激光外差探測中高頻調(diào)制信號解調(diào)技術(shù)的研究*

楊瑋萍，鄭賓，2，張志剛，2，郭華玲，2*，陳棟，王余敬

（1.中北大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

激光外差探測中高頻調(diào)制信號解調(diào)技術(shù)的研究*

楊瑋萍1，鄭賓1，2，張志剛1，2，郭華玲1，2*，陳棟1，王余敬1

（1.中北大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院，太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

激光外差干涉信號屬于寬帶高頻信號，針對這一特點(diǎn)，提出了一種新型的激光外差干涉信號的高頻調(diào)制信號解調(diào)系統(tǒng)。在AD8302相位解調(diào)方法的基礎(chǔ)上，鎖相環(huán)的設(shè)計可以消除解調(diào)結(jié)果中的差頻信號。結(jié)果表明，相比于MATLAB軟件解調(diào)和AD8302直接解調(diào)，該解調(diào)系統(tǒng)可以更準(zhǔn)確地解調(diào)出樣品表面1 MHz的微振動信號。因此，本系統(tǒng)是一種有效可行的相位解調(diào)方法。

測試計量技術(shù)及儀器；高頻解調(diào)；外差探測；鎖相環(huán)；AD8302

激光外差探測是一種很重要的激光超聲無損檢測方法［1］，激光外差探測的工作原理是將被測量轉(zhuǎn)化為調(diào)頻或調(diào)相電信號，解調(diào)后便可得到待測的超聲信號［2］，它的最大優(yōu)點(diǎn)是激光超聲信號對高頻載波信號進(jìn)行了調(diào)頻或調(diào)相，避免了低頻信號的干擾［3］。

對激光外差干涉信號的處理則是將高頻載波上的超聲信號解調(diào)出來，其中有軟件和硬件解調(diào)兩種方法。由于超聲信號的高頻性，軟件解調(diào)算法會加重計算機(jī)數(shù)據(jù)采集負(fù)擔(dān)，并且會引入量化誤差，造成信號失真［4］。傳統(tǒng)的硬件解調(diào)方法有模擬乘法器和異或門相位解調(diào)等，但是這些方法存在工作帶寬窄，只適用于中低頻率等缺點(diǎn)。2001年，美國ADI公司推出了單片寬頻帶（工作頻率從低頻到2.7 GHz）相位差測量芯片AD8302，但是芯片AD8302直接解調(diào)結(jié)果中會出現(xiàn)低頻信號的干擾。在此方法基礎(chǔ)上，本文對直接利用AD8302相位解調(diào)的方法進(jìn)行了改進(jìn)和完善，提出了一種新型的高頻寬帶解調(diào)系統(tǒng)。

1　激光外差探測原理

激光外差探測原理如圖1所示。系統(tǒng)由激光器、聲光調(diào)制器、偏振分束器、非偏振分束器、反光鏡和光電探測器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。激光光束進(jìn)入中心頻率為80 MHz的聲光調(diào)制器之后，產(chǎn)生0級光和1級光，其中0級光作為信號光，1級光作為參考光。信號光和參考光分別到達(dá)待測物和反光鏡表面被反射，再經(jīng)過偏振分束器，透射部分分別為0級p光和1級p光，兩束p光均到達(dá)非偏振分束器發(fā)生干涉進(jìn)入到光電探測器。光電探測器輸出的外差干涉信號為

參考光束信號為

式中，A1和A2分別是信號光與參考光的振幅；φ1和φ2分別是信號光與參考光的初相位；ω1和ω2是信號光和參考光的頻率。由于多普勒效應(yīng)，樣品表面的微弱振動u（t）會引起信號光經(jīng)樣品表面反射后發(fā)生（4π/λ）u（t）的位移［5-7］。由式（1）、式（2）可知，在參考光與信號光的初相位一致的條件下，只要測出兩路信號的相位差（4π/λ）u（t），就可以得到樣品表面的振動信息u（t）。聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率為80 MHz的正弦波，屬于高頻信號，需要提出一種新型的適用于高頻信號的調(diào)相解調(diào)系統(tǒng)。

圖1　激光外差探測原理圖

2　高頻解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

針對高頻調(diào)制信號的相位解調(diào)，選用RF/IF增益相位檢波器AD8302，它是美國ADI公司推出的用于RF/IF幅度和相位測量的單片集成電路，主要由精密匹配的兩個寬帶對數(shù)檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等部分組成，能同時測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)的兩輸入信號之間的幅度比和相位差［8］。

