CN112985573A - 一种探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明所提供的一种探测方法和装置，获取第一光束；所述第一光束通过延迟线干涉仪获取；根据所述第一光束，获得正交信号；对所述正交信号进行差分放大，获得频漂补偿值；通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值，从而增强探测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种探测技术，尤其涉及一种探测方法及装置。
背景技术
现有的激光多普勒振动检测设备利用分立光学元件构成迈克尔逊干涉仪。为了达到较高的检测精度，其对激光器的线宽及驱动要求比较苛刻。
单频激光器的线宽定义为其光谱的全宽半高(FWHM)宽度。在频域，表征为激光器发出电磁波所包含的能量谱线密度(PSD)；在时域，表征为激光器的相干性(相干长度或相干时间)。特定线宽的激光器，其相位随时间做随机波动的幅度和线宽直接相关。这些波动和多普勒振动检测***所探测的振动叠加在一起，影响了探测精度。
发明内容
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：根据本发明实施例的一方面，提供一种探测方法及装置，所述方法包括：获取第一光束；所述第一光束通过延迟线干涉仪获取；根据所述第一光束，获得正交信号；对所述正交信号进行差分放大，获得频漂补偿值；通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值。
上述方案中，通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算前，包括：获取第二光束；所述第二光束通过零差相干检测光路获取；所述第二光束通过分路器，获得本振光和反射光；通过所述本振光和反射光，获得所述原始测量信号。
上述方案中，通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值，包括：所述原始测量信号所述减去频漂补偿值，得到所述频漂补偿后的测量值。
上述方案中，混频器产生正交信号，由光电转换器转化为电流信号，并经数字信号处理模块转换为被测物体和本振光干涉后的相位信号，即原始振动信号。
上述方案中，根据所述第一光束，获得正交信号后，包括：通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将所述激光器工作频率稳定在中心频率附近。
上述方案中，通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将所述激光器工作频率稳定在中心频率附近，包括：正交输出信号稳定在I＝Q的频率上
上述方案中，输出中心相位
可表述为频率的函数：
其中，n为延迟线波导等效折射率，L为延迟线波导长度，f0为激光器中心频率。
频率漂移可相应地表述为：
其中
为混频器输出相位离45°的漂移值，即：
上述方案中，因为
(A为混频器输出数模转换后的输出幅度)，所以可将
通过简单的数学运算简化为
由此就将激光器频漂和延迟线干涉仪的正交输出差分值联系在一起：
从差分输出的数模转换值，可以补偿由激光器频漂产生的振动测量误差。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种探测装置，所述装置包括：获取单元，用于获取第一光束；所述第一光束通过延迟线干涉仪获取；根据所述第一光束，获得正交信号；放大单元，用于对所述正交信号进行差分放大，获得频漂补偿值；运算单元，用于通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种探测装置，所述装置包括：存储器、处理器以及存储在存储器被处理器运行的可响应程序，所述处理器运行所述可响应程序时响应上述任一项所述的探测方法的步骤。
本发明所提供的一种探测方法和装置，获取第一光束；所述第一光束通过延迟线干涉仪获取；根据所述第一光束，获得正交信号；对所述正交信号进行差分放大，获得频漂补偿值；通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值，从而增强探测精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种判断的方法的实现流程示意图；
图2为本发明实施例提供的另一实现流程示意图；
图3为本发明实施例提供的频漂数字补偿***实现框图；
图4为本发明实施例提供的零差相干检测光路；
图5为本发明实施例中判断装置的结构组成示意图一。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本发明的特点与技术内容，下面结合附图对本发明的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明。
图1为本发明实施例提供的一种探测方法的实现流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
步骤S101，获取第一光束；所述第一光束通过延迟线干涉仪获取；
步骤S102，根据所述第一光束，获得正交信号；
步骤S103，对所述正交信号进行差分放大，获得频漂补偿值；
步骤S104，通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值。
在另一实施例中，如图2所示，通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算前，包括：
步骤S201，获取第二光束；所述第二光束通过零差相干检测光路获取；
步骤S202，所述第二光束通过分路器，获得本振光和反射光；
步骤S203，通过所述本振光和反射光，获得所述原始测量信号。
