用于外差干涉测振系统的信号解调装置和方法制造方法及图纸

一种用于外差干涉测振系统的信号解调装置和方法。该信号解调方法包括：产生载波调制模拟信号s(t)和AOM驱动信号fAOM；将模拟信号s(t)转换为数字信号s(n)；产生单位正交信号I0和Q0，并与s(n)混频，得到正交信号IS和QS；对混频后的正交信号IS和Qs信号进行抽取和滤波；对IS和QS整形和进一步滤波，只保留含有基带信号的正交信号IB和QB；根据坐标旋转原理进行相位计算得到相位

【技术实现步骤摘要】
用于外差干涉测振系统的信号解调装置和方法
本专利技术涉及振动检测领域，尤其涉及一种用于外差干涉光路的振动测量系统(测振系统)的信号解调装置和方法。
技术介绍
激光多普勒测振技术具有非接触、远距离、灵敏度高、精度高的特点，已经广泛应用于民用、工业生产、军事及航空等领域。如图1所示，激光多普勒测振系统包括干涉光路和电路信号处理两部分，由于外差干涉光路抗干扰性强与精度高的特点，目前测振系统中干涉光路部分通常采用外差光路法，外差干涉光路典型特点就是光路中有频移器(EOM或者AOM)使信号光或参考光产生一定的频移，频移量就是干涉后载波的频率。激光多普勒测振系统的核心就是光学干涉系统和信号解调单元，系统的高精度主要依赖于这两部分的性能，外差光路得到干涉光信号后，系统进行光电信号转换、信号调理和信号解调，信号解调的精度直接决定了系统精度。常见的基于外差干涉光路的振动测量系统中，所采用的频移器件(AOM或者EOM)，最小的频移量为40MHz，如此高的载波如果按照香侬采样定理的要求进行采样，则采样时钟速率要达到几百MHz甚至GHz，由此，这样采用高频载波的好处就是系统抗干扰性强，但缺点是载波越高要求后端采样率也越高，对信号采集模块和信号处理系统的设计带来一定难度，使信号采集电路的设计变得困难，后续信号的处理复杂度和难度均大幅增加。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种用于外差干涉测振系统的信号解调方法，以期至少部分地解决上述技术问题。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，提供了一种用于外差干涉测振系统的信号解调装置，其特征在于，包括：外差干涉光路，用于产生经过振动信号调制的载波调制信号s(t)，并产生AOM驱动参考信号fAOM；信号采集模块，用于将所述载波调制模拟信号s(t)转换为载波调制数字信号s(n)，并将所述AOM驱动参考信号fAOM转换为数字信号；本振信号模块，用于基于数字fAOM信号产生两路单位正交信号I0和Q0，其中所述两路单位正交信号I0和Q0的信号频率与载波调制数字信号s(n)的信号频率相同，数据速率与信号采集模块的采样率相同；混频模块，用于将载波调制数字信号s(n)与所述两路单位正交信号I0和Q0进行混频，得到两路正交信号IS和QS，所述正交信号IS和QS同时保留了倍频和基带成分；数据抽取模块，用于对所述正交信号IS和QS降低数据速率和滤波，滤除其部分倍频成分，保留基带成分；滤波模块，用于对所述正交信号IS和QS进一步滤波，经过滤波模块处理后，消除倍频成分，得到正交信号IB和QB，所述正交信号只保留了基带信号；Cordic相位计算模块，用于对滤波模块处理后的所述正交信号IB和QB的相位进行计算；相位补偿模块，针对目标相位信号超出上述Cordic相位计算模块的量程[-π，π]情况下，对计算结果进行补偿，得到具有真实相位的相位信号数据输出模块，用于将相位补偿模块输出的数字相位信号转换为模拟位移信号后输出。作为本专利技术的另一个方面，还提供了一种用于外差干涉测振系统的信号解调方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将外差干涉光路中的光信号转换成电信号，产生载波调制模拟信号s(t)，所述载波调制模拟信号s(t)中含有目标相位信息；产生AOM驱动信号fAOM；步骤2，将所述载波调制信号s(t)转换为数字信号s(n)；将所述AOM驱动信号fAOM离散化成数字信号；步骤3，本振信号模块基于所述AOM驱动信号fAOM产生单位正交信号I0和Q0，然后单位正交信号I0和Q0与载波调制信号s(n)