相位载波式激光干涉仪闭环解调算法的残差补偿方法

技术领域

本发明涉及的是一种光学干涉测量方法，具体地说是一种相位载波激光干涉信号的的残差补偿方法。

背景技术

广泛应用于光学干涉型传感器的相位解调算法为PGC算法，其原理是利用输入信号与本地调相波进行差频处理，得到两路被测相位的正交值，再利用正交值与原始信号进行交叉微分相乘，通过三角函数关系与积分处理得到被测相位值。在80年代数字电路不是很发达的情况下该算法的提出很好的解决了工程实际化的问题。但是该算法存在几个问题，首先是其工作的动态范围受调相波信号影响很大，另外该系统工作在开环状态下，没有反馈回路保证系统的长期工作稳定性。PGC算法中还有一个比较严重的问题就是很容易受到伴生调幅的影响，由于PGC算法需要一个调相波信号对干涉仪进行调制，在直接调制激光器相位过程中容易引人伴随的幅度变化，该变化会使最终数据结果产生较大的谐波失真。另一方面，对于相位载波激光干涉信号的闭环解调算法也会因扰动因素或跟踪能力限制，而存有不同程度的残差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有更高的解调精度的相位载波式激光干涉仪闭环解调算法的残差补偿方法。

本发明的目的是这样实现的：

相位载波式激光干涉信号经过光电转换后分别与G cosω₀t和H>0t作乘法运算，其中：ω₀为相位调制频率，G、H分别为外加载波的幅值；

利用低通滤波器滤除含有ω₀的交流分量，得到和其中：B为干涉后光强的交流分量，J₁(C)、J₂(C)分别为与光源调制深度有关的贝塞尔函数展开系数，二者的比值为

经反正切计算得到闭环解调算法的系统残差用于补偿闭环相位解调结果。

本发明还可以包括：

当被测信号产生的相位变化范围小于等于正负45度时，所得到的残差项为被测信号产生的相位。

本发明在相位载波试激光干涉信号闭环解调算法的基础上引入了闭环残差补偿机制。

具体地，经光电探测器之后的干涉信号为：

其中：I₁,I₂分别为两束干涉光光强，A为干涉后光强的直流分量，B为干涉后光强的交流分量，为干涉相位变化值，表达式为：

其中上式中的分别为干涉初相位，光源调制引起的相位变化，。光源调制引起的相位变化与光源调制频率ν有关。

其中n为光纤折射率，l为两臂臂长差，c为光速，调制电流为i＝i₀cosω₀t，则光源引起的频率变化为ν＝Δνcosω₀t，得到调制信号引起的相位变化量为：

其中C为调制深度，是与光纤干涉仪以及调制相关的固定常量，则干涉信号形式为：

对其进行贝塞尔展开，得：

其中J_m(C)为某一调制深度C下的高阶系数。

将贝塞尔展开后的式子与信号发生器产生的外加载波信号G cosω₀t、H>0t相乘，并分别利用低通滤波去除掉包含ω₀的交流项，可得：

作除法运算后，得到：

去除常数项并利用反正切计算得到闭环相位解调算法的系统相位残差将该残差与闭环解调结果相加作为最终的解调结果。

本发明的优势在于：具有相位调制将官干涉信号闭环解调方法的优点，同时还具有更高的解调精度。

附图说明

图1为相位载波式激光干涉信号闭环解调的残差补偿方法的流程图。

图2为相位载波式激光干涉信号闭环解调的残差补偿方法的装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

结合图2，本发明的装置包括：1、激光器光源，2、光纤耦合器，3、光纤传感器臂，4、光纤参考臂，5、传感臂反射镜，6、参考臂反射镜，7、光电探测器，8、带通滤波器，9、用于与外载波信号相乘的乘法器，10、乘法器，11、低通滤波器，12、低通滤波器，13、除法器，14、反正切运算，15、开方运算，16、PID控制器，17、加法器，18、输出的最后解调出的相位信号，19、压电陶瓷驱动器，20、压电陶瓷。本发明的装置可分为两部分，第一部分为激光光纤干涉仪产生相位载波的干涉相位信号，包括激光光源、光纤耦合器、参考臂和传感臂；第二部分为本发明提供的相位载波式激光干涉仪闭环解调算法的残差补偿方法，其中的相位解调模块由中心频率ω₀的带通滤波器、乘法器、低通滤波器、开方求和运算构成，系统残差补偿模块由乘法器、低通滤波器、除法器、反正切运算构成，闭环控制模块由PID控制器和压电陶瓷构成。

干涉信号经光电转换和AD采样送入可编程逻辑器件(FPGA)，在FPGA中完成光干涉信号带通滤波、自乘、低通滤波、开方运算，及PID运算，产生闭环控制信号，即相位补偿信号，该信号放大后产生补偿相位馈入光路。

同时光电转换的干涉信号经AD采样后还在FPGA中与单倍频、双倍频载波信号做相应的乘法、除法、低通滤波和反正切运算，得到系统残差。残差与相位补偿信号在FPGA中相加得到最终的相位解调结果，该信号由FPGA输出。

相位载波式激光干涉仪闭环解调过程中，系统会因扰动因素或跟踪能力的限制，而存有不同程度的残差。本发明提供了一种相位载波式激光干涉信号闭环解调算法的残差补偿方法，主要包括：将干涉光信号与外加的载波信号相乘、低通滤波、作除、反正切得到系统残差，将系统残差与闭环解调出的相位信号加权求和，以此修正测量结果。

相位载波式激光干涉信号经过光电转换后分别与G cosω₀t和H>0t作乘法运算(ω₀为相位调制频率，G、H分别为外加载波的幅值)，并利用低通滤波器滤除含有ω₀的交流分量，得到和(B为干涉后光强的交流分量，J₁(C)、J₂(C)分别为与光源调制深度有关的贝塞尔函数展开系数)，二者的比值为根据该式可经反正切计算得到闭环解调算法的系统残差并用于补偿闭环相位解调结果；

当被测信号产生的相位变化范围不大时(如正负45度)，可在适当调整静态工作点后，将闭环系统转为开环状态，则所得到的残差项就是被测信号产生的相位。