超声波的光外差接收

　　(1)在光学部分,外差干涉光路空间准直性对信噪比的影响。

　　(2)在信号处理电路部分,锁相环电路特性分析及其参数确定。

　　1　引言

　　应用压电式探头进行超声检测时,声耦合层将显著影响测量的可靠性和精度,特别在超声CT层析成象技术中,由于重构象的质量依赖于实际测得的大量的原始数据的精度,这种影响更显得十分重要,另外压电探头也不便于CT扫描。激光接收超声是一种非接触式接收技术,避免了耦合层的影响,而且便于扫描、测点小、接收系统频带宽,因此这种技术的研究受到高度重视[1]。我们在研究了刀刃法激光接收超声技术以后[2],本文又设计研制了激光外差干涉接收超声实验系统,为适应激光超声信号弱、频率高的特点,系统采用外差干涉及相关检测技术,以保证系统有较好的抑制干扰的性能和足够的信噪比。文中重点讨论了外差干涉系统中信号光路与参考光路达到光敏面(光电探测器)的空间准直性对信噪比的影响,以及锁相电路的特性分析和参数确定。

　　2　光外差干涉法检测超声波的原理

　　激光外差干涉的基本原理如图1所示,它与一般的迈克逊干涉仪相似,只是在其中一臂插入布拉格声光调制器,使该路光产生频移。这样,信号光波与参考光波干涉后将产生差频信号。信号光波可写为

　　参考光波为

　　U为光幅度;X为光的圆频率; Ky为传播矢量; rj为位置矢量;D(t)为超声波引起的试件表面法向位移;K为波长;U为初位相;下标S, R分别表示信号光与参考光。当信号光波与参考光波严格同轴射到探测器的光敏面时(KyS=KyR),光电探测器的光电流为

(1)

　　其中K为光电转换系数; S为光敏面积; fB为差频。上式的差频项包含了被测信号σ(t)。可见,干涉以后产生的差频项是一个被位移δ(t)调制的调相信号,对此信号应用位相解调电路处理,即可得超声信号。

　　3　光外差干涉检测系统

　　本文实际的光外差干涉检测系统的框图如图2所示。

　　激光器为10mWHe-Ne激光器,利用声光调制器的0级光和1级光分别构成干涉仪的两路。声光调制器的频漂为40MHz,因此差频信号为40MHz的射频信号,后级要采用超高频锁相环电路来解调。由前已知, id的差频项是相位调制信号,故锁相环的输入位相为ψ(t)=,也可以写成

　　其中ψ(t)=。根据锁相环解调原理,锁相环输出电压Uc(t)NV(t);经过后面的积分器积分输出UJ(t)=δ(t);再经过中频放大和滤波后即可得到正比于δ(t)的个具有一定幅度的解调信号。