激光外差探测中高频调制信号解调技术的研究*

杨玮萍，郑宾，2，张志刚，2，郭华玲，2*，陈栋，王余敬

（1.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051）

激光外差探测中高频调制信号解调技术的研究*

杨玮萍1，郑宾1，2，张志刚1，2，郭华玲1，2*，陈栋1，王余敬1

（1.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051）

激光外差干涉信号属于宽带高频信号，针对这一特点，提出了一种新型的激光外差干涉信号的高频调制信号解调系统。在AD8302相位解调方法的基础上，锁相环的设计可以消除解调结果中的差频信号。结果表明，相比于MATLAB软件解调和AD8302直接解调，该解调系统可以更准确地解调出样品表面1 MHz的微振动信号。因此，本系统是一种有效可行的相位解调方法。

测试计量技术及仪器；高频解调；外差探测；锁相环；AD8302

激光外差探测是一种很重要的激光超声无损检测方法［1］，激光外差探测的工作原理是将被测量转化为调频或调相电信号，解调后便可得到待测的超声信号［2］，它的最大优点是激光超声信号对高频载波信号进行了调频或调相，避免了低频信号的干扰［3］。

对激光外差干涉信号的处理则是将高频载波上的超声信号解调出来，其中有软件和硬件解调两种方法。由于超声信号的高频性，软件解调算法会加重计算机数据采集负担，并且会引入量化误差，造成信号失真［4］。传统的硬件解调方法有模拟乘法器和异或门相位解调等，但是这些方法存在工作带宽窄，只适用于中低频率等缺点。2001年，美国ADI公司推出了单片宽频带（工作频率从低频到2.7 GHz）相位差测量芯片AD8302，但是芯片AD8302直接解调结果中会出现低频信号的干扰。在此方法基础上，本文对直接利用AD8302相位解调的方法进行了改进和完善，提出了一种新型的高频宽带解调系统。

1　激光外差探测原理

激光外差探测原理如图1所示。系统由激光器、声光调制器、偏振分束器、非偏振分束器、反光镜和光电探测器及数据采集系统组成。激光光束进入中心频率为80 MHz的声光调制器之后，产生0级光和1级光，其中0级光作为信号光，1级光作为参考光。信号光和参考光分别到达待测物和反光镜表面被反射，再经过偏振分束器，透射部分分别为0级p光和1级p光，两束p光均到达非偏振分束器发生干涉进入到光电探测器。光电探测器输出的外差干涉信号为

参考光束信号为

式中，A1和A2分别是信号光与参考光的振幅；φ1和φ2分别是信号光与参考光的初相位；ω1和ω2是信号光和参考光的频率。由于多普勒效应，样品表面的微弱振动u（t）会引起信号光经样品表面反射后发生（4π/λ）u（t）的位移［5-7］。由式（1）、式（2）可知，在参考光与信号光的初相位一致的条件下，只要测出两路信号的相位差（4π/λ）u（t），就可以得到样品表面的振动信息u（t）。声光调制器的调制频率为80 MHz的正弦波，属于高频信号，需要提出一种新型的适用于高频信号的调相解调系统。

图1　激光外差探测原理图

2　高频解调系统设计

针对高频调制信号的相位解调，选用RF/IF增益相位检波器AD8302，它是美国ADI公司推出的用于RF/IF幅度和相位测量的单片集成电路，主要由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成，能同时测量从低频到2.7 GHz频率范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差［8］。

用AD8302直接解调的系统框图如图2所示。干涉信号与参考信号经功率衰减器进行缩放处理之后，通过AD8302直接解调，便得到了两者的相位差信号。

图2　AD8302直接解调系统框图

改进的新型高频解调系统框图如图3所示。光电探测器的信号输出范围是0～5 V（参考阻抗50 Ω），AD8302的输入范围是0.225 mV～225 mV。干涉信号与参考信号经过信号调理电路进行阻抗匹配与缩放之后，进入到相位检波器AD8302中进行相位解调，再经过带通滤波器（Band Pass Filter）BPF滤波后，便可得到待测的超声信号。信号调理电路部分主要包括可变增益放大器VGA（Variable Gain Amplifier）、π型衰减网络和锁相环PLL（Phase Locked Loop）。

可变增益放大器VGA和π型衰减网络的作用是将参考信号和干涉信号进行缩放处理，以符合AD8302的量程范围。VGA选用AD8370，AD8370是一款高性能数字控制式可变增益放大器，工作频率为低频至750MHz，设计用于中频通信基础设施设备。该器件提供两个增益控制范围：-11 dB～+17 dB和+6 dB～+34 dB，通过单片机控制外部引脚选择增益范围为-11 dB～+17 dB。