进行混频，得到两路正交信号IS和QS，所述正交信号IS和QS中同时保留倍频与基带成分；步骤4，数据抽取模块对混频后的两路正交信号IS和QS信号进行抽取和滤波，滤除混频产生的部分高频成分，其保留基带信号；步骤5，滤波模块对上述得到的正交信号Is和QS整形和进一步滤波，得到正交信号IB和QB，IB和QB只保留基带信号；步骤6，Coridic相位计算模块对上述得到的正交信号IB和QB根据坐标旋转原理进行相位计算，得到原始相位步骤7，相位补偿模块对超出Cordic相位计算模块量程的相位计算结果进行补偿，得到真实相位步骤8，将上述得到的相位信号转换为模拟位移信号d(t)输出。基于上述技术方案可知，本专利技术的信号解调方法相对于现有技术具有如下优点：(1)针对外差干涉测振系统中40MHz载波信号的振动调制信号，利用欠采样采样技术，用低于Nyquist频率以下的采样率进行采样，数据率的降低能够有效的降低信号后端处理复杂度；(2)在FPGA中实现数字混频、数字抽取、数字滤波、相位计算功能，实现了目标信号的解调，得到了物体振动信息，通过在FPGA中利用数字方法实现了核心模块的设计，提高了系统的可移植性和修改性；(3)本专利技术利用模/数转换和数/模转换，将信号变化到数字域处理，最后将目标信号转换成模拟信号输出，这样做的优点是算法的抗干扰性强，准确度高，保证了外差干涉测振系统的输出精度。附图说明图1为现有技术的外差干涉测振系统的组成方框示意图；图2为本专利技术的外差干涉测振系统中振动信号解调的流程框架结构图；图3为本专利技术中信号变换的流程图；图4为本专利技术的外差干涉测振系统的信号解调方法的流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术公开了一种带通采样方法来实现振动信号的解调，在FPGA中实现，这种解调方法将采样率降低到Nyquist频率以下，该方案具有采样率低的特点。具体地，本专利技术公开了一种用于外差干涉测振系统的信号解调装置，包括：外差干涉光路，用于产生经过振动信号调制的载波调制信号s(t)，并产生AOM驱动参考信号fAOM；信号采集模块，用于将所述载波调制模拟信号s(t)转换为载波调制数字信号s(n)，并将所述AOM驱动参考信号fAOM转换为数字信号；本振信号模块，用于基于数字fAOM信号产生两路单位正交信号I0和Q0，其中所述两路单位正交信号I0和Q0的信号频率与载波调制数字信号s(n)的信号频率相同，数据速率与信号采集模块的采样率相同；混频模块，用于将载波调制数字信号s(n)与所述两路单位正交信号I0和Q0进行混频，得到两路正交信号IS和QS，所述正交信号IS和QS同时保留了倍频和基带成分；数据抽取模块，用于对所述正交信号IS和QS降低数据速率和滤波，滤除其部分倍频成分，保留基带成分；滤波模块，用于对所述正交信号IS和QS进一步滤波，经过滤波模块处理后，得到信号IB和QB，正交信号IB和QB正交信号只保留了基带信号；Cordic相位计算模块，用于对滤波模块处理后的所述正交信号IB和QB的相位进行计算；相位补偿模块，针对目标相位信号超出上述Cordic相位计算模块的量程[-π，π]情况下，对进行补偿，得到具有真实相位的相位信号数据输出模块，用于将相位补偿模块输出的数字相位信号转换为模拟位移信号d(t)后输出。作为优选，所述载波调制模拟信号其中A为载波幅度，f0为载波频率，为振动信号调制相位，所述载波调制模拟信号s(t)中包含有振动调制信启作为优选，信号采集模块将载波调制模拟信号s(t)进行离散化处理，离散化后的载波调制数字信号s(n)的表达式为A(n)为数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于外差干涉测振系统的信号解调装置，其特征在于，包括：外差干涉光路，用于产生经过振动信号调制的载波调制信号s(t)，并产生AOM驱动参考信号fAOM；信号采集模块，用于将所述载波调制模拟信号s(t)转换为载波调制数字信号s(n)，并将所述AOM驱动参考信号fAOM转换为数字信号；本振信号模块，用于基于数字fAOM信号产生两路单位正交信号I0和Q0，其中所述两路单位正交信号I0和Q0的信号频率与载波调制数字信号s(n)的信号频率相同，数据速率与信号采集模块的采样率FS相同；混频模块，用于将载波调制数字信号s(n)与所述两路单位正交信号I0和Q0进行混频，得到两路正交信号IS和QS，所述正交信号IS和QS同时保留了倍频向和基带成分；数据抽取模块，用于对所述正交信号IS和QS降低数据速率和滤波，滤除其部分倍频成分，保留基带成分；滤波模块，用于对所述正交信号IS和QS进一步滤波，经过滤波模块处理后，得到信号IB和QB，所述正交信号只保留了基带信号；Cordic相位计算模块，用于对滤波模块处理后的所述正交信号IB和QB的相位进行计算；相位补偿模块，针对目标相位信号

