王　偉,季園媛,張雄星,劉光海

(1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院,西安 710021;2.四川物科光學(xué)精密機(jī)械有限公司,綿陽 621900)

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激光多普勒差頻條紋處理電路設(shè)計(jì)

王偉1,季園媛1,張雄星1,劉光海2

(1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院,西安 710021;2.四川物科光學(xué)精密機(jī)械有限公司,綿陽 621900)

摘要：為了解決全光纖激光速度干涉系統(tǒng)產(chǎn)生的多普勒信號的實(shí)時(shí)采集和處理問題,提出了一種以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)為核心的信號采集和處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案.系統(tǒng)以Cyclone IV的FPGA為核心控制模塊,結(jié)合信號調(diào)理電路、A/D電路及D/A轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成多普勒信號的采集和處理系統(tǒng),完成針對振動(dòng)信號的速度和位移信息的解調(diào).采用音叉搭建了振動(dòng)測試平臺(tái),通過示波器可同時(shí)觀測目標(biāo)的速度和位移變化.研究結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的測振系統(tǒng)速度測量范圍為0.1～30 m·s-1,頻率測量范圍為DC-1 MHz,頻率測量誤差為1%.

關(guān)鍵詞：激光干涉；現(xiàn)場可編程門陣列；信號采集；頻率測量

frequency measurement

測振技術(shù)目前分為兩大類接觸式測量和非接觸測量.接觸式測量是通過在測量物體上安裝壓電傳感器,必須依附在被測物體表面.在特殊的振動(dòng)測試中,由于傳感器大小的局限,會(huì)破壞原有的振動(dòng)狀態(tài),空間較小可能無法安裝,從而增加測試難度.激光多普勒測振[1]是利用光散射原理和多普勒效應(yīng),根據(jù)激光的相干性,通過獲得目標(biāo)物體速度變化引起的干涉條紋變化.光波比無線電波的波長短、頻率高,以其頻移和波長作為尺子去度量被測目標(biāo)的速度和位移,精度高.但光的多普勒頻移一般在幾十MHz量級,光電探測器和數(shù)據(jù)采集電路的帶寬相應(yīng)的就需達(dá)到百M(fèi)Hz量級,這對后續(xù)的光電探測和信號采集電路提出了較高要求,因此,激光多普勒信號的采集和處理是激光多普勒測量系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)上的難點(diǎn)之一.文獻(xiàn)[2]提出在信號處理過程中,通過高速數(shù)據(jù)采集卡把多普勒信號采集到計(jì)算機(jī)中,借助Matlab平臺(tái),選取時(shí)頻分析中的Wigner_Ville分布對采集進(jìn)入的多普勒信號進(jìn)行分析.這種方式是在下位機(jī)中進(jìn)行采集,在上位機(jī)中解算,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的離線處理；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于數(shù)字信號處理器(Digitial Signal Processor,DSP)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),系統(tǒng)采用AD芯片采樣,片外隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Random Access Memory,RAM)緩存,液晶屏顯示的方式采用快速傅氏變換(Fast Fourier Transformation,FFT)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,這種處理算法復(fù)雜,計(jì)算量大；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)為核心的處理模塊,在光路部分通過正交分解的方式產(chǎn)生兩路正交信號采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集,經(jīng)過FPGA預(yù)處理后通過RS-232的方式傳輸上位機(jī)；文獻(xiàn)[5]研究了基于FPGA的直接測頻法的測頻精度分析,提出了采用直接測頻法誤差來源于開始階段采樣的量化誤差,以及終止采樣階段的量化誤差；文獻(xiàn)[6-7]提出了目前常見的方式主要是通過高速通信接口將數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)中進(jìn)行離線數(shù)據(jù)處理.

