[发明专利]用于正弦相位调制的锁相检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及正弦相位调制的锁相技术，具体讲,涉及用于正弦相位调制的锁相检测方法。

背景技术

在干涉测量系统尤其是光纤干涉测量系统中，为了消除随机相位漂移引起的信号衰减以及减小电路直流漂移对测量结果的影响，往往对光源或光程进行调制，使得被测信号频带与低频干扰分离。正弦相位调制由于具有很好的连续性，其调制频率可以达到很高且不易发生畸变，广泛应用于干涉测长、干涉相位轮廓术中。在正弦相位调制干涉测量中，利用锁相检测来提取载波的一次、二次谐波幅值往往是相位解调算法中必不可少的步骤。传统锁相检测方法为将干涉信号乘以一个奇次谐波(通常为一次或三次)再通过低通滤波得到与被测相位正弦值成正比的谐波幅值，或乘以一个偶次谐波再通过低通滤波得到与被测相位余弦值成正比的谐波幅值。乘以谐波的方法原理简单，但乘法器是必不可少的。若用模拟电路实现，乘法器会增加系统成本；若用数字处理器实现，乘法器以及存储谐波值的存储器会占用较多的系统资源。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出用于正弦相位调制的锁相检测方法，用以节约模拟电路成本以及数字电路实现的硬件资源占用，并提高运算速度，为此，本发明采用的技术方案是，用于正弦相位调制的锁相检测方法，构造一个傅里叶级数展开所含频率均为载波频率奇数倍频的矩形波，将其与正弦相位调制干涉信号相乘，再通过低通滤波得到与初相位正弦值成正比的各奇次谐波幅值的加权和；构造一个傅里叶级数展开所含频率均为载波频率偶数倍频的矩形波，将其与正弦相位调制干涉信号相乘，再通过低通滤波得到与初相位余弦值成正比的各偶次谐波幅值的加权和；获取与被测相位正弦值或余弦值成正比的信号，用于后续的相位求解。

经正弦相位调制的干涉信号数学表达式如下：

S(t)＝A+Bcos(zcos(ω_ct)+α) (1)

其中A为干涉背景光强，B为干涉对比度，z为相位调制度，ω_c为正弦调制信号角频率，α为被测干涉相位，将S(t)按贝塞尔函数展开，得到：

其中J_2m(z)为2m阶第一类贝塞尔函数，J_2n+1(z)为2n+1阶第一类贝塞尔函数，对称矩形波信号G1(t)为傅里叶级数展开频率只含ω_c的奇数倍频，在一个周期内的表达式为：

其傅里叶级数展开为：

将G1(t)与S(t)相乘，其乘积由直流分量以及调制信号基频ω_c及其倍频构成，其中直流分量为：

因此，若滤除干涉信号与矩形波G1(t)乘积的高频分量，即得到与初相位α的正弦值成正比的信号D₁，其中比例系数为对比度B和一个无穷级数k₁的乘积，对比度B易求，而无穷级数k₁总是收敛的，其收敛值与调制度z有关，由mtlab计算出来；矩形波信号G2(t)为傅里叶级数展开频率只含ω_c偶数倍频，在一个周期内的表达式为：

其傅里叶级数展开为：

将G2(t)与S(t)相乘，其乘积由直流分量以及调制信号基频ω_c及其倍频构成，其中直流分量为：

因此，若滤除干涉信号与矩形波G2(t)乘积的高频分量，即可得到与初相位α的正弦值成正比的信号D₂，其中比例系数为对比度B和一个无穷级数k₂的乘积，对比度B易求，无穷级数k₂收敛值与调制度z有关，由mtlab计算出来。

用于正弦相位调制的锁相检测装置，由移相器、取反和移位器、单刀双掷开关和低通滤波器构成，移相器调整矩形波使其与正弦调制信号的相位一致，当移相器输出低电平时，单刀双掷开关接通b通道，传输干涉信号与矩形波负值a2相乘；当移相器输出高电平时，单刀双掷开关接通a通道，传输干涉信号与矩形波正值a1相乘，如此，通过单刀双掷开关的转换，实现了干涉信号与矩形波的相乘，其中的相乘由取反和移位器实现，单刀双掷开关输出的信号即为乘积，乘积通过低通滤波器滤除交流，得到各奇次谐波或偶次谐波幅值的加权和。