本發(fā)明涉及的是一種光學干涉測量方法，具體地說是一種相位載波激光干涉信號的的殘差補償方法。

背景技術：

廣泛應用于光學干涉型傳感器的相位解調(diào)算法為PGC算法，其原理是利用輸入信號與本地調(diào)相波進行差頻處理，得到兩路被測相位的正交值，再利用正交值與原始信號進行交叉微分相乘，通過三角函數(shù)關系與積分處理得到被測相位值。在80年代數(shù)字電路不是很發(fā)達的情況下該算法的提出很好的解決了工程實際化的問題。但是該算法存在幾個問題，首先是其工作的動態(tài)范圍受調(diào)相波信號影響很大，另外該系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)下，沒有反饋回路保證系統(tǒng)的長期工作穩(wěn)定性。PGC算法中還有一個比較嚴重的問題就是很容易受到伴生調(diào)幅的影響，由于PGC算法需要一個調(diào)相波信號對干涉儀進行調(diào)制，在直接調(diào)制激光器相位過程中容易引人伴隨的幅度變化，該變化會使最終數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生較大的諧波失真。另一方面，對于相位載波激光干涉信號的閉環(huán)解調(diào)算法也會因擾動因素或跟蹤能力限制，而存有不同程度的殘差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有更高的解調(diào)精度的相位載波式激光干涉儀閉環(huán)解調(diào)算法的殘差補償方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

相位載波式激光干涉信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后分別與G cosω₀t和H cos2ω₀t作乘法運算，其中：ω₀為相位調(diào)制頻率，G、H分別為外加載波的幅值；

利用低通濾波器濾除含有ω₀的交流分量，得到和其中：B為干涉后光強的交流分量，J₁(C)、J₂(C)分別為與光源調(diào)制深度有關的貝塞爾函數(shù)展開系數(shù)，二者的比值為

經(jīng)反正切計算得到閉環(huán)解調(diào)算法的系統(tǒng)殘差用于補償閉環(huán)相位解調(diào)結(jié)果。

本發(fā)明還可以包括：

當被測信號產(chǎn)生的相位變化范圍小于等于正負45度時，所得到的殘差項為被測信號產(chǎn)生的相位。

本發(fā)明在相位載波試激光干涉信號閉環(huán)解調(diào)算法的基礎上引入了閉環(huán)殘差補償機制。

具體地，經(jīng)光電探測器之后的干涉信號為：

其中：I₁,I₂分別為兩束干涉光光強，A為干涉后光強的直流分量，B為干涉后光強的交流分量，為干涉相位變化值，表達式為：

其中上式中的分別為干涉初相位，光源調(diào)制引起的相位變化，。光源調(diào)制引起的相位變化與光源調(diào)制頻率ν有關。

其中n為光纖折射率，l為兩臂臂長差，c為光速，調(diào)制電流為i＝i₀cosω₀t，則光源引起的頻率變化為ν＝Δνcosω₀t，得到調(diào)制信號引起的相位變化量為：

其中C為調(diào)制深度，是與光纖干涉儀以及調(diào)制相關的固定常量，則干涉信號形式為：

對其進行貝塞爾展開，得：

其中J_m(C)為某一調(diào)制深度C下的高階系數(shù)。

將貝塞爾展開后的式子與信號發(fā)生器產(chǎn)生的外加載波信號G cosω₀t、H cos2ω₀t相乘，并分別利用低通濾波去除掉包含ω₀的交流項，可得：

作除法運算后，得到：

去除常數(shù)項并利用反正切計算得到閉環(huán)相位解調(diào)算法的系統(tǒng)相位殘差將該殘差與閉環(huán)解調(diào)結(jié)果相加作為最終的解調(diào)結(jié)果。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：具有相位調(diào)制將官干涉信號閉環(huán)解調(diào)方法的優(yōu)點，同時還具有更高的解調(diào)精度。

附圖說明

圖1為相位載波式激光干涉信號閉環(huán)解調(diào)的殘差補償方法的流程圖。

圖2為相位載波式激光干涉信號閉環(huán)解調(diào)的殘差補償方法的裝置結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細的描述。

結(jié)合圖2，本發(fā)明的裝置包括：1、激光器光源，2、光纖耦合器，3、光纖傳感器臂，4、光纖參考臂，5、傳感臂反射鏡，6、參考臂反射鏡，7、光電探測器，8、帶通濾波器，9、用于與外載波信號相乘的乘法器，10、乘法器，11、低通濾波器，12、低通濾波器，13、除法器，14、反正切運算，15、開方運算，16、PID控制器，17、加法器，18、輸出的最后解調(diào)出的相位信號，19、壓電陶瓷驅(qū)動器，20、壓電陶瓷。本發(fā)明的裝置可分為兩部分，第一部分為激光光纖干涉儀產(chǎn)生相位載波的干涉相位信號，包括激光光源、光纖耦合器、參考臂和傳感臂；第二部分為本發(fā)明提供的相位載波式激光干涉儀閉環(huán)解調(diào)算法的殘差補償方法，其中的相位解調(diào)模塊由中心頻率ω₀的帶通濾波器、乘法器、低通濾波器、開方求和運算構(gòu)成，系統(tǒng)殘差補償模塊由乘法器、低通濾波器、除法器、反正切運算構(gòu)成，閉環(huán)控制模塊由PID控制器和壓電陶瓷構(gòu)成。

干涉信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和AD采樣送入可編程邏輯器件(FPGA)，在FPGA中完成光干涉信號帶通濾波、自乘、低通濾波、開方運算，及PID運算，產(chǎn)生閉環(huán)控制信號，即相位補償信號，該信號放大后產(chǎn)生補償相位饋入光路。

同時光電轉(zhuǎn)換的干涉信號經(jīng)AD采樣后還在FPGA中與單倍頻、雙倍頻載波信號做相應的乘法、除法、低通濾波和反正切運算，得到系統(tǒng)殘差。殘差與相位補償信號在FPGA中相加得到最終的相位解調(diào)結(jié)果，該信號由FPGA輸出。

相位載波式激光干涉儀閉環(huán)解調(diào)過程中，系統(tǒng)會因擾動因素或跟蹤能力的限制，而存有不同程度的殘差。本發(fā)明提供了一種相位載波式激光干涉信號閉環(huán)解調(diào)算法的殘差補償方法，主要包括：將干涉光信號與外加的載波信號相乘、低通濾波、作除、反正切得到系統(tǒng)殘差，將系統(tǒng)殘差與閉環(huán)解調(diào)出的相位信號加權(quán)求和，以此修正測量結(jié)果。

相位載波式激光干涉信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后分別與G cosω₀t和H cos2ω₀t作乘法運算(ω₀為相位調(diào)制頻率，G、H分別為外加載波的幅值)，并利用低通濾波器濾除含有ω₀的交流分量，得到和(B為干涉后光強的交流分量，J₁(C)、J₂(C)分別為與光源調(diào)制深度有關的貝塞爾函數(shù)展開系數(shù))，二者的比值為根據(jù)該式可經(jīng)反正切計算得到閉環(huán)解調(diào)算法的系統(tǒng)殘差并用于補償閉環(huán)相位解調(diào)結(jié)果；

當被測信號產(chǎn)生的相位變化范圍不大時(如正負45度)，可在適當調(diào)整靜態(tài)工作點后，將閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為開環(huán)狀態(tài)，則所得到的殘差項就是被測信號產(chǎn)生的相位。