激光相干测振信号处理技术研究

论文摘要

激光相干探测技术自上世纪70年代出现后,因其具有高精度、非接触以及抗干扰等优点,同时较直接探测具有更好的灵敏度和信噪比,因而广泛用于微弱振动信号的检测,主要包括表面粗糙度测量、MEMS检测、伪装目标识别、激光语音侦听等领域。激光相干探测信号处理技术也经历了从传统模拟解调方式到数字解调方式的转变。由于国内在相干探测作用距离、探测精度方面仍处于落后状态,信号处理技术方面也存在较大进步空间。因此,开展激光相干测振信号处理技术方面的研究具有重要意义。为实现激光相干探测系统对微振动信号的高精度实时测量,本文在充分调研相关研究内容的基础上,通过理论分析、数值仿真以及实验研究相结合的方式对激光相干测振信号处理技术展开了深入研究。当目标物为对单频振动目标时,基于模拟解调的激光相干探测系统实现了探测距离为35米、最小可探测位移为100nm的精度;基于数字解调的激光相干探测系统在100米探测距离下实现了最小可分辨位移为8nm的探测精度,并实现了复杂语音振动信号的实时输出。文章的主要研究内容如下:(1)系统地介绍了激光相干探测基本理论、PGC解调技术以及激光线宽理论,对比分析了理想环境下和噪声环境下微分交叉相乘和反正切两种PGC解调算法的优劣。文章中提出了一种利用数学期望计算相干探测光电流功率谱的新思路,并通过数值仿真讨论了激光线宽对光电流功率谱的影响。研究结果表明,噪声环境下激光线宽越大,中频信号检测难度越高。理论分析的结果为后续实验研究的开展奠定了基础。(2)通过理论计算干涉场强度大小和对粗糙表面进行建模,分析了声光调制器和目标物表面粗糙度对相干探测系统最小可探测位移的影响。单声光调制器中的衍射光级次串扰现象会使得相干探测回波光产生相位误差,且相位误差随着信号光与本振光之间的相位延迟呈周期性变化。通过理论计算可知,相位误差的存在会使得相干探测系统的最小可探测位移降低。粗糙表面光电流的数值仿真表明,粗糙表面相关长度越大中频电流越大,粗糙表面的高度差均方根越大中频电流越小。(3)信号及噪声理论认为相位噪声的变化是一个维纳过程,经过理论推导分别得到高斯型和洛伦兹型谱线相位噪声的概率分布密度函数。在此基础上,建立了相干探测系统的最小可探测位移模型和等效噪声均方位移模型。指出激光波长、探测距离以及激光线宽是决定最小可探测位移的主要因素,激光波长和信噪比是决定等效噪声均方位移的主要因素。(4)基于模拟解调信号处理技术设计了模拟正交解调电路。根据系统参数的要求,通过理论计算确定了巴特沃斯型模拟滤波器的最低阶数为7阶,并在ADS2013环境下对传输线隔离度进行了仿真分析,确定了PCB最低层数为4层。(5)简要介绍数字解调系统的AD采样过程和正交混频低通滤波原理,通过ISE14.7和Simulink联合仿真建立了基于Simulink的快速FPGA原型设计模型。并对数字解调系统进行了仿真分析。利用System Generator自动生成Verilog硬件语言,完成了数字解调系统信号处理流程的在线编程。提出了一种基于锁相环的反正切解调算法,通过对中频载波信号的频率锁定消除了声光调制器频率抖动导致的解调输出累计误差和高次谐波分量。在此基础上,设计了激光相干探测系统数字解调电路。(6)搭建了基于模拟解调方式和全数字解调方式的两套激光相干测振实验装置,并且分别对单频振动目标和复杂语音振动目标进行了相干测振实验。实验结果表明模拟解调系统和数字解调系统均能对微振动信号进行探测,但数字解调系统在作用距离、探测精度方面更具有优势,并且能够进行实时探测,前期模拟解调技术的探索为全数字解调方案的顺利展开奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 相关领域的国内外研究现状
•     1.2.1 激光相干测振技术的应用
•     1.2.2 激光相干测振信号处理技术研究进展
•   1.3 论文研究内容及章节安排
• 第2章 相干探测理论基础
•   2.1 激光相干基本理论
•     2.1.1 激光多普勒技术
•     2.1.2 光学探测方式
•   2.2 相位生成载波技术
•     2.2.1 微分交叉相乘算法
•     2.2.2 反正切算法
•     2.2.3 两种算法的数值仿真及对比分析
•   2.3 激光线宽对光电流功率谱的影响
•     2.3.1 激光线宽基本理论
•     2.3.2 数值仿真
•   2.4 相干探测系统最小可探测位移影响因素
•     2.4.1 声光调制器
•     2.4.2 目标物表面粗糙度
•   2.5 相干探测系统最小可探测位移模型
•   2.6 本章小结
• 第3章 模拟解调信号处理技术
•   3.1 模拟解调实现方案
•   3.2 模拟正交解调信号处理电路
•     3.2.1 正交信号的产生
•     3.2.2 电压控制增益模块
•     3.2.3 模拟滤波器设计
•     3.2.4 电源模块
•     3.2.5 模拟解调电路PCB板
•   3.3 本振信号虚假抑制比
•   3.4 本章小结
• 第4章 数字解调信号处理技术
•   4.1 数字解调系统概述
•     4.1.1 数字解调系统的AD采样过程
•     4.1.2 正交变换原理
•   4.2 正交混频低通滤波法
•   4.3 数字解调系统仿真
•     4.3.1 数字解调系统方案
•     4.3.2 数字解调系统Simulink模型
•     4.3.3 Simulink仿真分析
•   4.4 数字解调算法及电路
•     4.4.1 CORDIC解调算法
•     4.4.2 中频载波的频率锁定
•     4.4.3 数字解调电路
•   4.5 本章小结
• 第5章 激光相干微振动测量实验
•   5.1 激光相干微振动测量实验装置
•     5.1.1 目标物的选取
•     5.1.2 模拟解调方式
•     5.1.3 数字解调方式
•   5.2模拟解调系统微振动测量实验
•     5.2.1 单频振动目标
•     5.2.2 复杂振动目标
•   5.3数字解调系统微振动测量实验
•     5.3.1 单频振动目标
•     5.3.2 复杂振动目标
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 论文总结
•   6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 晏春回

导师: 王挺峰

关键词: 激光相干探测,激光线宽,相位噪声,正交解调,信号处理技术

来源: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

分类号: TN911.7;TN249

总页数: 155

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