Eng，2005; 13 ( 4 ) :500504Monchalin J P Heterodyne interferometric laser probe to measure continuous ultrasonic displacement ev Sci Instrum，1985; 56 ( 4 ) : 543546龚育良，张永智，梁海岩 用外差干涉法探测固体表面激光超声 的研究 中国激光，1997; 24( 9) : 819822Berg N J，Pellegrino J M Acousto-optic Signal Processing: Theory and Implementation New York: Marcel Dekker Inc，1996: 125146 冀贞海，胡 勇，李 锋，等 声光信号处理的频谱分析技术研 究 航天电子对抗，2012; 28( 6) ; 4244 龚育良，李红卫，白世武 激光外差探测超声位移的原理、方法和 实验 声学学报，1996; 21( 3) : 2592641234图 5 振动信号的解调图大的，解调出的信号的幅度大，趋向于平稳所用时间长。而且振动信号的频率为 5 kHz，幅值为 1 V 时的 解调图像振动幅度最大，趋于平稳的时间最长。56结论激光超声是近些年发展起来的一种新的无损伤 探测技术，具有非接触、宽带等诸多优点。本文设计 的外差干涉系统，在光源上对激光的要求不是特殊 的线偏振光源，而是采用氦氖激光器光源，使用 PBS 得到相同的线偏振光，节省了开支，有效地抑制了光 学噪声，而且提高了系统的灵敏度。同时控制了光 学仪器的数量，但是在调试上更容易来调试，得到的 外差干涉信号的幅值也大幅度地提高，调试方便，有 利于改善外差信号的幅值。实验结果表明，得到的47891011 李醒飞，王 驰，向红标，等 光学外差干涉法检测微弱超声振动 光学精密工程，1998; 16( 7) : 1158116312马丽芳，王 驰，向红标，等 检测微弱超声的线偏振光外差干涉系统 科学技术与工程，2007; 7( 17) : 44664468Demodulate of Ultrasonic Signal Using Optical Heterodyne InterferometryHAO Hua-wei1 ，ZHANG Zhi-wei1，2，3( School of Information and Communication Engineering1 ，National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology2 ，Key Laboratory of Instrumentation Science Dynamic Measurement Ministry of Education3 ，North University of China，Taiyuan 030051，P China)Abstract In order to demodulate weak ultrasonic signal，a high-sensitivity optical heterodyne interferometer sys-tem was developed A special linearly polarized laser was not used as light source in the experiment，but a general He-Ne laser. And the same linearly polarized light was generated by PBS. Then let the two P light to form hetero- dyne interferometry in the optoelectronic detector. Experimental results indicate that the amplitude of heterodyne in- terferometer signal is bigger and the amplitude is nearly 70 mV，the frequency gets to 79. 3 MHz which the relative error