基于AD8302的激光外差干涉信號(hào)解調(diào)技術(shù)

劉 丹，鄭 賓，2*，郭華玲，2，劉 輝

引 言

由于激光外差干涉具有非接觸測(cè)量、精度高和溯源性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于振動(dòng)、位移、速度等物理量的精密測(cè)量中。激光外差干涉測(cè)量的原理是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為調(diào)頻或調(diào)相電信號(hào)，解調(diào)后即可得到被測(cè)量信息［1-3］。目前對(duì)于外差信號(hào)的處理常采用相位解調(diào)法。相位解調(diào)需要精確地測(cè)量相位差，如果基于軟件算法實(shí)現(xiàn)，將加重計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集負(fù)擔(dān)，同時(shí)在解調(diào)過程中會(huì)引入量化誤差，導(dǎo)致信號(hào)失真［4］。為了解決這些問題，應(yīng)該設(shè)計(jì)硬件解調(diào)，將原始的光強(qiáng)信號(hào)直接用硬件解調(diào)模塊處理，再交由后端數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)作數(shù)據(jù)分析，降低對(duì)采集系統(tǒng)采樣率的要求，同時(shí)也消除量化誤差對(duì)相位信號(hào)的影響［5］。硬件解調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，解調(diào)出的信號(hào)能夠如實(shí)地還原被測(cè)信號(hào)，但傳統(tǒng)的硬件相位解調(diào)存在很多缺陷，需要采用多片集成芯片，不僅電路復(fù)雜、測(cè)量精度低，而且工作頻帶窄，只能測(cè)量中低頻信號(hào)［6-7］。因此需要提出一種電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高的新型的相位解調(diào)方法。本文中采用單片相位與幅度測(cè)量集成芯片AD8302對(duì)高頻激光外差信號(hào)(80MHz)進(jìn)行相位精確測(cè)量。

1 激光外差測(cè)量原理

激光外差測(cè)量原理見圖1。氦氖激光器作為光源，激光光束進(jìn)入具有頻移作用的聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator，AOM)，產(chǎn)生頻率不同的兩束光:0級(jí)光和+1級(jí)光，其頻差為80MHz。其它雜散光被濾除，0級(jí)光與+1級(jí)光通過光闌，然后經(jīng)過偏振分光棱鏡(polarizing beam splitter，PBS)分為兩束，透射部分為線偏振p光，反射部分為線偏振s光。0級(jí)和+1級(jí)p光依次經(jīng)過反射鏡M1和M2，然后經(jīng)過三角棱鏡，最后到達(dá)非偏振分光棱鏡BS1上。非偏振分光棱鏡不會(huì)影響光束的偏振態(tài)，調(diào)整光路使0級(jí)光和+1級(jí)光重合，重合的兩束p光經(jīng)聚焦透鏡匯聚到光電探測(cè)器(photoelectric detector，PD)PD1上發(fā)生干涉，作為參考光。同時(shí)0級(jí)s光經(jīng)過三角棱鏡和反射鏡M3，到達(dá)非偏振分光棱鏡BS2，+1級(jí)s光入射到存在微振動(dòng)的測(cè)量鏡后，到達(dá)非偏振分光棱鏡BS2，最終經(jīng)透鏡匯聚到PD2上發(fā)生干涉。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，兩光電探測(cè)器輸出外差信號(hào)分別為［8］:I1=A1cos(ω1t+φ1)(1)

Fig.1 Scheme of heterodyne interferometers

式中，A1和A2、φ1和φ2分別為參考光與信號(hào)光的振幅和初相位;ω1和ω2是參考光和信號(hào)光的頻率，如果被測(cè)鏡表面存在振動(dòng)u(t)，則信號(hào)光經(jīng)樣品表面反射后由于多普勒效應(yīng)發(fā)生(4π/λ)u(t)的位移［7］。由(1)式和(2)式可知，只要測(cè)出兩路外差信號(hào)的相位差Δφ，就可以得到待測(cè)振動(dòng)信息，因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的要點(diǎn)是對(duì)兩路光外差信號(hào)進(jìn)行比相，以期得到振動(dòng)的相位和幅度。

2 AD8302對(duì)外差干涉信號(hào)的解調(diào)

2．1 AD8302的性能特點(diǎn)

AD8302是美國(guó)ADI公司于2001年推出的單片寬頻帶相位差測(cè)量系統(tǒng)，包含2個(gè)精密匹配的寬帶對(duì)數(shù)放大器、1個(gè)寬帶相位檢測(cè)器，工作頻率從低頻到2.7GHz［9-10］。由于所有模塊集成在一個(gè)芯片上，因此，可將溫漂降至最低限度［11］。測(cè)量相位差的范圍是0°～180°，對(duì)應(yīng)的電壓變化范圍是0V～1.8V，輸出靈敏度為10mV/°。相位輸出的轉(zhuǎn)換速率高達(dá)30MHz，響應(yīng)時(shí)間為40ns～500ns。單電源+2.7V～+5.5V供電，典型值為5V，電源電流為19mA［12］。

2．2 AD8302測(cè)量相位差原理

AD8302的測(cè)量原理如圖2所示，將參考光路和信號(hào)光路的電信號(hào)接入AD8302的兩個(gè)輸入端，送給內(nèi)部的兩個(gè)對(duì)數(shù)放大器，然后通過乘法器，經(jīng)積分后的輸出與相位差有關(guān)的信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