基于此,本文從優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)在下位機(jī)中數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測的角度進(jìn)行了研究.設(shè)計(jì)了一種針對多普勒信號的數(shù)據(jù)采集和處理電路.系統(tǒng)以FPGA為核心處理芯片,采用多周期同步測頻算法,實(shí)現(xiàn)對采集的多普勒信號解調(diào)處理,從而得到物體表面的速度和位移,通過模擬信號輸出方式.該方案將數(shù)據(jù)采集、信號處理算法以及輸出集成在一片電路中,實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號的實(shí)時(shí)連續(xù)觀測.搭建了實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái),通過對不同頻率的音叉進(jìn)行測量,驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性和精度.

1硬件電路設(shè)計(jì)

全光纖多普勒測量系統(tǒng)輸出的光差頻信號經(jīng)光電探測器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的電信號通過所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集和處理板,實(shí)現(xiàn)信號的采集處理.所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示.電信號經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路、經(jīng)濾波及放大電路預(yù)處理后送給A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,送入FPGA中.由FPGA中的硬件邏輯電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,在FPGA的邏輯控制下,將解算出的速度及方向變化量通過模擬量的形式輸出.本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要模塊包含了FPGA的最小系統(tǒng)、電源模塊、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及D/A轉(zhuǎn)換電路等部分.

圖1　數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)原理框圖

1.1信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中,光路測量部分采用1 550 nm的分布反饋式激光器(Distributed Feedback Laser,DFB-LD),采用光外差檢測[8]輸出時(shí),光電探測器接收到的光信號功率僅為微瓦(μW)的數(shù)量級,以至于輸出的多普勒信號非常微弱,噪聲成分很大,且具有較大的直流偏置.該信號很容易被其他噪聲干擾.為了提高信噪比,保證后續(xù)信號處理的準(zhǔn)確性,必須對光電探測器輸出的信號進(jìn)行去偏置、放大和濾波.本文采用帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案,可以實(shí)現(xiàn)在特定頻段的頻率傳遞信號,衰減這一頻段以外的所有信號.由于多普勒信號的頻率較高,可達(dá)40 MHz,所以本文選擇了亞德諾半導(dǎo)體(Analog Devices,Inc.,ADI)公司的高速、高頻的運(yùn)放芯片AD8045,其具有低噪聲、電壓反饋和高速放大等特性,滿足本設(shè)計(jì)的需求.

如圖2所示,輸入信號為光電探測器輸出的包含光差頻信息的多普勒信號.R1、C2構(gòu)成低通濾波器將高頻噪聲阻斷,R3、C1構(gòu)成高通濾波器將低頻噪聲阻斷,兩者串聯(lián)接在運(yùn)放的同相輸入端,通過反饋電阻R5來改善濾波特性.通過Pin6管腳將信號輸出到后續(xù)電路.

1.2A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

多普勒信號經(jīng)調(diào)理電路后,送入A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號.根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的測速范圍在0.1～30 m·s-1,多普勒的頻移fd表達(dá)式為

fd=2v/λ

(1)

式中：λ為激光波長；v為振動(dòng)目標(biāo)的瞬時(shí)速度.

計(jì)算可得信號頻率最高不超過40 MHz,依據(jù)采樣定理知信號采樣速率至少為80 MHz.本系統(tǒng)選擇德州儀器公司的8 位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC08200,該芯片的最高采樣速率可達(dá)200 MHz.電路原路圖如圖3所示.通過外接參考源ADR441ARZ芯片來產(chǎn)生2.5 V的電壓作為電壓參考源接入芯片Pin3管腳,其輸出的8位數(shù)據(jù)總線D0-D7和FPGA的I/O相連接,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA中.

圖2　信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖3　A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

1.3FPGA設(shè)計(jì)

多普勒信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號傳送給FPGA,在FPGA中進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算.本系統(tǒng)采用Altera公司的EP4CE15F17C8N,它具有15 408個(gè)邏輯單元.FPGA是一種多電源需求的芯片,根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)采用±5 V外接電源供電,滿足前端信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路的需求,選用多塊電壓轉(zhuǎn)換芯片提供FPGA所需要的3.3 V、2.5 V和1.2 V的供電需求.所設(shè)計(jì)的FPGA數(shù)字邏輯模塊如圖4所示.