在另一实施例中，通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值，包括：所述原始测量信号所述减去频漂补偿值，得到所述频漂补偿后的测量值。
在另一实施例中，包括：混频器产生正交信号，由光电转换器转化为电流信号，并经数字信号处理模块转换为被测物体和本振光干涉后的相位信号，即原始振动信号。
在另一个实施例中，根据所述第一光束，获得正交信号后，包括：通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将所述激光器工作频率稳定在中心频率附近。
在另一个实施例中，通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将所述激光器工作频率稳定在中心频率附近，包括：正交输出信号稳定在I＝Q的频率上
在另一个实施例中，包括：输出中心相位
可表述为频率的函数：
其中，n为延迟线波导等效折射率，L为延迟线波导长度，f0为激光器中心频率。
频率漂移可相应地表述为：
其中
为混频器输出相位离45°的漂移值，即：
在另一个实施例中，包括：因为
(A为混频器输出数模转换后的输出幅度)，所以可将
通过简单的数学运算简化为
由此就将激光器频漂和延迟线干涉仪的正交输出差分值联系在一起：
从差分输出的数模转换值，可以补偿由激光器频漂产生的振动测量误差。
在另一个实施例中，基于上述的工作原理，***实现起来主要包括以下的步骤：
1)激光器输出光大部分进入零差相干检测光路；
2)零差相干检测光路中，由分路器分出一部分作为本振光；
3)另一部分光经输出波导和镜头，由被检测物体反射返回；
4)反射光经同一分路器，和本振光一起进入混频器进行相位检测，得到原始测量信号；
5)激光器输出光另一部分进入延迟线干涉仪；
6)在延迟线干涉仪光路中，混频器输出正交信号，并经数模转换；
7)在得到正交信号的基础上，通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将激光器工作频率稳定在中心频率附近；
8)把延迟线干涉仪输出的正交信号进一步进行差分放大，获得比较大的增益，由此获得频漂补偿值；
9)原始测量信号减去频漂补偿值即为频漂补偿后的测量值。
在另一个实施例中，利用延迟线干涉混频接收光路，为激光器稳频提供反馈信号。同时对混频正交输出信号进行差分放大，取得补偿信号，用以补偿零差相干振动检测得到的振动信号，从而使得激光器低频频率漂移产生的叠加在振动信号上的噪声得以大幅度的消除。整个方案在数字域上实现，通过集成光学波导芯片提供延迟线干涉所需光路，结构紧凑，参数调整方便，成本低。
集成光学波导芯片制作工艺通常包含，下包层沉积，芯层沉积，涂胶，光刻，蚀刻，上包层沉积等。形成的光学结构通常由高折射率的波导及其周围低折射率的包层所组成，类似于光纤。区别在于光纤是圆波导，而集成光学波导通常为方波导。
从***构成上，主要由激光器，光电转换器，驱动及接收电路，集成光学收发光路组成。其中，激光器为由电流驱动的固态或气体激光器；光电转换器实现光信号到电流信号的转换；驱动及接收电路包含数模转换，差分放大，稳频算法数字信号处理，及激光器驱动模块。集成光学收发光路由零差相干检测光路，延迟线干涉仪，及混频接收光路组成。
在另一个实施例中，如图2所示，激光器输出光大部分进入零差相干检测光路，小部分进入延迟线干涉仪。分光由波导耦合器或者多模干涉器完成，其偏振态因为波导的双偏振态折射率差较大，能够得到较好的保持。
输出光进入相干检测光路后(图3)，由另外一个光分路器把光强分成本振光及测量光。其中，测量光经过输出波导，由透镜(组)出射到被测物体，并由被测物体反射后，经同一光路回到光分路器的输入端。输入端一头接激光器，由于激光器后置的隔离器作用，这部分光对测量不产生影响；输入端另一头接到混频器，同本振光进行干涉混频。混频器产生正交信号，由光电转换器转化为电流信号，并经数字信号处理模块转换为被测物体和本振光干涉后的相位信号，即原始振动信号。
回到图-2，进入延迟线干涉仪的激光器输出光，同样经过光分路器分成两路，一路经过较短长度的波导进入混频器，另一路经过较长的波导后进入混频器。两路信号因为波导偏振特性，同样得到较好的保持。
混频器输出的正交信号，由光电转换器转化为电流信号，并经数字信号处理模块控制激光器驱动电流，将激光器频率控制在目标中心频率附近，即相应的延迟线干涉仪相位控制在45°附近。在延迟线足够长的条件下，即延迟线等效自由光谱区(FSR)小于激光器电流控制可调频率范围，这个控制目标总能实现。
稳频算法可以使用比例积分微分(PID)控制算法，实现频率误差的最小化目标。
延迟线干涉仪的混频正交输出，由差分放大模块进一步放大。放大后的差分信号即为测量信号的频漂补偿信号，经数字信号处理后从原始振动信号中减去，即为频漂补偿后的振动信号。
在另一个实施例中，所述装置包括：获取单元，用于获取第一光束；所述第一光束通过延迟线干涉仪获取；根据所述第一光束，获得正交信号；放大单元，用于对所述正交信号进行差分放大，获得频漂补偿值；运算单元，用于通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值。
在另一个实施例中，所述装置包括：存储器、处理器以及存储在存储器被处理器运行的可响应程序，其特征在于，所述处理器运行所述可响应程序时响应所述的探测方法的步骤。
需要说明的是：上述实施例提供的数据处理装置在进行程序开发时，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述处理分配由不同的程序模块完成，即将数据处理装置的内部结构划分成不同的程序模块，以完成以上描述的全部或者部分处理。另外，上述实施例提供的数据处理装置与上述数据处理方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