图3　高频解调系统框图

锁相环PLL是能够跟踪信号相位的闭环自动控制系统［9］。环路中包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。锁相环PLL设计中选用频率合成器ADF4002，ADF4002用来在无线接收机和发射机的上变频和下变频部分实现本机振荡器。它由低噪声数字鉴频鉴相器（PFD）、精密电荷泵、可编程参考分频器和可编程N分频器组成。14位参考分频器（R分频器）允许PFD输入端的参考频率为可选值。ADF4002与外部环路滤波器和电压控制振荡器一起使用，则可以实现完整的锁相环。

AD8302的相位检波电路主要包括对数放大器，乘法器和环路滤波器等。干涉信号和参考信号经过对数放大器进行对数缩放之后，进入乘法器，再通过环路滤波器滤去其中的和频信号，其数学表达式为

式中，I1′、I2′、A1′和A2′分别是调相信号和参考信号经过对数放大器的信号及其幅值；由（3）式可知，调相信号的载波频率ω1与参考信号频率ω2不相等时，解调结果中就会出差频信号。在实际情况下，声光调制器的中心频率会与给定的80 MHz有微小的偏差，若参考信号频率仍为80 MHz，调相信号的载波频率与参考信号频率就会有频差。为了避免两者频差引起的低频成分，锁相环中的电压控制振荡器选用了IDT8N0QV01，IDT8N0QV01是可编程的压控振荡器，频率输出范围是15.476 MHz～260 MHz，可以通过单片机控制外部引脚来改变其输出频率来保证参考信号频率与调相信号的载波频率的一致性。

经过信号调理电路处理的干涉信号和参考信号，进入AD8302相位检波之后，再由带通滤波器BPF进行滤波处理，这是为了消除环境振动引起的低频干扰、低频的电路噪声和和载波频率的倍频信号。LC无源滤波器具有良好的频率选择特性，并且信号能量损耗小、噪声低，一般用于高频电路［10-11］。带通滤波器则通过LC无源低通滤波器和高通滤波器的串联来实现。

3　解调实验及结果分析

解调实验系统框图如图4所示。实验中选用Nd：YAG脉冲激光器作为光源，波长为1064 nm，重复频率10 Hz，脉冲宽度7 ns。声光调制器选用了TSGMN-5型声光移频器，中心频率为80 MHz。实验中用压电陶瓷模拟微振动信号，驱动信号为1 MHz正弦波。光电探测器选用THORLABS公司的PDA10A硅光电探测器，响应波长为200 nm～1 100 nm，带宽为0～150 MHz。光电探测器PDA10A输出的调相信号作为干涉信号，其中被调制信号是1 MHz的超声信号，载波频率是80 MHz的正弦波信号，声光调制器输出的80 MHz正弦波作为参考信号，分别经过硬件解调系统进行相位解调。从理论上讲，干涉信号和参考信号经过高频解调电路之后就会得到1MHz的正弦波振动信号。

解调实验结果如图5所示，图5（a）是频率为1 MHz的原始模拟微振动信号，图5（b）是调相信号，图5（c）是MATLAB软件解调结果，图5（d）是AD8302直接解调结果，图5（e）是新型硬件解调系统的解调结果。目前最常见的软件相位解调技术是基于反正切运算的相位生成载波解调技术［12］，但是若超声信号的幅值在［-π/2，π/2］范围之外，由于反正切函数的非单调性，基于反正切的解调算法会引起信号的失真，仍需要进一步改进和完善。AD8302直接解调中，由于调相信号的载波频率与参考信号频率有一定的频差，解调结果中出现了两者的差频信号，待测的高频信号被加载到该低频信号上，新型的硬件解调结果则有效地避免了该低频信号的出现。对比3种不同解调方式得到的解调结果图5（c）、图5（d）、图5（e），新型硬件解调系统的解调结果更能完整地解调出待测的振动信号。

图4　解调实验系统图

图5　硬件解调实验结果

结果表明，新型硬件解调系统工作性能良好，能够解调出所需的振动信号。另外，为尽量消除硬件解调结果出现的其他频率信号，高频解调电路板需要避免电磁干扰，这可以通过改进电路板的布局和电路板屏蔽等方法来实现。

4　结论

高频调制信号解调电路能够有效地解调出样品表面待测的振动信号；相对于传统的硬件解调电路和软件解调算法，该解调电路适用于高频的激光超声信号，且不受信号幅值大小的限制，应用范围更广。

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杨玮萍（1989-），女，汉族，山西稷山人，中北大学计算机与控制工程学院，硕士研究生，主要研究方向为装备试验测试与系统，452681894@qq.com；

郑宾（1964-），男，汉族，福建福清人，中北大学计算机与控制工程学院，教授，主要研究方向为现代传感技术与系统、智能结构与系统等，13934168881@163.com；

郭华玲（1976-），女，汉族，山西文水人，中北大学计算机与控制工程学院，教授，主要研究方向为测试计量技术及仪器，信号处理等，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

项目来源：教育部博士点基金联合项目（2013142012007）

2015-05-27修改日期：2015-07-31