圖4　FPGA數(shù)字邏輯框圖

圖4包含了時(shí)鐘模塊、A/D邏輯模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、FIFO緩存模塊、D/A邏輯模塊以及聯(lián)合測試工作組(Joint Test Action Group,JTAG)下載模塊.在工作過程中,通過時(shí)鐘模塊提供系統(tǒng)所需的工作時(shí)鐘.FPGA首先通過A/D控制模塊檢測是否接受到多普勒數(shù)據(jù)采集完畢的使能信號,如果收到就讀取數(shù)據(jù)并采用異步FIFO緩存.當(dāng)FIFO接近全滿的狀態(tài)時(shí)啟動(dòng),在信號處理邏輯模塊進(jìn)行頻率測量.將解算出的速度信號和方向信號通過D/A控制模塊輸出,從而完成整個(gè)采集處理邏輯控制.

1.4D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

通過FPGA解算得到被測振動(dòng)物體表面的速度變換和方向變換,通過兩路D/A轉(zhuǎn)換模塊以在模擬信號的輸出方式,通過示波器可實(shí)時(shí)觀測.由于系統(tǒng)是高速電路,在D/A的選型時(shí)需要考慮D/A芯片的轉(zhuǎn)換速率.本系統(tǒng)選用的是8位TLC5602C模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,常用于高速信號處理中,取樣速度最高可達(dá)20 MHz,可以滿足系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換速率的需求,其設(shè)計(jì)電路如圖5所示.兩路D/A的數(shù)據(jù)總線D0～D7和時(shí)鐘控制口分別和FPGA的I/O相連,轉(zhuǎn)換結(jié)果通過芯片的Pin6輸出.

圖5　D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2多周期同步頻率測量算法

A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量,傳輸給FIFO模塊,進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存.采用異步FIFO,在數(shù)據(jù)暫存的同時(shí),讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行信號頻率測量.采用的多周期同步頻率測量[9-10]方法以直接測頻法[6]為基礎(chǔ),該方法保證了閘門信號與被測信號的同步,實(shí)現(xiàn)了全頻段等精度測量,測量原理如圖6所示.

圖6　多周期同步頻率測量原理圖

在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中,首先開啟預(yù)設(shè)閘門信號,所設(shè)的兩個(gè)計(jì)數(shù)器未開始計(jì)數(shù),需要等待被測信號fx的上升沿來作為觸發(fā)信號,這時(shí)系統(tǒng)控制對應(yīng)的D觸發(fā)器電路,觸發(fā)器發(fā)出允許系統(tǒng)開始計(jì)數(shù)的信號,計(jì)數(shù)器1開始對系統(tǒng)頻率信號f0的脈沖開始計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器2開始對被測信號fx的脈沖開始計(jì)數(shù).在關(guān)閉閘門信號時(shí),系統(tǒng)中的兩個(gè)計(jì)數(shù)器不停止計(jì)數(shù),需等到fx的上升沿作為終止信號,才停止計(jì)數(shù).完成整個(gè)測頻過程.

圖6中計(jì)數(shù)器1所計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)為N0,計(jì)數(shù)器2所記得脈沖個(gè)數(shù)為Nx,由公式

N0·T0=Nx·Tx

(2)

可得被測信號的頻率為

fx=Nx/N0·f0

(3)

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1系統(tǒng)性能驗(yàn)證

采用音叉搭建振動(dòng)測試平臺(tái).實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備包括激光器、分束器、線性電源、示波器、音叉、數(shù)據(jù)采集和處理電路板等.采用Tektronix 數(shù)字示波器實(shí)行波形監(jiān)測,可以實(shí)時(shí)觀測到被測對象的速度和位移變化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

圖7中,通道1是光電探測器輸出的原始多普勒信號,通道2為D/A輸出的被測音叉的瞬時(shí)速度變化,通道3是D/A輸出的被測音叉的位移方向變化.實(shí)驗(yàn)采用的音叉本征頻率為256 Hz,測振系統(tǒng)輸出的速度信號的頻率為256.1 Hz,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)誤差為0.04%.