图5为本发明实施例中数据处理装置的结构示意图一，如图5所示，数据处理装置500可以是手柄、鼠标、轨迹球、手机、智能笔、智能手表、智能戒指、智能手环、智能手套等。图3所示的数据处理装置500包括：至少一个处理器501、存储器502、至少一个网络接口504和用户接口503。数据处理装置500中的各个组件通过总线***505耦合在一起。可理解，总线***505用于实现这些组件之间的连接通信。总线***505除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图5中将各种总线都标为总线***505。
其中，用户接口503可以包括显示器、键盘、鼠标、轨迹球、点击轮、按键、按钮、触感板或者触摸屏等。
可以理解，存储器502可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagnetic random access memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，Synchronous Static Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，SynchronousDynamic Random Access Memory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储器302旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
本发明实施例中的存储器502用于存储各种类型的数据以支持数据处理装置500的操作。这些数据的示例包括：用于在数据处理装置500上操作的任何计算机程序，如操作***5021和应用程序5022；音乐数据；动漫数据；图书信息；视频、绘图信息等。其中，操作***5021包含各种***程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序5022可以包含各种应用程序，例如媒体播放器(MediaPlayer)、浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序5022中。
上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器501中，或者由处理器501实现。处理器501可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器501中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器501可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器501可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器502，处理器501读取存储器302中的信息，结合其硬件完成前述方法的步骤。
在示例性实施例中，数据处理装置500可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)、DSP、可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable LogicDevice)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)、通用处理器、控制器、微控制器(MCU，Micro Controller Unit)、微处理器(Microprocessor)、或其他电子元件实现，用于执行前述方法。
具体所述处理器501运行所述计算机程序时，执行：获取第一光束；所述第一光束通过延迟线干涉仪获取；根据所述第一光束，获得正交信号；对所述正交信号进行差分放大，获得频漂补偿值；通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值。
所述处理器501运行所述计算机程序时，还执行：通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算前，包括：获取第二光束；所述第二光束通过零差相干检测光路获取；所述第二光束通过分路器，获得本振光和反射光；通过所述本振光和反射光，获得所述原始测量信号。
所述处理器501运行所述计算机程序时，还执行：通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值，包括：所述原始测量信号所述减去频漂补偿值，得到所述频漂补偿后的测量值。
所述处理器501运行所述计算机程序时，还执行：包括：混频器产生正交信号，由光电转换器转化为电流信号，并经数字信号处理模块转换为被测物体和本振光干涉后的相位信号，即原始振动信号。
所述处理器501运行所述计算机程序时，还执行：根据所述第一光束，获得正交信号后，包括：通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将所述激光器工作频率稳定在中心频率附近。
所述处理器501运行所述计算机程序时，还执行：通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将所述激光器工作频率稳定在中心频率附近，包括：正交输出信号稳定在I＝Q的频率上
所述处理器501运行所述计算机程序时，还执行：包括：输出中心相位
可表述为频率的函数：
其中，n为延迟线波导等效折射率，L为延迟线波导长度，f0为激光器中心频率。
频率漂移可相应地表述为：
其中
为混频器输出相位离45°的漂移值，即：
所述处理器501运行所述计算机程序时，还执行：包括：因为
(A为混频器输出数模转换后的输出幅度)，所以可将
通过简单的数学运算简化为
由此就将激光器频漂和延迟线干涉仪的正交输出差分值联系在一起：
从差分输出的数模转换值，可以补偿由激光器频漂产生的振动测量误差。