用AD8302直接解調(diào)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。干涉信號與參考信號經(jīng)功率衰減器進(jìn)行縮放處理之后，通過AD8302直接解調(diào)，便得到了兩者的相位差信號。

圖2　AD8302直接解調(diào)系統(tǒng)框圖

改進(jìn)的新型高頻解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖3所示。光電探測器的信號輸出范圍是0～5 V（參考阻抗50 Ω），AD8302的輸入范圍是0.225 mV～225 mV。干涉信號與參考信號經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行阻抗匹配與縮放之后，進(jìn)入到相位檢波器AD8302中進(jìn)行相位解調(diào)，再經(jīng)過帶通濾波器（Band Pass Filter）BPF濾波后，便可得到待測的超聲信號。信號調(diào)理電路部分主要包括可變增益放大器VGA（Variable Gain Amplifier）、π型衰減網(wǎng)絡(luò)和鎖相環(huán)PLL（Phase Locked Loop）。

可變增益放大器VGA和π型衰減網(wǎng)絡(luò)的作用是將參考信號和干涉信號進(jìn)行縮放處理，以符合AD8302的量程范圍。VGA選用AD8370，AD8370是一款高性能數(shù)字控制式可變增益放大器，工作頻率為低頻至750MHz，設(shè)計用于中頻通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備。該器件提供兩個增益控制范圍：-11 dB～+17 dB和+6 dB～+34 dB，通過單片機(jī)控制外部引腳選擇增益范圍為-11 dB～+17 dB。

圖3　高頻解調(diào)系統(tǒng)框圖

鎖相環(huán)PLL是能夠跟蹤信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)［9］。環(huán)路中包括鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器。鎖相環(huán)PLL設(shè)計中選用頻率合成器ADF4002，ADF4002用來在無線接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的上變頻和下變頻部分實(shí)現(xiàn)本機(jī)振蕩器。它由低噪聲數(shù)字鑒頻鑒相器（PFD）、精密電荷泵、可編程參考分頻器和可編程N(yùn)分頻器組成。14位參考分頻器（R分頻器）允許PFD輸入端的參考頻率為可選值。ADF4002與外部環(huán)路濾波器和電壓控制振蕩器一起使用，則可以實(shí)現(xiàn)完整的鎖相環(huán)。

AD8302的相位檢波電路主要包括對數(shù)放大器，乘法器和環(huán)路濾波器等。干涉信號和參考信號經(jīng)過對數(shù)放大器進(jìn)行對數(shù)縮放之后，進(jìn)入乘法器，再通過環(huán)路濾波器濾去其中的和頻信號，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，I1′、I2′、A1′和A2′分別是調(diào)相信號和參考信號經(jīng)過對數(shù)放大器的信號及其幅值；由（3）式可知，調(diào)相信號的載波頻率ω1與參考信號頻率ω2不相等時，解調(diào)結(jié)果中就會出差頻信號。在實(shí)際情況下，聲光調(diào)制器的中心頻率會與給定的80 MHz有微小的偏差，若參考信號頻率仍為80 MHz，調(diào)相信號的載波頻率與參考信號頻率就會有頻差。為了避免兩者頻差引起的低頻成分，鎖相環(huán)中的電壓控制振蕩器選用了IDT8N0QV01，IDT8N0QV01是可編程的壓控振蕩器，頻率輸出范圍是15.476 MHz～260 MHz，可以通過單片機(jī)控制外部引腳來改變其輸出頻率來保證參考信號頻率與調(diào)相信號的載波頻率的一致性。

經(jīng)過信號調(diào)理電路處理的干涉信號和參考信號，進(jìn)入AD8302相位檢波之后，再由帶通濾波器BPF進(jìn)行濾波處理，這是為了消除環(huán)境振動引起的低頻干擾、低頻的電路噪聲和和載波頻率的倍頻信號。LC無源濾波器具有良好的頻率選擇特性，并且信號能量損耗小、噪聲低，一般用于高頻電路［10-11］。帶通濾波器則通過LC無源低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。