式中，I1′和I2′是 I1和I2通過對(duì)數(shù)放大器后輸出的信號(hào);φ1和φ2分別是 I1和I2經(jīng)對(duì)數(shù)放大器后的相位，忽略對(duì)數(shù)放大器不對(duì)稱導(dǎo)致的誤差，則φ1-φ2=Δφ，因此兩路外差干涉信號(hào)經(jīng)過AD8302內(nèi)部集成的鑒相電路后，得到的相位差輸出電壓［13］為:

Fig.2 Work principle of AD8302

式中，RVREFIφ代表相位特性曲線斜率，大小為10mV/°，中心點(diǎn)為 Vc(900mV)，對(duì)應(yīng)角度 90°。相位特性曲線如圖3所示。當(dāng)相位差為0°時(shí)，輸出電壓為1.8V;相 位 差 為 180°時(shí)，輸 出 電 壓 為 30mV［14］。AD8302輸出的與相位差有關(guān)的電壓信號(hào)可在示波器上顯示，也可由數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)處理。

Fig.3 Phase character graph of AD8302

2．3 AD8302相位差測(cè)量的硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用AD8302的典型應(yīng)用電路，系統(tǒng)框圖如圖4所示。由于AD8302輸入功率的范圍是-60dBm～0dBm，特性阻抗為50Ω的系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)電壓范圍為0.224mV～224mV，所以外差干涉信號(hào)幅度應(yīng)低于AD8302輸入信號(hào)幅度范圍。本電路采用型號(hào)為VAC18E的衰減器，頻率為直流到1.5GHz，衰減范圍0dB～15dB可調(diào)。由于AD8302的輸出范圍為30mV～1.8V，為了便于采集與處理，采用TI公司的寬帶電壓反饋運(yùn)算放大器OPA690對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大后交給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

Fig.4 Block diagram of the system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 靜態(tài)驗(yàn)證

首先，對(duì)AD8302相位解調(diào)電路進(jìn)行靜態(tài)驗(yàn)證。由軟件控制信號(hào)發(fā)生器卡的CH1和CH2輸出兩路正弦波，頻率固定時(shí)，CH2的初始相位不變，依次改變CH1的初始相位，使兩路信號(hào)的相位差改變，記錄Vp輸出電壓值，根據(jù)相位差響應(yīng)特性公式計(jì)算對(duì)應(yīng)相位差，改變兩路信號(hào)的頻率 f，使f依次為0.1MHz，1MHz，5MHz等，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。靜態(tài)驗(yàn)證結(jié)果表明，設(shè)計(jì)電路可以測(cè)量任意兩路同頻信號(hào)的相位差，測(cè)量誤差小于0.5°。

Table 1 Measurement result at static state

3．2 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證

Fig.5 Measurement result of AD8302 at dynamic state

為了檢驗(yàn)電路，首先對(duì)信號(hào)發(fā)生器卡的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)相信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)。信號(hào)發(fā)生器卡設(shè)置載波頻率為80MHz，基帶頻率為10MHz。將調(diào)制信號(hào)和參考信號(hào)輸入解調(diào)電路，通過示波器初步觀察解調(diào)信號(hào)。在深入研究AD8302鑒相機(jī)理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析測(cè)量中存在的誤差項(xiàng)，通過硬件降噪、軟件補(bǔ)償?shù)确椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正以提高測(cè)量精度，經(jīng)MATLAB處理后如圖5所示。其中橫縱坐標(biāo)的V，t，f分別代表原調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)、解調(diào)信號(hào)的電壓幅值、時(shí)間和頻率。解調(diào)后的信號(hào)時(shí)域波形有25ns的滯后，這是由于電路中衰減模塊、相位差測(cè)量模塊、運(yùn)算放大模塊都有一定的響應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致時(shí)間延遲。解調(diào)信號(hào)的頻譜成分中主頻為10MHz，但包含其它成分的頻率分量，這是由于對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行處理，電路中存在電磁干擾。今后本電路設(shè)計(jì)過程中對(duì)電子元器件的選擇、PCB布局布線需要注意高頻特性帶來的影響［10］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于AD8302相位解調(diào)電路可以完整地解調(diào)相位調(diào)制信號(hào)。

3．3 激光外差干涉信號(hào)的解調(diào)

Fig.6 Processing result of laser heterodyne interference

首先，通過AD8302的幅值比輸出端來觀察兩路信號(hào)的電壓變化情況，將兩路光信號(hào)的干涉效果調(diào)整到最佳狀態(tài)。然后，采用壓電陶瓷模擬微振動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)測(cè)量鏡M4，設(shè)置振動(dòng)頻率為100kHz。將AD8302相位解調(diào)電路的輸出端交給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確地測(cè)量激光外差干涉光路檢測(cè)的微振動(dòng)信號(hào)。AD8302的分辨率為0.1°，因此外差干涉微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的理論分辨率高達(dá)(0.1/360)×(632.8nm/2)=0.088nm。

4 結(jié)論

利用AD8302的良好高頻測(cè)相能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光外差信號(hào)的高精度相位測(cè)量。AD8302將測(cè)量相位的能力集中在一塊集成電路內(nèi)，較傳統(tǒng)的相位測(cè)量系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性強(qiáng)、測(cè)量誤差小于0.5°，使激光外差干涉系統(tǒng)的理論分辨率高達(dá)0.088nm。并且利用該芯片可以檢測(cè)兩路信號(hào)幅值比，可以反映激光外差光路干涉效果，判斷光路調(diào)整的好壞，方便光路調(diào)整。

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