基于AD8302的激光外差干涉信号解调技术

刘 丹，郑 宾，2*，郭华玲，2，刘 辉

引 言

由于激光外差干涉具有非接触测量、精度高和溯源性好等优点，已经被广泛运用于振动、位移、速度等物理量的精密测量中。激光外差干涉测量的原理是将被测物理量转化为调频或调相电信号，解调后即可得到被测量信息［1-3］。目前对于外差信号的处理常采用相位解调法。相位解调需要精确地测量相位差，如果基于软件算法实现，将加重计算机的数据采集负担，同时在解调过程中会引入量化误差，导致信号失真［4］。为了解决这些问题，应该设计硬件解调，将原始的光强信号直接用硬件解调模块处理，再交由后端数据采集处理系统作数据分析，降低对采集系统采样率的要求，同时也消除量化误差对相位信号的影响［5］。硬件解调系统稳定可靠，解调出的信号能够如实地还原被测信号，但传统的硬件相位解调存在很多缺陷，需要采用多片集成芯片，不仅电路复杂、测量精度低，而且工作频带窄，只能测量中低频信号［6-7］。因此需要提出一种电路简单、测量精度高的新型的相位解调方法。本文中采用单片相位与幅度测量集成芯片AD8302对高频激光外差信号(80MHz)进行相位精确测量。

1 激光外差测量原理

激光外差测量原理见图1。氦氖激光器作为光源，激光光束进入具有频移作用的声光调制器(acousto-optic modulator，AOM)，产生频率不同的两束光:0级光和+1级光，其频差为80MHz。其它杂散光被滤除，0级光与+1级光通过光阑，然后经过偏振分光棱镜(polarizing beam splitter，PBS)分为两束，透射部分为线偏振p光，反射部分为线偏振s光。0级和+1级p光依次经过反射镜M1和M2，然后经过三角棱镜，最后到达非偏振分光棱镜BS1上。非偏振分光棱镜不会影响光束的偏振态，调整光路使0级光和+1级光重合，重合的两束p光经聚焦透镜汇聚到光电探测器(photoelectric detector，PD)PD1上发生干涉，作为参考光。同时0级s光经过三角棱镜和反射镜M3，到达非偏振分光棱镜BS2，+1级s光入射到存在微振动的测量镜后，到达非偏振分光棱镜BS2，最终经透镜汇聚到PD2上发生干涉。根据电磁场理论，两光电探测器输出外差信号分别为［8］:I1=A1cos(ω1t+φ1)(1)

Fig.1 Scheme of heterodyne interferometers

式中，A1和A2、φ1和φ2分别为参考光与信号光的振幅和初相位;ω1和ω2是参考光和信号光的频率，如果被测镜表面存在振动u(t)，则信号光经样品表面反射后由于多普勒效应发生(4π/λ)u(t)的位移［7］。由(1)式和(2)式可知，只要测出两路外差信号的相位差Δφ，就可以得到待测振动信息，因此，实验测量的要点是对两路光外差信号进行比相，以期得到振动的相位和幅度。

2 AD8302对外差干涉信号的解调

2．1 AD8302的性能特点

AD8302是美国ADI公司于2001年推出的单片宽频带相位差测量系统，包含2个精密匹配的宽带对数放大器、1个宽带相位检测器，工作频率从低频到2.7GHz［9-10］。由于所有模块集成在一个芯片上，因此，可将温漂降至最低限度［11］。测量相位差的范围是0°～180°，对应的电压变化范围是0V～1.8V，输出灵敏度为10mV/°。相位输出的转换速率高达30MHz，响应时间为40ns～500ns。单电源+2.7V～+5.5V供电，典型值为5V，电源电流为19mA［12］。

2．2 AD8302测量相位差原理

AD8302的测量原理如图2所示，将参考光路和信号光路的电信号接入AD8302的两个输入端，送给内部的两个对数放大器，然后通过乘法器，经积分后的输出与相位差有关的信号，其数学表达式如下:

式中，I1′和I2′是 I1和I2通过对数放大器后输出的信号;φ1和φ2分别是 I1和I2经对数放大器后的相位，忽略对数放大器不对称导致的误差，则φ1-φ2=Δφ，因此两路外差干涉信号经过AD8302内部集成的鉴相电路后，得到的相位差输出电压［13］为:

Fig.2 Work principle of AD8302

式中，RVREFIφ代表相位特性曲线斜率，大小为10mV/°，中心点为 Vc(900mV)，对应角度 90°。相位特性曲线如图3所示。当相位差为0°时，输出电压为1.8V;相 位 差 为 180°时，输 出 电 压 为 30mV［14］。AD8302输出的与相位差有关的电压信号可在示波器上显示，也可由数据采集卡送入计算机处理。

Fig.3 Phase character graph of AD8302

2．3 AD8302相位差测量的硬件设计

设计中采用AD8302的典型应用电路，系统框图如图4所示。由于AD8302输入功率的范围是-60dBm～0dBm，特性阻抗为50Ω的系统，对应电压范围为0.224mV～224mV，所以外差干涉信号幅度应低于AD8302输入信号幅度范围。本电路采用型号为VAC18E的衰减器，频率为直流到1.5GHz，衰减范围0dB～15dB可调。由于AD8302的输出范围为30mV～1.8V，为了便于采集与处理，采用TI公司的宽带电压反馈运算放大器OPA690对输出信号进行放大后交给数据采集系统。

Fig.4 Block diagram of the system

3 实验结果与分析

3．1 静态验证

首先，对AD8302相位解调电路进行静态验证。由软件控制信号发生器卡的CH1和CH2输出两路正弦波，频率固定时，CH2的初始相位不变，依次改变CH1的初始相位，使两路信号的相位差改变，记录Vp输出电压值，根据相位差响应特性公式计算对应相位差，改变两路信号的频率 f，使f依次为0.1MHz，1MHz，5MHz等，重复上述实验。实验数据如表1所示。静态验证结果表明，设计电路可以测量任意两路同频信号的相位差，测量误差小于0.5°。

Table 1 Measurement result at static state

3．2 动态验证

Fig.5 Measurement result of AD8302 at dynamic state

为了检验电路，首先对信号发生器卡的标准调相信号进行相位解调。信号发生器卡设置载波频率为80MHz，基带频率为10MHz。将调制信号和参考信号输入解调电路，通过示波器初步观察解调信号。在深入研究AD8302鉴相机理的基础上，详细分析测量中存在的误差项，通过硬件降噪、软件补偿等方法对测量结果进行修正以提高测量精度，经MATLAB处理后如图5所示。其中横纵坐标的V，t，f分别代表原调制信号、载波信号、解调信号的电压幅值、时间和频率。解调后的信号时域波形有25ns的滞后，这是由于电路中衰减模块、相位差测量模块、运算放大模块都有一定的响应时间，导致时间延迟。解调信号的频谱成分中主频为10MHz，但包含其它成分的频率分量，这是由于对高频信号进行处理，电路中存在电磁干扰。今后本电路设计过程中对电子元器件的选择、PCB布局布线需要注意高频特性带来的影响［10］。实验结果表明，基于AD8302相位解调电路可以完整地解调相位调制信号。

3．3 激光外差干涉信号的解调

Fig.6 Processing result of laser heterodyne interference

首先，通过AD8302的幅值比输出端来观察两路信号的电压变化情况，将两路光信号的干涉效果调整到最佳状态。然后，采用压电陶瓷模拟微振动信号驱动测量镜M4，设置振动频率为100kHz。将AD8302相位解调电路的输出端交给数据采集系统处理后如图6所示。

实验结果表明，本设计可以准确地测量激光外差干涉光路检测的微振动信号。AD8302的分辨率为0.1°，因此外差干涉微振动测量系统的理论分辨率高达(0.1/360)×(632.8nm/2)=0.088nm。

4 结论

利用AD8302的良好高频测相能力，可以实现对激光外差信号的高精度相位测量。AD8302将测量相位的能力集中在一块集成电路内，较传统的相位测量系统相比，本系统电路简单、成本低、可靠性强、测量误差小于0.5°，使激光外差干涉系统的理论分辨率高达0.088nm。并且利用该芯片可以检测两路信号幅值比，可以反映激光外差光路干涉效果，判断光路调整的好坏，方便光路调整。

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