3　解調(diào)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

解調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中選用Nd：YAG脈沖激光器作為光源，波長為1064 nm，重復(fù)頻率10 Hz，脈沖寬度7 ns。聲光調(diào)制器選用了TSGMN-5型聲光移頻器，中心頻率為80 MHz。實(shí)驗(yàn)中用壓電陶瓷模擬微振動信號，驅(qū)動信號為1 MHz正弦波。光電探測器選用THORLABS公司的PDA10A硅光電探測器，響應(yīng)波長為200 nm～1 100 nm，帶寬為0～150 MHz。光電探測器PDA10A輸出的調(diào)相信號作為干涉信號，其中被調(diào)制信號是1 MHz的超聲信號，載波頻率是80 MHz的正弦波信號，聲光調(diào)制器輸出的80 MHz正弦波作為參考信號，分別經(jīng)過硬件解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行相位解調(diào)。從理論上講，干涉信號和參考信號經(jīng)過高頻解調(diào)電路之后就會得到1MHz的正弦波振動信號。

解調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，圖5（a）是頻率為1 MHz的原始模擬微振動信號，圖5（b）是調(diào)相信號，圖5（c）是MATLAB軟件解調(diào)結(jié)果，圖5（d）是AD8302直接解調(diào)結(jié)果，圖5（e）是新型硬件解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)結(jié)果。目前最常見的軟件相位解調(diào)技術(shù)是基于反正切運(yùn)算的相位生成載波解調(diào)技術(shù)［12］，但是若超聲信號的幅值在［-π/2，π/2］范圍之外，由于反正切函數(shù)的非單調(diào)性，基于反正切的解調(diào)算法會引起信號的失真，仍需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。AD8302直接解調(diào)中，由于調(diào)相信號的載波頻率與參考信號頻率有一定的頻差，解調(diào)結(jié)果中出現(xiàn)了兩者的差頻信號，待測的高頻信號被加載到該低頻信號上，新型的硬件解調(diào)結(jié)果則有效地避免了該低頻信號的出現(xiàn)。對比3種不同解調(diào)方式得到的解調(diào)結(jié)果圖5（c）、圖5（d）、圖5（e），新型硬件解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)結(jié)果更能完整地解調(diào)出待測的振動信號。

圖4　解調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖5　硬件解調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，新型硬件解調(diào)系統(tǒng)工作性能良好，能夠解調(diào)出所需的振動信號。另外，為盡量消除硬件解調(diào)結(jié)果出現(xiàn)的其他頻率信號，高頻解調(diào)電路板需要避免電磁干擾，這可以通過改進(jìn)電路板的布局和電路板屏蔽等方法來實(shí)現(xiàn)。

4　結(jié)論

高頻調(diào)制信號解調(diào)電路能夠有效地解調(diào)出樣品表面待測的振動信號；相對于傳統(tǒng)的硬件解調(diào)電路和軟件解調(diào)算法，該解調(diào)電路適用于高頻的激光超聲信號，且不受信號幅值大小的限制，應(yīng)用范圍更廣。

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楊瑋萍（1989-），女，漢族，山西稷山人，中北大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檠b備試驗(yàn)測試與系統(tǒng)，452681894@qq.com；

鄭賓（1964-），男，漢族，福建福清人，中北大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院，教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)、智能結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)等，13934168881@163.com；

郭華玲（1976-），女，漢族，山西文水人，中北大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院，教授，主要研究方向?yàn)闇y試計量技術(shù)及儀器，信號處理等，834086353@qq.com。

Research on High-Frequency Modulated Signal Demodulation Technology in Laser Heterodyne Detection*

YANG Weiping1，ZHENG Bin1，2，ZHANG Zhigang1，2，GUO Hualing1，2*，CHEN Dong1，WANG Yujing1
（1.School of Computer Science and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

The laser heterodyne interference signals belong to the wideband and high-frequency signals.According to this characteristic，a new kind of high-frequency modulated signals demodulation system for laser heterodyne in?terference signals is proposed.Based on the method of phase demodulation with AD8302，the design of phase locked loop can eliminate the differential frequency signals in the demodulation results.The results show that this demodulation system can demodulate 1 MHz micro-vibration signal on the surface of the sample accurately，com?pared with the MATLAB software demodulation and AD8302 direct demodulation.Therefore，this system is an effec?tive and feasible method for phase demodulation.

measurement technology and instrument；high-frequency demodulation；heterodyne detection；phase locked loop；AD8302

TN247

A

1005-9490（2016）02-0365-05

EEACC：436010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.024

項(xiàng)目來源：教育部博士點(diǎn)基金聯(lián)合項(xiàng)目（2013142012007）

2015-05-27修改日期：2015-07-31