CN112816055B - 一种自校准光学微振动检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自校准光学微振动检测方法，所述方法包括：获取光栅干涉结构t时刻输出的第0衍射级处干涉光强信号和任一奇数衍射级处干涉光强信号；根据所述第0衍射级处干涉光强信号得到第一电压信号，根据所述任一奇数衍射级处干涉光强信号得到第二电压信号；根据饱和幅值比例系数对所述第一电压信号和第二电压信号进行加权平均，得到加权平均电压信号；根据所述加权平均电压信号计算补偿后的第一电压信号和补偿后的第二电压信号；根据所述补偿后的第一电压信号和补偿后的第二电压信号得到一组正交电压信号；对所述正交电压信号进行解调运算得到待测振动位移。本发明能够解决光干涉型检测方法的工作点偏移问题，获得准确的检测结果。

Description

一种自校准光学微振动检测方法
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别是涉及一种自校准光学微振动检测方法。
背景技术
光学检测方法利用光波特性可以实现高性能的传感功能，其中光干涉型检测方法将响应待测量产生的光相位变化转化为相位差调制的光强变化，既利用了光相位调制方法的高灵敏度优势，又采用较成熟的光强信号检测，尤其适合高精度传感技术的发展。针对当前智能传感器在便携设备中的广泛应用需求，光栅干涉型检测方法可以通过光栅耦合将高性能光干涉检测方法引入高度集成的干涉腔检测结构中，有利于MOEMS(微光机电***)传感器的实用化发展。
目前限制光干涉型微位移传感技术实际应用的一个关键问题是静态工作点的偏移问题。光干涉型检测结构的静态工作点处于最佳位置时可以获得最高的灵敏度、线性度和动态范围。但由于制造误差和环境因素等交叉干扰，使其初始或检测过程中的静态工作点会偏离最佳位置，降低其检测性能，限制了高灵敏光干涉型检测方法的实用化发展。
为克服这一问题，现有的解决方法多集中在构建多波长或宽频带检测光路***以获得正交检测信号进行相位解调来避免工作点问题，这种方法有效但在检测***中附加了高要求的光学器件和复杂的光路设计，大大增加了检测***的成本和功耗，不利于大批量推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种自校准光学微振动检测方法，能够解决光干涉型检测方法的工作点偏移问题，获得准确的检测结果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种自校准光学微振动检测方法，所述方法包括：
获取光栅干涉结构t时刻输出的第0衍射级处干涉光强信号和任一奇数衍射级处干涉光强信号；
根据所述第0衍射级处干涉光强信号得到第一电压信号，根据所述任一奇数衍射级处干涉光强信号得到第二电压信号；
根据饱和幅值比例系数对所述第一电压信号和第二电压信号进行加权平均，得到加权平均电压信号；
根据所述加权平均电压信号计算补偿后的第一电压信号和补偿后的第二电压信号；
根据所述补偿后的第一电压信号和补偿后的第二电压信号得到一组正交电压信号；
对所述正交电压信号进行解调运算得到待测振动位移。
可选的，采用公式
Figure BDA0002879171720000021
计算所述加权平均电压信号，其中，Va(t)为加权平均电压信号，V0(t)为第一电压信号，V1(t)为第二电压信号，α为饱和幅值比例系数。
可选的，采用公式
Figure BDA0002879171720000022
计算所述补偿后的第一电压信号，其中，V0,c(t)为补偿后的第一电压信号，V0(t)为第一电压信号，Va(t)为加权平均电压信号。
可选的，采用公式
Figure BDA0002879171720000023
计算所述补偿后的第二电压信号，其中，V1,c(t)为补偿后的第二电压信号，α为饱和幅值比例系数，V1(t)为第二电压信号，Va(t)为加权平均电压信号。
可选的，采用公式
Figure BDA0002879171720000024
和
Figure BDA0002879171720000025
计算所述正交电压信号，其中，V0,q(t)为第一正交电压信号，V1,q(t)为第二正交电压信号，所述第一正交电压信号和第二正交电压信号正交，V0,c(t)为补偿后的第一电压信号，V1,c(t)为补偿后的第二电压信号。
可选的，采用公式
Figure BDA0002879171720000026
和
Figure BDA0002879171720000027
计算待测振动位移，其中，Δd(t)为待测振动位移，λ为入射光的波长，Vd(t)为第一正交电压信号和第二正交电压信号交叉相乘所得电压信号，V0,q(t)为第一正交电压信号，V1,q(t)为第二正交电压信号。
可选的，采用公式
Figure BDA0002879171720000031
计算所述饱和幅值比例系数，其中，Vpp,0为第一电压信号饱和峰峰值，Vpp,1为第二电压信号饱和峰峰值。
可选的，对光栅干涉检测装置进行满量程预测试，其第一电压信号满量程峰峰值为所述第一电压信号饱和峰峰值，其第二电压信号满量程峰峰值为所述第二电压信号饱和峰峰值。