【技术特征摘要】
1.一种用于外差干涉测振系统的信号解调装置，其特征在于，包括：外差干涉光路，用于产生经过振动信号调制的载波调制信号s(t)，并产生AOM驱动参考信号fAOM；信号采集模块，用于将所述载波调制模拟信号s(t)转换为载波调制数字信号s(n)，并将所述AOM驱动参考信号fAOM转换为数字信号；本振信号模块，用于基于数字fAOM信号产生两路单位正交信号I0和Q0，其中所述两路单位正交信号I0和Q0的信号频率与载波调制数字信号s(n)的信号频率相同，数据速率与信号采集模块的采样率FS相同；混频模块，用于将载波调制数字信号s(n)与所述两路单位正交信号I0和Q0进行混频，得到两路正交信号IS和QS，所述正交信号IS和QS同时保留了倍频向和基带成分；数据抽取模块，用于对所述正交信号IS和QS降低数据速率和滤波，滤除其部分倍频成分，保留基带成分；滤波模块，用于对所述正交信号IS和QS进一步滤波，经过滤波模块处理后，得到信号IB和QB，所述正交信号只保留了基带信号；Cordic相位计算模块，用于对滤波模块处理后的所述正交信号IB和QB的相位进行计算；相位补偿模块，针对目标相位信号超出上述Cordic相位计算模块量程[-π，π]的情况下，对Cordic相位计算结果进行补偿，得到具有真实相位的相位信号数据输出模块，用于将相位补偿模块输出的数字相位信号转换为模拟位移信号后输出。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述载波调制模拟信号其中A为载波幅度，f0为载波频率，为振动信号调制相位，所述载波调制模拟信号s(t)中包含有振动调制信息3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，信号采集模块将载波调制模拟信号s(t)进行离散化处理，离散化后的载波调制数字信号s(n)的表达式为A(n)为数字化后的载波幅度，fC为数字化后的载波频率，为振动信号调制相位；作为优选，所述数据采样模块的采样率FS满足f0＜FS＜2f0(f0为模拟载波频率)，则离散化后的载波频率为fC＝FS-f0。4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，离散化的信号s(n)在混频模块与本振模块产生的单位正交信号I0及Q0混频，混频公式如下：IS路：QS路：混频后，得到正交化的IS、QS两路信号，包括倍频项与基带项；作为优选，数据抽取模块滤波之后，所述正交信号IS和QS消除了倍频项，得到正交信号IB和QB，IB和QB只保留基带项，表达式为：IB路：QB路：5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，Cordic相位计算模块依据坐标旋转原理得到目标相位信号与反正切算法arctan(QB/IB)得到的值相同，Cordic算法相位计算范围为[-π，π]，采用Cordic相位计算模块可以避免反正切算法中分母IB为零时无法计算的情况；作为优选，相位补偿模块基于Cordic相位计算模块对可能产生[-π，π]之外的信号进行补偿，根据产生折叠时相位值与真实相位值相差2π的关系，对相位进行补偿，得到补偿后的相位信号其中k为整数，k＝0，±1，±2，…)，然后数据输出模块将相位补偿模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊红星，范松涛，周燕，李丽艳，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11