激光外差探測中高頻調制信號解調技術的研究*

楊瑋萍，鄭賓，2，張志剛，2，郭華玲，2*，陳棟，王余敬

（1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051）

激光外差探測中高頻調制信號解調技術的研究*

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.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，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，提出了一種新型的激光外差干涉信號的高頻調制信號解調系統。在AD8302相位解調方法的基礎上，鎖相環的設計可以消除解調結果中的差頻信號。結果表明，相比于MATLAB軟件解調和AD8302直接解調，該解調系統可以更準確地解調出樣品表面1 MHz的微振動信號。因此，本系統是一種有效可行的相位解調方法。

測試計量技術及儀器；高頻解調；外差探測；鎖相環；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化為調頻或調相電信號，解調后便可得到待測的超聲信號［2］，它的最大優點是激光超聲信號對高頻載波信號進行了調頻或調相，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出來，其中有軟件和硬件解調兩種方法。由于超聲信號的高頻性，軟件解調算法會加重計算機數據采集負擔，并且會引入量化誤差，造成信號失真［4］。傳統的硬件解調方法有模擬乘法器和異或門相位解調等，但是這些方法存在工作帶寬窄，只適用于中低頻率等缺點。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直接解調結果中會出現低頻信號的干擾。在此方法基礎上，本文對直接利用AD8302相位解調的方法進行了改進和完善，提出了一種新型的高頻寬帶解調系統。

1　激光外差探測原理

激光外差探測原理如圖1所示。系統由激光器、聲光調制器、偏振分束器、非偏振分束器、反光鏡和光電探測器及數據采集系統組成。激光光束進入中心頻率為80 MHz的聲光調制器之后，產生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待測物和反光鏡表面被反射，再經過偏振分束器，透射部分分別為0級p光和1級p光，兩束p光均到達非偏振分束器發生干涉進入到光電探測器。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，樣品表面的微弱振動u（t）會引起信號光經樣品表面反射后發生（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）。聲光調制器的調制頻率為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相解調系統。

圖1　激光外差探測原理圖

2　高頻解調系統設計

針對高頻調制信號的相位解調，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頻率范圍內的兩輸入信號之間的幅度比和相位差［8］。

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

圖2　AD8302直接解調系統框圖

改進的新型高頻解調系統框圖如圖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過信號調理電路進行阻抗匹配與縮放之后，進入到相位檢波器AD8302中進行相位解調，再經過帶通濾波器（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型衰減網絡和鎖相環PLL（Phase Locked Loop）。

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

圖3　高頻解調系統框圖

鎖相環PLL是能夠跟蹤信號相位的閉環自動控制系統［9］。環路中包括鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器。鎖相環PLL設計中選用頻率合成器ADF4002，ADF4002用來在無線接收機和發射機的上變頻和下變頻部分實現本機振蕩器。它由低噪聲數字鑒頻鑒相器（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與外部環路濾波器和電壓控制振蕩器一起使用，則可以實現完整的鎖相環。

AD8302的相位檢波電路主要包括對數放大器，乘法器和環路濾波器等。干涉信號和參考信號經過對數放大器進行對數縮放之后，進入乘法器，再通過環路濾波器濾去其中的和頻信號，其數學表達式為

式中，I1′、I2′、A1′和A2′分別是調相信號和參考信號經過對數放大器的信號及其幅值；由（3）式可知，調相信號的載波頻率ω1與參考信號頻率ω2不相等時，解調結果中就會出差頻信號。在實際情況下，聲光調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相信號的載波頻率的一致性。

經過信號調理電路處理的干涉信號和參考信號，進入AD8302相位檢波之后，再由帶通濾波器BPF進行濾波處理，這是為了消除環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來實現。

3　解調實驗及結果分析

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

解調實驗結果如圖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）是調相信號，圖5（c）是MATLAB軟件解調結果，圖5（d）是AD8302直接解調結果，圖5（e）是新型硬件解調系統的解調結果。目前最常見的軟件相位解調技術是基于反正切運算的相位生成載波解調技術［12］，但是若超聲信號的幅值在［-π/2，π/2］范圍之外，由于反正切函數的非單調性，基于反正切的解調算法會引起信號的失真，仍需要進一步改進和完善。AD8302直接解調中，由于調相信號的載波頻率與參考信號頻率有一定的頻差，解調結果中出現了兩者的差頻信號，待測的高頻信號被加載到該低頻信號上，新型的硬件解調結果則有效地避免了該低頻信號的出現。對比3種不同解調方式得到的解調結果圖5（c）、圖5（d）、圖5（e），新型硬件解調系統的解調結果更能完整地解調出待測的振動信號。

圖4　解調實驗系統圖

圖5　硬件解調實驗結果

結果表明，新型硬件解調系統工作性能良好，能夠解調出所需的振動信號。另外，為盡量消除硬件解調結果出現的其他頻率信號，高頻解調電路板需要避免電磁干擾，這可以通過改進電路板的布局和電路板屏蔽等方法來實現。

4　結論

高頻調制信號解調電路能夠有效地解調出樣品表面待測的振動信號；相對于傳統的硬件解調電路和軟件解調算法，該解調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，中北大學計算機與控制工程學院，碩士研究生，主要研究方向為裝備試驗測試與系統，452681894@qq.com；

鄭賓（1964-），男，漢族，福建福清人，中北大學計算機與控制工程學院，教授，主要研究方向為現代傳感技術與系統、智能結構與系統等，13934168881@163.com；

郭華玲（1976-），女，漢族，山西文水人，中北大學計算機與控制工程學院，教授，主要研究方向為測試計量技術及儀器，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

項目來源：教育部博士點基金聯合項目（2013142012007）

2015-05-27修改日期：2015-07-31