可选的，利用光电检测模块获取所述第0衍射级处干涉光强信号得到第一电压信号，获取所述任一奇数衍射级处干涉光强信号得到第二电压信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明利用光栅干涉检测结构两个衍射级输出干涉光信号的互补特性，通过加权平均的运算分离得到实时入射光强作用的幅值量，之后从各输出信号中消去幅值量，即对输出信号进行了幅值校准，消除了检测装置入射光强对输出信号以及振动位移检测结果的影响；然后，本发明通过对校准幅值后的两路干涉信号进行开方运算，获得一组正交信号，后续再采用常规正交相位解调运算可以直接得到振动位移量，而不受静态工作点的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明自校准光学微振动检测方法流程图；
图2为本发明光栅干涉检测装置工作原理示意图；
图3为本发明光栅干涉检测装置结构示意图；
图4为本发明各衍射级输出干涉光光强随振动位移的变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明的目的是提供一种自校准光学微振动检测方法，能够同时解决光干涉型检测方法的入射光强波动问题和静态工作点偏移问题，获得准确的检测结果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明公开了一种自校准光学微振动检测方法，该方法适用于基于光栅干涉仪装置检测微振动位移量，所述方法包括：
步骤101：获取光栅干涉结构t时刻输出的第0衍射级处干涉光强信号和任一奇数衍射级处干涉光强信号；
步骤102：根据所述第0衍射级处干涉光强信号得到第一电压信号，根据所述任一奇数衍射级处干涉光强信号得到第二电压信号；
步骤103：根据饱和幅值比例系数对所述第一电压信号和第二电压信号进行加权平均，得到加权平均电压信号；
步骤104：根据所述加权平均电压信号计算补偿后的第一电压信号和补偿后的第二电压信号；
步骤105：根据所述补偿后的第一电压信号和补偿后的第二电压信号得到一组正交电压信号；
步骤106：对所述正交电压信号进行解调运算得到待测振动位移。
具体的，本发明的方法应用于通过光栅干涉检测装置检测微振动位移，光栅干涉检测装置的原理图如图2所示，相干光源入射由振动检测平面和光栅构成的光栅干涉检测结构，从光栅干涉检测结构的光栅一侧输出各衍射级的干涉光信号，振动检测平面的微振动位移通过改变干涉检测结构腔长调制其输出的各衍射级的干涉光信号。本发明的方法主要提供的是光栅干涉检测结构的选择性信号检测以及检测信号在计算机或微处理器中的运算解调方法。结合所需光电检测模块，本发明方法所对应的一种光栅干涉检测装置示意图见图3，所列装置图3是一种举例，只要可以检测光强并输出对应有效电压信号并具有所需运算功能即可，此外，需要注意所使用的入射光波长λ与光栅干涉结构中的光栅常数Λ至少满足条件：λ<Λ。
本发明的方法，所依据的原理为光栅干涉结构输出的两个衍射级干涉光强相对于干涉腔长变化具有互补关系，具体如下：
依据光栅干涉结构模型的标量衍射理论分析，某一时刻(或状态)光栅干涉检测结构输出各衍射级干涉光强信号与振动位移之间的关系如下：
Figure BDA0002879171720000051
Figure BDA0002879171720000052
Figure BDA0002879171720000053
公式中Iin是入射光光强，I0、I±1、I±3分别为光栅的第0、±1、±3衍射级处的干涉光光强，λ为入射光的波长；d为光栅干涉检测结构腔长(光栅平面到检测振动平面的距离)，有关系式d＝d0+Δd，其中d0为光栅平面到检测振动平面静态位置的距离，也就是不振动的初始距离，Δd为振动位移造成的距离变化。则由上述公式可知第0衍射级干涉光强和其余奇数衍射级干涉光强随待检测振动位移的变化为互补关系，如图4所示。
由此，本发明的具体实施方式如下：
采用光电检测模块同步检测t时刻光栅干涉检测结构的第0衍射级处干涉光强信号和任一奇数衍射级处干涉光强信号，得到对应时域电压信号V0(t)和V1(t)，其中V0(t)为所述第一电压信号，V1(t)为所述第二电压信号；
将检测得到的各时刻第一电压信号和第二电压信号以其饱和幅值比例系数(α＝Vpp，0/Vpp，1)进行加权平均，见等式(4)，结果Va(t)为所述加权平均电压信号，表征由实时入射光强作用的电压信号幅值量；
Figure BDA0002879171720000061
其中，Vpp,0(t)为所述第一电压信号饱和峰峰值，Vpp,1(t)为所述第二电压信号饱和峰峰值，两者均为通过对光栅干涉检测装置进行满量程预测试得到的常量参数，其第一电压信号满量程峰峰值为所述第一电压信号饱和峰峰值，其第二电压信号满量程峰峰值为所述第二电压信号饱和峰峰值。
之后将各时刻第一电压信号和第二电压信号按比例系数除以加权平均电压信号，见等式(5)(6)，得到进行幅值补偿之后的两路电压信号，V0,c(t)为所述补偿后的第一电压信号，V1,c(t)为所述补偿后的第二电压信号，由此消除了入射光强的影响；
Figure BDA0002879171720000062
Figure BDA0002879171720000063