在示例性实施例中，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括计算机程序的存储器502，上述计算机程序可由数据处理装置500的处理器501执行，以完成前述方法所述步骤。计算机可读存储介质可以是FRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FlashMemory、磁表面存储器、光盘、或CD-ROM等存储器；也可以是包括上述存储器之一或任意组合的各种设备，如移动电话、计算机、平板设备、个人数字助理等。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时，执行：获取第一光束；所述第一光束通过延迟线干涉仪获取；根据所述第一光束，获得正交信号；对所述正交信号进行差分放大，获得频漂补偿值；通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值。
该计算机程序被处理器运行时，还执行：通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算前，包括：获取第二光束；所述第二光束通过零差相干检测光路获取；所述第二光束通过分路器，获得本振光和反射光；通过所述本振光和反射光，获得所述原始测量信号。
该计算机程序被处理器运行时，还执行：通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值，包括：所述原始测量信号所述减去频漂补偿值，得到所述频漂补偿后的测量值。
该计算机程序被处理器运行时，还执行：混频器产生正交信号，由光电转换器转化为电流信号，并经数字信号处理模块转换为被测物体和本振光干涉后的相位信号，即原始振动信号。
该计算机程序被处理器运行时，还执行：根据所述第一光束，获得正交信号后，包括：通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将所述激光器工作频率稳定在中心频率附近。
该计算机程序被处理器运行时，还执行：通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将所述激光器工作频率稳定在中心频率附近，包括：正交输出信号稳定在I＝Q的频率上
该计算机程序被处理器运行时，还执行：输出中心相位
可表述为频率的函数：
其中，n为延迟线波导等效折射率，L为延迟线波导长度，f0为激光器中心频率。
频率漂移可相应地表述为：
其中
为混频器输出相位离45°的漂移值，即：
该计算机程序被处理器运行时，还执行：因为
(A为混频器输出数模转换后的输出幅度)，所以可将
通过简单的数学运算简化为
由此就将激光器频漂和延迟线干涉仪的正交输出差分值联系在一起：
从差分输出的数模转换值，可以补偿由激光器频漂产生的振动测量误差。
上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种探测方法，其特征在于，所述方法包括：
获取第一光束；所述第一光束通过延迟线干涉仪获取；
根据所述第一光束，获得正交信号；
对所述正交信号进行差分放大，获得频漂补偿值；
通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算前，包括：
获取第二光束；所述第二光束通过零差相干检测光路获取；
所述第二光束通过分路器，获得本振光和反射光；
通过所述本振光和反射光，获得所述原始测量信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值，包括：
所述原始测量信号所述减去频漂补偿值，得到所述频漂补偿后的测量值。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括：混频器产生正交信号，由光电转换器转化为电流信号，并经数字信号处理模块转换为被测物体和本振光干涉后的相位信号，即原始振动信号。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述第一光束，获得正交信号后，包括：
通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将所述激光器工作频率稳定在中心频率附近。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过稳频算法数字信号处理模块，控制激光器驱动电流，将所述激光器工作频率稳定在中心频率附近，包括：
正交输出信号稳定在I＝Q的频率上
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，包括：输出中心相位
可表述为频率的函数：
其中，n为延迟线波导等效折射率，L为延迟线波导长度，f0为激光器中心频率。
频率漂移可相应地表述为：
其中
为混频器输出相位离45°的漂移值，即：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括：因为
(A为混频器输出数模转换后的输出幅度)，所以可将
通过简单的数学运算简化为
由此就将激光器频漂和延迟线干涉仪的正交输出差分值联系在一起：
从差分输出的数模转换值，可以补偿由激光器频漂产生的振动测量误差。
9.一种探测装置，其特征在于，所述装置包括：
获取单元，用于获取第一光束；所述第一光束通过延迟线干涉仪获取；根据所述第一光束，获得正交信号；
放大单元，用于对所述正交信号进行差分放大，获得频漂补偿值；
运算单元，用于通过所述频漂补偿值与原始测量信号进行计算，得到频漂补偿后的测量值。
10.一种探测装置，其特征在于，所述装置包括：存储器、处理器以及存储在存储器被处理器运行的可响应程序，其特征在于，所述处理器运行所述可响应程序时响应如权利要求1至8任一项所述的探测方法的步骤。
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