基于DPGC技术的激光干涉纳米振动测量系统

　　0 引 言

　　激光干涉测量技术具有非接触、高分辨力和高精度等优点，克服了现有微小振动测量仪的不足成为主要研究方向[1-4]。但是由于测量精度受诸多因素的影响，使得理论与实践之间还存在较大的差距。因此，它的设计和研究成为非常活跃的领域，出现了不同的测量原理和方案。常见的高精度激光干涉测量法包括：零差激光干涉法、外差激光干涉法。其中相位载波(PGC)零差检测方案由于其高灵敏度、大动态范围和好的线性度而得到广泛应用。

　　利用模拟电路进行 PGC 解调已有成功报道[5]，数字式相位载波检测方案也有一定的进展[6-7]。例如基于数字信号处理芯片 DSP[8]，基于大规模可编程逻辑门阵列 FPGA[9]等，这些方案都属于专用信号处理平台，实现起来较为复杂。对此我们提出了一种基于通用平台的方案，易于实现，缩短了研发周期。

　　本文在数字式 PGC 方案的基础上提出了基于 PC 平台的 DPGC 检测方案，用 24 位的高精度 AD 配合64 位的 PC 处理器构建了硬件系统，分析了 LabVIEW 构建 DPGC 算法的关键问题，给出了模拟仿真结果，最后在激光振动测量系统中实现了该方案，并与模拟仿真结果进行对比得以验证。

　　1 激光振动测量系统

　　激光振动测量系统由四部分组成，如图1 所示，每个虚线框代表一个部分。前置放大电路部分又分为光电转换部分和信号调理部分，信号调理电路由放大电路、带通滤波电路和抗混叠滤波电路组成;数据采集卡的主要功能是发生载波和同步采集数据;PC 端的 LabVIEW 程序主要完成载波信号的发生和数据同步采集的控制，及 PGC 解调和数据的存储。系统光路采用改进型 Michelson 干涉仪。

　　系统光路采用改进型 Michelson 干涉仪结构，如图 2 所示，该干涉仪由激光器、准直仪、非偏振分光棱镜、固定有角锥镜的 PZT、透镜和测量反射镜组成。由光源发出的单频激光经准直仪投射到分光棱镜上，经分光棱镜将入射光线分成两束：一束进入测量臂，通过透镜照射到置于透镜焦点处的测量反射镜上。此光束再由测量反射镜反射，经过透镜后，以与原入射光束平行的方向返回到分光棱镜上;另一束参考光被装有信号调制压电陶瓷的角锥棱镜反射，由此角锥棱镜反射回到分光棱镜上。这样两束光经测量反射镜和角锥棱镜反射后，分别照射到分光棱镜上重新会合，同时照射到光电探测器上形成干涉。

　　2 PGC 信号调制解调原理

　　干涉后的光信号经过光电转换后可以写成下式[10]：

式中：A、B、C 可视为常量，且 B=kA，k<1 为条纹可见度，A 正比于激光器的输出光功率。这时引入的相位为 Ccos(ω0t)+ (t)，其中 C 为载波引起的相位调制幅度，ω0是载波信号的角频率。 (t)=Dcos(ωst)+ 0(t)是待检测信号与环境噪声共同引起的相位变化。信号采用 PGC 解调，将式(1)以 Bessel 函数形式展开，得到