将各时刻补偿后的第一电压信号和补偿后的第二电压信号各自开方，得到一组正交电压信号，见等式(7)(8)，V0,q(t)为所述第一正交电压信号，V1,q(t)为所述第二正交电压信号；
Figure BDA0002879171720000064
Figure BDA0002879171720000065
最后将各时刻的第一正交电压信号和第二正交电压信号通过常规正交相位解调运算以获得准确的待测振动位移Δd(t)，见等式(9)(10)，Vd(t)为所述正交电压信号交叉相乘所得电压信号。
Figure BDA0002879171720000066
Figure BDA0002879171720000067
此外，本发明选取任一奇数衍射级干涉光信号时优选选择第1衍射级干涉光信号完成本发明检测方法。
本发明还公开了如下技术效果：
相对于现有技术，本发明自校准光学微振动检测方法可同时对检测***受到的入射光强波动和光干涉静态工作点偏移问题进行补偿校正，提高稳定性和准确度。
对于入射光强波动问题，依据光栅干涉检测结构的输出各衍射级干涉光强随振动位移量的变化关系，实际入射到干涉结构的光强影响输出光强信号的幅值。本发明利用两个衍射级输出光信号的互补特性，通过加权平均的运算抵消随振动位移变化的差分项，分离得到实时入射光强作用的幅值量，之后从各输出信号中消去幅值量，即对输出信号进行了幅值校准，消除了检测装置入射光强对输出信号以及振动位移检测结果的影响。
对于静态工作点偏移问题，本发明通过对校准幅值后的两路干涉信号进行开方运算，获得一组正交信号，后续再采用常规正交相位解调运算可以直接得到振动位移量，而不受静态工作点的影响。
本发明自校准光学微振动检测方法具有所需***简单，功耗成本低，实时补偿的特点，尤其适用于工作条件复杂的高精度微振动位移微型检测设备。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种自校准光学微振动检测方法，其特征在于，所述方法包括：
获取光栅干涉结构t时刻输出的第0衍射级处干涉光强信号和任一奇数衍射级处干涉光强信号；
根据所述第0衍射级处干涉光强信号得到第一电压信号，根据所述任一奇数衍射级处干涉光强信号得到第二电压信号；
根据饱和幅值比例系数对所述第一电压信号和第二电压信号进行加权平均，得到加权平均电压信号；
根据所述加权平均电压信号计算补偿后的第一电压信号和补偿后的第二电压信号；
根据所述补偿后的第一电压信号和补偿后的第二电压信号得到一组正交电压信号；
对所述正交电压信号进行解调运算得到待测振动位移。
2.根据权利要求1所述的自校准光学微振动检测方法，其特征在于，采用公式
Figure FDA0002879171710000011
计算所述加权平均电压信号 ，其中，Va(t)为加权平均电压信号，V0(t)为第一电压信号，V1(t)为第二电压信号，α为饱和幅值比例系数。
3.根据权利要求1所述的自校准光学微振动检测方法，其特征在于，采用公式
Figure FDA0002879171710000012
计算所述补偿后的第一电压信号，其中，V0,c(t)为补偿后的第一电压信号，V0(t)为第一电压信号，Va(t)为加权平均电压信号。
4.根据权利要求1所述的自校准光学微振动检测方法，其特征在于，采用公式
Figure FDA0002879171710000013
计算所述补偿后的第二电压信号，其中，V1,c(t)为补偿后的第二电压信号，α为饱和幅值比例系数，V1(t)为第二电压信号，Va(t)为加权平均电压信号。
5.根据权利要求1所述的自校准光学微振动检测方法，其特征在于，采用公式
Figure FDA0002879171710000014
和
Figure FDA0002879171710000015
计算所述正交电压信号，其中，V0,q(t)为第一正交电压信号，V1,q(t)为第二正交电压信号，所述第一正交电压信号和第二正交电压信号正交，V0,c(t)为补偿后的第一电压信号，V1,c(t)为补偿后的第二电压信号。
6.根据权利要求1所述的自校准光学微振动检测方法，其特征在于，采用公式
Figure FDA0002879171710000021
和
Figure FDA0002879171710000022
计算待测振动位移，其中，Δd(t)为待测振动位移，λ为入射光的波长，Vd(t)为第一正交电压信号和第二正交电压信号交叉相乘所得电压信号，V0,q(t)为第一正交电压信号，V1,q(t)为第二正交电压信号。
7.根据权利要求1所述的自校准光学微振动检测方法，其特征在于，采用公式
Figure FDA0002879171710000023
计算所述饱和幅值比例系数，其中，Vpp,0为第一电压信号饱和峰峰值，Vpp,1为第二电压信号饱和峰峰值。
8.根据权利要求7所述的自校准光学微振动检测方法，其特征在于，对光栅干涉检测装置进行满量程预测试，其第一电压信号满量程峰峰值为所述第一电压信号饱和峰峰值，其第二电压信号满量程峰峰值为所述第二电压信号饱和峰峰值。
9.根据权利要求1所述的自校准光学微振动检测方法，其特征在于，利用光电检测模块获取所述第0衍射级处干涉光强信号得到第一电压信号，获取所述任一奇数衍射级处干涉光强信号得到第二电压信号。
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