圖7　音叉測試效果圖

實(shí)驗(yàn)采用了9組不同頻率(128～1 024 Hz)的本征音叉進(jìn)行驗(yàn)證,如圖8所示,由此結(jié)果可以看出,實(shí)際測量頻率和理論測量頻率誤差在1 Hz的范圍內(nèi),測量結(jié)果顯示該裝置對低頻段的振動(dòng)頻率測量準(zhǔn)確度很高,誤差小。

圖8　實(shí)測信號和本征音叉的對比

3.2誤差分析

算法誤差[13-15]表達(dá)式為fd=2v/λ,可以看出誤差主要來自fd和λ,通過誤差傳遞公式ΔV=λ/2×Δfd+fd/2×Δλ產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差,其中Δfd為真實(shí)頻率與測的頻率的差值,Δλ為標(biāo)稱波長與實(shí)際波長的差值.

Δfd的差值主要來源于算法誤差.本設(shè)計(jì)中采用的多周期同步測頻法,通過信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的方波,通過QuartusⅡ軟件的SignalTap在線監(jiān)控功能,所觀測到的測量頻率和實(shí)際頻率值對比見表1.

表1　頻率測量實(shí)際值和測量值對比

Δλ的誤差主要來源于DFB激光器頻率漂移產(chǎn)生的誤差,DFB激光器最大特點(diǎn)是具有較好的單色性(即光譜純度),其線寬普遍可以做到1 MHz以內(nèi),且具有較高的邊模抑制比(Side-Mode Suppression Ratio,SMSR),因此可認(rèn)為頻率漂移產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì).

從上述分析可以看出,該裝置對振動(dòng)頻率測量準(zhǔn)確度很高,線性度較好.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的信號采集和處理系統(tǒng)的精度較高,整體誤差不超過1%,可應(yīng)用于實(shí)際的工程中.

4結(jié) 論

1) 本文設(shè)計(jì)了全光纖激光多普勒測振儀的信號采集與實(shí)時(shí)處理系統(tǒng).解決了針對于多普勒信號本身具有較大偏置和噪聲的非穩(wěn)態(tài)信號的采集和在FPGA中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,對振動(dòng)信號的瞬時(shí)速率進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出的問題.

2) 采用多周期同步測頻法,采用Verilog HDL編寫時(shí)序代碼,及各模塊之間的邏輯控制.通過仿真驗(yàn)證了整體誤差不超過1%,具有較高的精度.

3) 通過音叉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的正確性,可以滿足設(shè)計(jì)需求,對振動(dòng)信號的實(shí)時(shí)解算和處理有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值.

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(in Chinese)

(責(zé)任編輯、校對潘秋岑)

Circuit of Laser Doppler Difference Frequency Fringe Design

WANGWei1,JIYuanyuan1,ZHANGXiongxing1,LIUGuanghai2

(1.School of Optoelectronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China;2.Sichuan P&S Optical and Fine Mechanics Co.,Ltd.,Mianyang 621900,China)

Abstract:In order to solve the problem of real time acquisition and processing of the Doppler signal generated by the whole fiber laser velocity interferometer system,a method of signal acquisition and processing system based on FPGA is proposed.The system is constituted with FPGA of cyclone IV as the core control module,combined with the signal conditioning circuit,circuit and A/D conversion circuit of A/D a Doppler signal acquisition and processing system,according to the velocity and displacement of vibration signal demodulation.The fork is used to build the vibration test platform,and the velocity and displacement changes are observed by the oscilloscope at the same time.The results show that the the range of velocity measurement of vibration system is in the 0.1～30 m·s-1,frequency measurement range is DC to 1 MHz,and the frequency measurement error is 1%.

Key words:laser interference; field programmable gate array(FPGA);signal acquisition;

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.04.004

收稿日期：2015-09-28

作者簡介：王偉(1973-),男,西安工業(yè)大學(xué)副教授,主要研究方向?yàn)槲C(jī)控制技術(shù).E-mail:15005804@qq.com.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號：TM932A

文章編號：1673-9965(2016)04-0277-06